Konstruktion batteriebetriebener Geräte mit extrem energieeffizienter Langzeitspeicherung unter Verwendung von F-RAM-Komponenten

Die zuverlässige und langfristige Datenspeicherung spielt bei batteriebetriebenen Mobilgeräten für Verbraucher, Industrie und anderen Segmente eine immer wichtigere Rolle. In Produkten früherer Generationen wurden hierfür herkömmliche nicht flüchtige Speicherlösungen (NVM, Non-Volatile Memory) wie Flash-Speicher oder EEPROMs (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) verwendet.

Die Erwartungen der Benutzer moderner Mobilprodukte hinsichtlich einer längeren Batterielebensdauer haben die Optionen zur Bereitstellung eines zuverlässigen Speichers, ohne dabei Abstriche bei der Leistungsfähigkeit des Designs oder beim Energiebudget machen zu müssen, jedoch erheblich eingeschränkt.

Dieser Artikel stellt die F-RAM-Familie Excelon von Cypress Semiconductor vor und zeigt, wie mit ihrer Hilfe die Anforderungen für eine zuverlässige Langzeitspeicherung in batteriebetriebenen Geräten erfüllt werden können.

Speicherherausforderungen in tragbaren Geräten

Der Bedarf an großem, nicht flüchtigem Speicher steht bei Designs für Wearables, IoT-Geräten und anderen tragbaren Produkten gleich hinter dem Funktionsumfang dieser Produkte an zweiter Stelle. Der Wunsch der Benutzer nach immer umfangreicheren Informationen hat dazu geführt, dass immer mehr Sensortypen in diese Designs integriert werden, die mit höheren Auflösungen und schnelleren Aktualisierungsraten betrieben werden. Gleichzeitig erwarten die Benutzer, dass diese anspruchsvollen Produkte einen umfassenden Überblick über historische Daten und Trends bieten und nicht einfach nur eine Momentaufnahme der aktuellen Sensordaten. Insbesondere soll das Gerät in der Lage sein, alle diese Daten auf Abruf ohne aktive Verbindung zur Cloud, zum Smartphone oder zu anderen externen Geräten bereitzustellen.

Entwickler, die diesen grundlegenden Anforderungen mithilfe konventioneller NVMs gerecht werden möchten, sehen sich zahlreichen Schwierigkeiten gegenüber, besonders bei Designs mit Leistungsbeschränkungen. Die Schreibgeschwindigkeiten sind bei vielen Technologien für NVMs naturgemäß um einiges langsamer als bei RAM-Bausteinen. Dies liegt an den erweiterten Zyklen, die erforderlich sind, um die Programmierung abzuschließen. Herkömmliche EEPROMs können Schreibgeschwindigkeiten von mehreren Millisekunden aufweisen. Selbst bei fortschrittlichen Flash-Speichern wird die Leistung durch die zusätzliche Einwirkzeit während der Schreibzyklen verlangsamt. Längere Schreibzyklen wiederum bedeuteten eine insgesamt höhere Stromaufnahme sowie geringere Datenaktualisierungsraten. Schließlich verfügen herkömmliche NVM-Komponenten üblicherweise über eine beschränkte Anzahl von Schreibvorgängen. Falls sie für die wiederholten Schreibzyklen zur routinemäßigen Datenspeicherung verwendet werden, könnten die Komponenten noch während der Lebensdauer des Produkts versagen.

Für eine stetig wachsende Anzahl an batteriebetriebenen Designs stellen F-RAM-NVM-Komponenten eine einfachere Lösung mit der erforderlichen Kombination aus Geschwindigkeit, Beständigkeit und geringer Leistungsaufnahme zur langfristigen Datenspeicherung dar. Typische F-RAM-Komponenten verfügen über eine Schreibbeständigkeit und Schreibzykluszeiten, die um mehrere Größenordnungen besser sind als bei EEPROMs und Flash-Speichern, und die bei der Geschwindigkeit sogar statischem RAM (SRAM) nahekommen. Im Prinzip vereinen F-RAM-Komponenten die Leistungsvorteile von herkömmlichem RAM mit den nicht flüchtigen Speichermöglichkeiten anderer Technologien für NVMs. Unter den F-RAM-Lösungen geht die F-RAM-Serie Excelon LP (Low Power, niedrige Leistungsaufnahme) von Cypress Semiconductor mit ihrer Fähigkeit, den grundlegenden Anforderungen an einen extrem geringen Stromverbrauch in batteriebetriebenen Wearables und anderen mobilen Produkten gerecht zu werden, noch einen Schritt weiter.

Extrem energieeffizienter F-RAM

Die F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP von Cypress sind integrierte, nicht flüchtige Speichersubsysteme, die ein F-RAM-Array, Register, Steuer- und Schnittstellenlogik sowie einen speziellen Sektor umfassen, der Inhalte für drei standardmäßige Reflow-Lötzyklen aufrechterhalten kann (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP von Cypress Semiconductor integrieren ein F-RAM-Array und die zugehörigen Schaltungen, um ein komplettes Speichersubsystem bereitzustellen, auf das über standardmäßige SPI-Ports zugegriffen werden kann. (Bildquelle: Cypress Semiconductor)

F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP bieten eine Langzeitzuverlässigkeit, die weit über die typischer EEPROMs oder Flash-Speicher hinausgeht. Diese Komponenten bieten eine Schreibbeständigkeit von 10¹⁵ Lese-/Schreibzyklen und eine Datenhaltezeit von 151 Jahren, die den realistischen Lebenszyklus jedes praktikablen Wearables oder IoT-Geräts übertrifft.

Die Schreibleistung dieser Komponenten trägt auch zur Verbesserung der insgesamten Zuverlässigkeit von Anwendungen bei. Da diese Komponenten Daten mit Busgeschwindigkeit in das nicht flüchtige F-RAM-Array schreiben, ist das Risiko, dass Daten verloren gehen, bei Weitem geringer als bei anderen Typen von NVM-Komponenten. Bei diesen Komponenten entsteht durch die erheblich langsameren Schreibgeschwindigkeiten und die daraus resultierende Erfordernis, Daten intern zu puffern, ein großes Zeitfenster, in dem Daten verloren gehen könnten, wenn es vor Abschluss der Schreibsequenz zu einem Stromausfall kommt.

Im Gegensatz zu anderen Technologien für NVMs werden die F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP mit den minimalen Strompegeln betrieben, die zur Verlängerung der Batterielebensdauer in tragbaren Produkten erforderlich sind. Die mit 20 Megahertz (MHz) betriebenen 8-Mbit-F-RAMs CY15x108QI aus der Serie Excelon LP von Cypress nehmen nur 1,3 Milliampere (mA) auf, während die 4-Mbit-F-RAMs CY15x104QI nur 1,2 mA aufnehmen. Die Komponenten bieten den Entwicklern außerdem mehrere Optionen, um die Stromaufnahme noch weiter zu verringern. Hierauf wird weiter unten noch detaillierter eingegangen.

Die Mitglieder der Familie Excelon LP, die für ein breites Spektrum an Systemanforderungen konzipiert sind, bieten sowohl kommerzielle als auch industrielle Temperaturbereiche sowie unterschiedliche Versorgungsspannungen. Der CY15V104QI mit 4 Mbit und der CY15V108QI mit 8 Mbit beispielsweise werden mit Versorgungsspannungen zwischen 1,71 Volt und 1,89 Volt betrieben, wohingegen der CY15B104QI mit 4 Mbit und der CY15B108QI mit 8 Mbit für Versorgungsspannungen zwischen 1,8 Volt und 3,6 Volt konzipiert sind.

Einfaches Systemdesign

Die Komponenten stellen nicht nur sicher, dass sie für die Betriebsanforderungen verschiedener Anwendungen geeignet sind, sondern vereinfachen überdies das Systemdesign. In einem typischen Design würden die Entwickler einen SPI-Bus (Serial Peripheral Interface) verwenden, um eine oder mehrere F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP als SPI-Slaves mit einem SPI-Master, wie etwa einem Mikrocontroller, zu verbinden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Entwickler können ihre Designs um einen Langzeitspeicher ergänzen, indem sie einfach eine oder zwei F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP von Cypress Semiconductor mit dem SPI-Bus verbinden, der von einem SPI-Master, wie etwa einem Mikrocontroller, gesteuert wird. (Bildquelle: Cypress Semiconductor)

Transaktionen über den verbindenden SPI-Bus verlaufen einfach und schnell. Beim Schreiben in den Speicher treten bei den F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP nicht die weiter oben im Zusammenhang mit den Flash- oder EEPROM-Technologien erwähnten zusätzlichen Schreibverzögerungen auf. Da jedes Byte die Komponente über den SPI-Bus erreicht, wird es stattdessen sofort in den F-RAM-Array geschrieben, wodurch das Risiko von Datenverlusten durch einen unerwarteten Stromausfall erheblich verringert wird.

Für Systementwickler interessant: Der Schreibvorgang folgt einem einfachen SPI-Protokoll mit branchenüblichen SPI-Betriebscodes (Opcodes). Der Host-Prozessor beginnt jede Schreibsequenz mit der Übertragung eines Opcodes (06h) zur Schreibfreigabe (WREN), während er die Leitung für die Chipauswahl (ØCS) „anhebt“ und wieder „absenkt“. Nach dieser kurzen Initialisierungsphase beginnt der Host-Prozessor mit dem Schreibvorgang, indem er einen Schreib-Opcode (02h) gefolgt von einer 24-Bit-Adresse sendet. (Die oberen vier Bits der Adresse werden in diesen Komponenten ignoriert, gewährleisten jedoch die Kompatibilität mit künftigen F-RAM-Komponenten mit höherer Dichte.) Unmittelbar nach dem Senden der Adresse kann der Prozessor mit der Übertragung der Datenbytes beginnen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Während der standardmäßigen SPI-Schreibfrequenz schreiben die F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP von Cypress Semiconductor sofort Daten in den F-RAM-Array. Verzögerungen durch Pufferung oder Einwirkzeiten wie bei früheren Technologien für NVMs treten dabei keine auf. (Bildquelle: Cypress Semiconductor)

Wenn der Host-Prozessor ein Datenbyte sendet, wird die Adresse von der F-RAM-Komponente automatische intern inkrementiert, solange der Host-Prozessor die ØCS-Leitung auf „LOW“-Pegel hält und weiterhin Taktsignale sendet. Dadurch können Entwickler die F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP in Designs einsetzen, bei denen eine beliebige Kombination aus einzelnen Bytes und Blöcken geschrieben werden muss.

Schreibvorgänge folgen einem ähnlichen SPI-Protokoll. Nach dem „Absenken“ von ØCS auf LOW-Pegel überträgt der Host-Prozessor einen Lese-Opcode (03h) und die 24-Bit-Adresse. Die F-RAM-Komponente der Serie Excelon LP reagiert sofort, indem sie die Datenbytes mit jedem SCK-Taktzyklus über die SO-Leitung überträgt. Die Lesevorgänge werden – wie die Schreibvorgänge auch – solange fortgesetzt, wie der Host-Prozessor die ØCS-Leitung auf LOW-Pegel hält und weiterhin SCK-Takte sendet.

Verlängern der Batterielebensdauer

Neben ihren einfachen Anforderungen an das Systemdesign bieten diese energieeffizienten F-RAMs den Entwicklern Optionen zur Senkung der Stromaufnahme und zur Verlängerung der Batterielebensdauer. Die speziell für batteriebetriebene Anwendungen entwickelten Komponenten CY15x10xQI von Cypress verfügen über integrierte Steuerschaltungen für den Einschaltstrom zur Senkung der relativ hohen Stromstärken, die üblicherweise beim Einschalten von NVM-Komponenten erzeugt werden.

Die F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP von Cypress ermöglichen den Entwicklern außerdem die Verwendung verschiedener Strategien zur Verlängerung der Batterielebensdauer in Wearable- und IoT-Designs, die zur Verfolgung von relativ langsam ablaufenden, realen Ereignissen Sensoren verwenden. In diesen Designs können die F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP von Cypress üblicherweise mit einer niedrigeren Taktfrequenz betrieben werden, wodurch die Stromaufnahme gesenkt wird. So sinkt etwa die Stromaufnahme des CY15V108QI mit 8 Mbit beim Betrieb mit einem 1-MHz-Takt auf 300 Mikroampere (µA), während sie beim Betrieb mit einem 20-MHz-Takt 1,3 mA beträgt. Ebenso benötigt der CY15V104QI mit 4 Mbit lediglich 200 µA bei 1 MHz im Vergleich zu 1,2 mA bei 20 MHz.

Mit den speziellen Energiesparmodi der F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP können die Entwickler den Stromverbrauch während der verschiedenen Ruheperioden, die in Wearable- und IoT-Anwendungen routinemäßig auftreten, weiter minimieren. Diese F-RAM-Komponenten unterstützen drei Energiesparmodi, mit denen die Entwickler die Reaktionszeit zugunsten eines niedrigeren Stromverbrauchs verringern können.

Die Komponenten schalten automatisch in den ersten Energiesparmodus, den Standby-Modus, wenn ØCS auf den HIGH-Pegel „angehoben“ wird, um eine SPI-Sequenz zu beenden. Umgekehrt verlassen die Komponenten den Standby-Modus automatisch, wenn ØCS auf den LOW-Pegel „abgesenkt“ wird, um einen neue SPI-Sequenz zu starten. Im Standby-Modus nehmen der F-RAM CY15V108QI der Serie Excelon LP mit 8 Mbit lediglich 3,5 µA auf und der CY15V104QI mit 4 Mbit nur 2,3 µA.

Der Standby-Modus ermöglicht eine sofortige, automatische Senkung des Stromverbrauchs, wobei es zu keinen zusätzlichen Verzögerungen bei der Rückkehr in den normalen Aktivmodus kommt. Bei Anwendungen mit längeren Ruheperioden trägt jedoch sogar diese Stromaufnahme langfristig unnötigerweise zur Verkürzung der Batterielebensdauer bei. Für diese Fälle bieten die F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP zwei zusätzliche Energiesparmodi: den Deep-Power-Down- und den Hibernate-Modus.

Im Gegensatz zum standardmäßigen Standby-Modus schaltet die Komponente nur über spezielle SPI-Opcodes in den Deep-Power-Down- und den Hibernate-Modus. Ähnlich wie bei SPI-Lese- und Schreibvorgängen gibt der SPI-Master einen Opcode (BAh) für den Deep-Power-Down- (DPD) oder einen Opcode (B9h) für den Hibernate-Modus (HIB) aus, um die F-RAM-Komponente anzuweisen, in den entsprechenden Energiesparmodus zu wechseln (Abbildung 4).

Abbildung 4: Mit standardmäßigen SPI-Protokollen können Entwickler die F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP von Cypress Semiconductor in den Deep-Power-Down- (DPD) oder den Hibernate-Modus (HIB) versetzen, wodurch sich der Stromverbrauch drastisch senken lässt. Für die Modi gelten jedoch unterschiedliche Verzögerungen für das Umschalten in (t_ENTxxx) und das Verlassen (t_EXTxxx) des entsprechenden Modus. (Bildquelle: Cypress Semiconductor)

Die Auswirkungen dieser Energiesparmodi sind enorm, da der Stromverbrauch auf unter 1 µA fällt (Tabelle 1). Obwohl sie den Komponentenstrom erheblich senken, gehen diese Modi mit einem Kompromiss einher, der sich auf zeitkritische Datenvorgänge auswirken kann. Die auf Opcodes basierenden Energiesparmodi DPD und HIB sorgen für zusätzliche Verzögerungen im Zusammenhang mit der benötigten Zeit für das Umschalten in (t_ENTDPD oder t_ENTHIB) den entsprechenden Modus und der benötigten Zeit für das Verlassen (t_EXTDPD oder t_EXTHIB) des entsprechenden Modus (Tabelle 1 und Abbildung 4).

Tabelle 1: Der Stromverbrauch der F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP in den Energiesparmodi zusammen mit den Verzögerungen beim Umschalten in (t_ENTDPD oder t_ENTHIB) oder beim Verlassen (t_EXTDPD oder t_EXTHIB) der Deep-Power-Down- und Hibernate-Energiesparmodi mittels Opcode-Befehlen. Die Werte gelten für die kommerziellen Niederspannungsversionen mit einem Versorgungsspannungsbereich von 1,71 Volt bis 1,89 Volt und einem Betriebstemperaturbereich von 0 °C bis +70 °C. (Datenquelle: Datenblätter der F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP von Cypress)

Bei der Verwendung der auf Opcodes basierenden Energiesparmodi müssen die Entwickler die Vorteile eines niedrigeren Stromverbrauchs in diesen Modi mit dem Stromverbrauch sowie der erforderlichen Zeit für das Umschalten in und das Verlassen der Modi in Einklang bringen. Jedes System mit längeren Ruheperioden kommt als Kandidat für einen dieser Modi in Frage. Die Auswahl des Modus hängt jedoch entscheidend vom Betriebszyklus ab, der für den Betrieb der F-RAM-Komponente während aktiver Perioden erwartet wird. Für F-RAM-Komponenten mit einem hohen Betriebszyklus könnten die Kosten für das wiederholte Aktivieren und Deaktivieren eines Energiesparmodus kontraproduktiv sein. Cypress beispielsweise hält jede Anwendung mit einer Ruheperiode von 10 Sekunden oder länger für einen ausgezeichneten Kandidaten für den Hibernate-Modus.

Fazit

Da für batteriebetriebene Wearables und IoT-Geräte immer mehr Langzeit-Datenspeicher benötigt werden, suchen die Entwickler nach NVM-Komponenten, die einen niedrigen Stromverbrauch bieten und dabei nicht die Leistungsbeschränkungen der herkömmlichen Technologien für NVMs wie EEPROMs und Flash-Speichern aufweisen. Aufbauend auf der naturgemäßen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der F-RAM-Technologie kombinieren die F-RAM-Komponenten der Serie Excelon LP (Low Power) von Cypress Semiconductor ihre geringen Stromanforderungen mit programmierbaren Energiesparmodi, die ihren Stromverbrauch auf unter ein Mikroampere senken können. Mit den F-RAMs der Serie Excelon LP von Cypress können Entwickler batteriebetriebene Designs im Handumdrehen mit einem Langzeit-Datenspeicher ausstatten, der die Geschwindigkeit eines herkömmlichen RAM bietet und Daten für über 150 Jahre zuverlässig speichern kann.