Co jsou a k čemu slouží paměti EERAM?

Levná paměť typu NVSRAM, která si data udrží i bez vnější baterie? Seznamte se: I²C EERAM od Microchipu. Je nová, snadno se používá a svou podstatou se bude hodit pro aplikace vyžadující nepřetržitý nebo též okamžitý záznam, aktualizace či sledování dat, např. v automobilovém průmyslu nebo měřidlech. O co se jedná?

SRAM i EEPROM, baterie žádná

EERAM [1] je samostatnou pamětí typu SRAM spolu se stínovou zálohou v interní EEPROM pro případ výpadku napájení. Zapisovat můžeme tak často, jak potřebujeme – bez omezení a s velmi rychlým nahodilým přístupem. Pracujeme s velikostmi 4 kb až 16 kb a na výběr dostáváme standardní pouzdra typu SOIC, TSSOP a PDIP s osmi vývody, napětím 3,0 V nebo 5,0 V a teplotními rozsahy –40 °C až +85 °C nebo též –40 °C až +125 °C. Řešení je to robustní, spolehlivé a v kontextu technologie FRAM rovněž za zlomek její ceny.

K bezpečnému uložení dat při výpadku napájecího napětí nové paměti nevyžadují vnější baterii, ale vystačí si s malým externím kondenzátorem, jehož energie postačí k uložení obsahu SRAM do EEPROM, přesně jak jsme o tom psali na webových stránkách DPS Elektronika od A do Z [2].

Do měřidel i pod kapotu

Pole působnosti bude pro takové paměti sice široké, nicméně dvě oblasti zde sehrají stěžejní roli – automobilový průmysl následovaný měřením energií [3]. V prvním případě robustní EERAM nahrávají aplikacím vyžadujícím neustálý záznam dat, která se v případě ztráty napájení, ať již zcela nahodilé, nebo vyvolané systémem či jeho uživatelem, navíc bezpečně uloží. A nemusí se přitom jednat pouze o klíčové údaje spojené s airbagy nebo senzory ABS, stačí už jen taková navigace. Obvody vyhovují požadavkům AEC-Q100 třídy 1.

Podobná situace nastává též u moderních elektroměrů skládajících se ze dvou subsystémů, měřicího a komunikačního. Prvořadý úkol toho prvního pak spočívá v přesném sledování odebraného množství energie a s tím se logicky pojí potřeba zápisu dat v reálném čase, klidně i několikrát za vteřinu nebo ještě častěji. Zákazník platí za skutečný stav a v dlouhodobém horizontu, třeba u předplacených systémů, by nerad řešil nějaké výkyvy. Požadavky na datovou paměť jsou tedy jasné – okamžitý a zároveň spolehlivý zápis prostě bez omezení.

Struktury EERAM tohle vše řeší jednoduše, využívají k tomu rozhraní I²C a vhodně poslouží i v rámci komunikační části měřidla, resp. se stále rostoucí „chytrostí“ rozvodných sítí sledujících své provozní stavy, zatížení apod. i kdekoli jinde. A pamatováno bylo též na případné „narušitele“ (Tamper Detection). Využijeme přitom vývodu paměti HS (Hardware Store / Event Detect Input) umožňujícího libovolné vnější události nastavení nonvolatilního bitu stavového registru, který lze kdykoli resetovat. Stav dokážeme sledovat a rovněž na něj reagovat – přinejmenším přesunem obsahu paměti SRAM do EEPROM.

Jak EERAM pracuje

Žádné složitosti v tom nehledejme. Vnitřní obvody paměti budou nepřetržitě sledovat pokles systémového napájení pod úroveň VTRIP, který může nastat řízeně, ale též naprosto nepředvídatelně. V takovém případě oceníme přítomnost externího kondenzátoru připojeného přímo k vývodu VCAP, s jehož energií bezpečně přesuneme obsah paměti SRAM do pole EEPROM. Po obnovení napájecího napětí nad hladinu VTRIP dochází k automatickému návratu dat zpátky do části SRAM. Zápisy do SRAM přitom takto vzniklá paměť EERAM vykazuje bez omezení, v případě cyklů mazání/zápisu do EEPROM pak hovoříme o více než jednom milionu.

S kapacitou...

Náležitě zvolený kondenzátor zde znamená spolehlivé ukládání informací, a to jak v případě četných aktualizací, tak též po náhlém výpadku napájení bez jakéhokoli varování. Správný výběr přitom od vývojáře vyžaduje vyvážení fyzických vlastností součástky tak, aby vyhověla pracovním podmínkám a stále ještě spolehlivě zajistila dostatečné množství energie nezbytné k celému procesu.

Kondenzátor by měl vyhovět nejen z hlediska nejvyššího možného napětí daného návrhu, ale v případě použití keramických provedení může dále těžit i ze svého vyššího jmenovitého napětí a umožnit tak dosažení ještě větší spolehlivosti a stability. Potřebnou kapacitu pak stanovíme na základě velikosti připojené paměti, včetně příslušného napětí. V aplikační poznámce [5] najdeme vedle podrobnějšího rozboru též tabulku doporučených minimálních hodnot kapacity. Ty skutečné však budeme muset s ohledem na záporné tolerance ještě o něco navýšit.

Zobecňovat na tomto místě nechceme, ale jen pro představu, pohybujeme se někde v rozsahu od 4,7 μF do 22 μF. Pečlivě však musíme zvážit možné odchylky. Zajistit naprosté minimum určitě nestačí, zvláště když zde máme něco, jako je teplotní rozsah nebo předpokládanou životnost zařízení.

... a také bez kondenzátoru

Paměti EERAM umožňují též manuální ukládání obsahu SRAM, a to buď s využitím již zmiňovaného vývodu Hardware Store (HS), nebo pomocí příkazu (Software Store). V takovém případě dochází k okamžitému zápisu do EEPROM. Pokud se tedy rozhodneme pomocného kondenzátoru zbavit, můžeme obsah paměti přesouvat dle libosti sami. Funguje to ale i obráceně, tzn. při přenosu dat z paměti EEPROM zpět do SRAM.

Ve výsledku tedy pracujeme s trojicí režimů platných pro ukládání dat:

• Auto Store,
• Hardware Store a
• Software Store, resp. dvěma módy pro jejich zpětné vyvolání z paměti, tj.:
• Software Recall nebo
• Auto Recall.

Posledně zmiňovaný se bez ohledu na fyzickou přítomnost vnějšího kondenzátoru uplatní po každé obnově napájecího napětí.

Co vše s EERAM vyřešíme

Paměti EERAM od Microchipu přichází s možností neomezeného zápisu do svého pole SRAM a umožňují tak do součástky nepřetržitě ukládat data. A protože jsou výpadky napájení nahodilé a nevypočitatelné, oceníme též funkci bezpečné automatické zálohy v případě takového stavu. Opakovaný záznam dat, černé skříňky nebo monitorovací systémy – zde všude uložíme i poslední datové bajty před nečekanou událostí. Nezbytnou energii nám k tomu totiž dodá volitelný kondenzátor, se kterým spolehlivě zkopírujeme obsah paměti RAM do stínové interní EEPROM, ze které jej po obnovení napájení automaticky vracíme zpátky do SRAM.

Podrobnější informace spolu s konkrétními obvody nabídnou stránky výrobce [3], kde zároveň najdeme i přehledné srovnání celkem pěti druhů paměťových struktur, sériové EEPROM, sériové Flash, paralelní Flash, sériové SRAM a také sériové NVSRAM spolu s baterií právě se sériovou EERAM. Takové řešení sice neupotřebíme všude, nám se ale líbí a rádi si počkáme, s jakými dalšími verzemi ještě v Microchipu přijdou.