
Память EERAM от Microchip — это снижение затрат на сохранение данных при отключении питания
Введение
Компания Microchip Technology Inc. (далее — Microchip) хорошо хорошо известна на рынке микроконтроллеров. Как их крупный производитель, предлагающий линейки устройств PIC и AVR, Microchip очень много работает, чтобы удовлетворить все потребности клиентов. Одна из областей, где специалисты компании видят буквально тысячи интересных приложений, включает требование небольшого, объемом 1 кбит – 1 Мбит, журнала регистрации данных — лога (англ. log file).
Обычно журналы данных содержат информацию о текущей калибровке или фиксируют сведения о ходе выполнения того или иного события, которое машина обрабатывает в текущий момент. Например, система, которая постоянно измеряет, отслеживает и продвигает на транспортере движущиеся готовые изделия или их части (далее — изделия), при внезапном отключении питания не должна потерять информацию о ходе выполнения операции или этапа технологического процесса. Чтобы выйти их такой, довольно обычной в промышленных условиях ситуации, в системе должны быть предусмотрена EERAM — автономная энергонезависимая память с произвольным доступом. По завершении обработки каждого изделия, чтобы начать отслеживание очередного изделия на конвейере или операции его обработки, память журнала данных сбрасывается (рис. 1).

Рис. 1. После сбоя питания, для того чтобы правильно выполнить действие, робот должен получить необходимую информацию о состоянии,
в котором он находился до этого события
В конце статьи мы подробно рассмотрим пример измерителя мощности, но подумайте и о таких приложениях, как запись данных по отдельным операциям, например при обработке детали на токарном станке, и учет нарезки резьбы для вставки болта, или выполнение последовательных измерений (контроль расположения отверстий, ширины и высоты объекта, его вес и т. д.), или технологических операций, в том числе нанесение краски, — и все это на движущейся рабочей линии
Микроконтроллеры компании Microchip по факту уже имеют встроенные блоки памяти SRAM, EEPROM, флэш-память NOR-типа и т. д., но иногда наши клиенты могут снизить общую суммарную стоимость электронных компонентов конечной системы, поместив журнал регистрации данных вне микроконтроллера и управляя этим внешним журналом данных через порт I2C или SPI. Кроме того, помимо стоимости, эти журналы данных с внешней памятью могут иметь еще и дополнительное преимущество в виде отдельного управления в общей стратегии режима ожидания системы.
Для редко меняющихся приложений регистрации данных, которые требуют энергонезависимости (то есть, хранение данных при внезапном отключении питания), использование последовательной EEPROM является обычным решением. Оно очень рентабельно, и поэтому, если их приложения переписываются менее одного миллиона раз за общий срок службы продукта, разработчики выбирают останавливают свой выбор именно на нем. Важно только не забывать и учитывать, что спецификация на память EEPROM гарантирует всего лишь один миллион циклов STORE (записи/хранения) для каждой страницы или байта памяти.
Но некоторым приложениям требуются журналы данных, в которых будет иметь место гораздо больше изменений содержимого, чем один миллион циклов в течение срока службы продукта. И что нам делать?
Решение этой проблемы — это EERAM. Мы подключаемся к микроконтроллеру через I2C или SPI (см.рис. 2), а ядром памяти микросхемы EERAM является SRAM. EERAM использует стандартную структуру ячеек SRAM с шестью транзисторами – устоявшаяся технология, которая используется уже десятилетиями. Разработчик системы обращается с EERAM точно так же как с последовательной SRAM, считывая и записывая данные в 8-битных байтах и выполняя по мере необходимости байтовую или пакетную запись и байтовое или пакетное чтение. При этом выполнение процессов байтовой или пакетной записи и чтения происходит при необходимости без учета циклов STORE и не заботясь о сроках нормального функционирования памяти.

Рис. 2. Нормальная работа SRAM. Для работы в качестве энергонезависимой памяти необходимо только добавить конденсатор CVCAP
На рисунке 1 обратите внимание на внешний конденсатор CVCAP (обычно емкостью 33 мкФ), который необходимо добавить для энергонезависимой работы SRAM. Когда питание впервые подается на EERAM, этот конденсатор непосредственно через устройство заряжается до напряжения аппаратной шины VCC. Во время нормальной работы SRAM конденсатор остается заряженным до напряжения VCC, который контролируется устройством через монитор напряжения. Если напряжения на системной шине питания VCC падает ниже установленного порога Vtrip, устройство интерпретирует это как событие отключения питания. В этом случае устройство приостанавливает все операции ввода-вывода (теперь, обратимся к рис. 3), отключает свое соединение с выводом VCC и для питания устройства использует сохраненную в конденсаторе CVCAP энергию, в этот период времени происходит передача всех данных из SRAM в EEPROM. При следующем включении напряжения данные передаются обратно в SRAM, конденсатор CVCAP перезаряжается, и работа SRAM может начаться с того места, где она была остановлена. Наглядно этот процесс представлен в двухминутном видео, доступном по ссылке [3]
Разработчики, заинтересованные в рассмотренном решении, должны понимать, что EERAM будет примерно вдвое дороже последовательного EEPROM при той же плотности и той же скорости чтения/записи. Но эта добавленная цена дает им возможность бесконечного чтения / записи SRAM и 100 000 циклов STORE (VCC) для энергонезависимой резервной памяти.
Вот уже несколько десятилетий последовательная память FRAM (FeRAM – ферроэлектрические ОЗУ) обеспечивает эту функцию во многих из этих приложений. Объем серийных поставок FRAM четко подтверждает необходимость и широту возможностей таких функций как NVSRAM, а EERAM удовлетворяет эту потребность по более доступным ценам. Первыми пользователями новых микросхем являются пользователи FRAM, которые стремятся снизить как себестоимость своих решений, так и перейти к более стандартному технологическому подходу.
Основная причина, позволившая снизить цену EERAM, заключается в использовании стандартных технологических процессов, на которых основано производство приборов КМОП и флэш-памяти. Благодаря большим объемам производства и хорошо отработанному и широко используемому технологическому процессу, эти микросхемы имеют наилучшую надежность и самую низкую стоимость в отрасли. Альтернативные решения, такие как FRAM, изготавливаются с использованием специальных процессов, что намного увеличивает производственные затраты и приводит к неопределенности в сроках поставки. На новое семейство EERAMраспространяется ориентированная на клиента практика Microchip, заключающаяся в гарантии долговременной доступности микросхем в течение всего необходимого времени.
Пример применения: интеллектуальный счетчик электроэнергии
Давайте посмотрим на один жилой дом, который был модернизирован с использованием интеллектуальных электросчетчиков. Благодаря им домовладелец может регулировать потребление энергии таких домашних бытовых приборов как стиральная / сушильная машина и т. п. в непиковые периоды, а коммунальная компания может измерять показатели использования за считанные минуты, чтобы лучше управлять своей локальной электросетью (рис. 4).

Рис. 4. С помощью интеллектуального счетчика электроэнергии можно регулировать ее потребление в соответствии с ценами вне фаз пикового потребления
В этом примере измерения энергопотребления в доме производятся каждую секунду, и каждые две минуты журнал данных о ее использовании передается в сеть. После того, как будут переданы последние двухминутные показания, измеритель может начать измерение потребления энергии в следующие две минуты, сбросив накопленные в журнале данных.
Однако тут есть проблема. В такой электросети за год происходит до двадцати кратковременных аварийных отключений или периоды ее полного отключения. Хотя потеря показаний за один двухминутный период для одного дома кажется несущественной для прибыли коммунальных предприятий, но потеря этих двух минут показаний для всей совокупности домов в этой локальной сети уже может иметь значение.
EERAM — в этом случае просто идеальное решение. Этот тип памяти, предлагаемый компанией Microchip, обеспечивает восстановление данных при потере питания, и в настоящее время является самым дешевым решением в этой категории последовательной памяти NVRAM в диапазоне от 4 Кбит до 1 Мбит.
Заключение
Краткий обзор преимуществ EERAM
Во-первых, EERAM построена из SRAM на транзисторах с плавающим затвором — разновидность полевого МОП-транзистора, используемая в различных устройствах энергонезависимой памяти, являющимися стандартными КМОП-структурами в большинстве продуктов. Таким образом, EERAM не добавляет в технологию изготовления процесс никаких специфических процессов или химикатов. Эти компоненты могут производиться на многих заводах по производству полупроводников по всему миру. Качество и очень низкая частота отказов в местах эксплуатации, основанные на миллионах и миллионах, производимых каждый месяц КМОП-продуктов — это самая сильная сторона памяти технологии EERAM.
Во-вторых, для пользователя EERAM ведет себя так же, как последовательная SRAM – тот же интерфейс последовательной синхронизации I2C или SPI, те же пакеты, поэтому ее легко использовать. Кроме того, чтение и запись байтов симметричны, что означает, что вы можете записывать байт так же быстро, как вы можете читать байт. Кроме того, чтение и запись байтов бесконечны, как это имеет место при использовании SRAM, потому что это SRAM внутри. Однако, поскольку здесь все же задействована и энергонезависимая память, то микросхема может гарантировать только до 100 000 циклов отключения / включения, прежде чем ее энергонезависимые ячейки могут начать деградировать. Но такое переключение возникает только при сбоях в питании, что вполне вероятное, но не уж настолько частое явление.
Ключевые особенности микросхем EERAM компании Microchip:
- память EERAM для регистрации данных объемом до 1 Мбит;
- интерфейсы SPI и I2C;
- содержимое памяти SRAM сохраняется при потере питания и не требует использования батареи;
- автоматическая передача данных SRAM в энергонезависимое запоминающее устройство при обнаружении потери питания;
- ток потребления для вариант 64 Кбит:
- в активном режиме – не более 1 мА (с интерфейсом I2C) и 5 мА (с интерфейсом SPI);
- в дежурном режиме – не более 200 мкА;
- в спящем режиме – не более 3 мкА (с интерфейсом SPI).
- время хранения данных – 100 лет;
- низкая стоимость по сравнению с решениями на базе памяти NVRAM и FRAM малой плотности.
На момент подготовки перевода статьи семейство EERAM компании Microchip с интерфейсом I2C включает в себя три микросхемы с объемом памяти от 4 Кбит, 16 Кбит и 64 Кбит. Варианты с интерфейсом SPI доступны на 64 Кбит, 256 Кбит, 512 Кбит и 1 Мбит. Все новые устройства выпускаются серийно в 8-выводных корпусах SOIC (SOIC является основным вариантом и доступен для всех вариантов), SOIJ и DFN. Диапазон рабочих температур микросхем семейства EERAM от -40 до 85°C. Полная информация по кратко рассмотренным в рамках статьи микросхемам компании Microchip семейство EERAM доступна по общей ссылке [4].
- Reduce Memory Costs and Retain Data at Power Loss with Microchip’s EERAM Memory Solutions. Press Release, December 2, 2019. www.microchip.com/en/pressreleasepage/reduce-memory-costs-and-retain-data-at-power-loss-with
- Hulse G. Nichtflüchtiger EERAM vermeidet Datenverluste bei Stromausfall. Hüthig GmbH, 09.03.2020. www.all-electronics.de/nichtf luechtiger-eeram- vermeidet-datenverluste-bei-stromausfall/#
- EERAM in Two Minutes. Short value video explaining what EERAM is and how to use it. www.microchip.com/design-centers/memory/serial-eeram
- Serial EERAM: SRAM that Doesn’t Lose Data on Power Down. www.microchip.com/design-centers/memory/serial-eeram