Malé sériové SRAM, které se neztratí ani při výpadku napájení

V mikrokontrolérech se společnost Microchip opravdu vyzná. Jako jejich přední dodavatel si v případě svých řad PIC® a také AVR® dává velmi záležet na tom, aby naplnila veškerá očekávání zákazníků. Jedna oblast, kde jako výrobce spatřuje bez nadsázky tisíce zajímavých příležitostí, zahrnuje i požadavek na záznam denních událostí s malým objemem dat (od 1 kbitu až po 1 Mbit). Zpravidla se tím bude myslet ukládání provozních informací spojených s kalibracemi nebo podrobností o tom, co vše zařízení v danou chvíli provádělo.

Systém, který například opakovaně měří, sleduje a udržuje v chodu pohyblivou linku a nemůže si přitom dovolit ztratit průběžné informace v důsledku nečekaného výpadku napájení, potřebuje ke své činnosti paměť typu EERAM. S dokončením každé položky pak dochází k resetování paměti pro zápis dat a lze proto začít sledovat další kus v řadě. V závěru článku sice zmiňujeme příklad v podobě měření energií, zapomenout však nesmíme ani na opakující se operace při soustružení dřevěných součástí, počty otoček závitů při zavádění šroubů nebo řadu specifických měření na montážní lince (pozice otvoru, šířka i výška předmětu, hmotnost, použití barvy apod.).

Mikrokontroléry od Microchipu pamatují na vestavěné bloky pamětí SRAM, EEPROM či NOR Flash apod., nicméně menších celkových nákladů lze občas dosáhnout tím, že výše zmiňovaný zápis dat vyřešíme vně mikrokontroléru, a to za přispění rozhraní I²C či SPI. Kromě ceny může takový zápis do externí paměti znamenat i další výhodu, pokud jde o celkové řešení spánkového režimu systému a samostatné řízení.

V aplikacích s požadavkem na trvalé udržení dat (tj. navzdory nenadálému výpadku napájení) a také se změnami, které se vyskytují jen zřídka, bude obvykle využívána sériová paměť EEPROM. Z hlediska ceny se jedná o velmi zajímavé řešení a vývojáři je proto volí do zapojení, ve kterých množství přepisů za celou dobu životnosti daného produktu nepřesáhne počet jednoho milionu. Nesmíme však zapomenout, že dokumentace k pamětem EEPROM slibují pro každou stránku či byte paměti pouze jeden milion cyklů STORE. U některých aplikací se však setkáváme s potřebou zaznamenat výrazně větší počet změn, než je jeden milion.

Zmíněné otázky řeší paměti typu EERAM. Jádro integrovaného obvodu v podobě paměti EERAM je tvořeno strukturou SRAM, zatímco rozhraní s mikrokontrolérem bude dle obr. 1 zajišťováno prostřednictvím I²C či SPI. EERAM staví na standardní struktuře buňky SRAM se šesti tranzistory, která se používá již po desetiletí. Vývojáři pak s pamětí EERAM zachází přesně jako se sériovou SRAM, když čtou a zapisují po bajtech s osmi bity a zápisy a také čtení (byte nebo burst) provádí dle potřeby, zatímco si nedělají žádné starosti ohledně cyklů STORE či výdrže.

Na obr. 1 si povšimněte externího kondenzátoru C_VCAP (typicky 33 μF), který bude nezbytné zapojit pro zajištění nonvolatilní činnosti paměti SRAM. Po prvním přivedení napájecího napětí pro paměť EERAM je kapacita prostřednictvím součástky nabita na úroveň V_CC. Po dobu obvyklé činnosti paměti typu SRAM zůstává kondenzátor nabitý (V_CC), zatímco hladina systémového napětí VCC je součástkou dále monitorována. Jakmile však VCC klesne pod nastavený práh, součástka si to „vyloží“ jako výpadek napájení či brown-out. Jak vyplývá z obr. 2, prvek pozastaví veškeré operace se vstupy a výstupy, odpojí se od vývodu V_CC a energii uloženou v kapacitě použije k napájení součástky, tentokrát přes vývod V_CAP. Smyslem je přemístit veškerá data z paměti SRAM do EEPROM. Při následujícím obnovení napájení V_CC budou data přemístěna zpátky do paměti SRAM, kondenzátor je znovu nabit a původní činnost může pokračovat přesně tam, kde také skončila.

Obvody s rozhraním I²C máme k dispozici v provedení s 4, 16 a také 64 kbity (duben 2020). Prvky využívající SPI pak dávají na výběr mezi 64, 256 a 512 kbity, resp. velikostí 1 Mbit. Pro veškerá rozhraní a také hustoty je při sériové výrobě zvoleno provedení typu SOIC s osmi vývody. V případě některých variant jsou kromě toho dostupná i jiná pouzdra.

Vývojáři by měli počítat s tím, že za paměť EERAM zaplatí při zachování stejné hustoty přibližně dvojnásobek ceny sériové EEPROM. Dodatečné náklady však budou otevírat cestu k vlastnostem paměti SRAM bez omezení, pokud jde o čtení a zápis, a také ke 100 000 cyklů STORE (V_CC) v případě záložních tranzistorů nonvolatilní části. Takovou funkci pro řadu aplikací několik dekád zajišťovaly sériové paměti FRAM (FeRAM). Objem dodávek sériových FRAM jasně potvrzuje potřebu i význam zmíněných funkcí NVSRAM, přičemž díky EERAM bude požadavkům vyhověno za ještě nižší cenu. Prvními zájemci se tak stávají uživatelé pracující s IO FRAM, kteří budou požadovat jak lepší cenu, tak i „standardnější“ technologii.

Příklad chytrého elektroměru

Pojďme se nyní podívat na jedno bydlení, které bylo modernizováno tak, aby mohlo využívat rozvodnou síť s chytrým elektroměrem. Majitel si proto může přizpůsobit svou spotřebu energie (pračka, sušička prádla apod.) s ohledem na tarif mimo špičku a dodavatel bude zase po minutách měřit odběr, takže v dané oblasti dokáže lépe spravovat síť. K měření spotřeby energie domácnosti dochází v našem případě každou vteřinu, přičemž každé dvě minuty bude odesílána informace s výsledky. Po předání údajů za poslední dvě minuty je zápis resetován a měřidlo může začít sledovat odběr po dobu následujících 120 sekund. Rozvodná síť v takové oblasti zaznamená nanejvýš dvacet případných poklesů napětí či úplných výpadků ročně. Ztráta jednoho výsledku dvouminutového měření odběru jediné domácnosti se sice může zdát z pohledu dodavatele a jeho zisku jako bezvýznamná, nicméně pokud se tak stane v rámci celé oblasti, nelze to jen tak přehlédnout. Paměť typu EERAM je pro takové účely ideálním řešením. Po výpadku napájení totiž umožňuje obnovit získané údaje a poplatně kategorii sériových pamětí NVRAM o velikosti 4 kbity až 1 Mbit nyní přichází i s nejnižší cenou.

Shrnutí předností pamětí EERAM

Za prvé paměť typu EERAM je vystavěna na základě SRAM a plovoucích hradel – standardních struktur u většiny současných prvků CMOS. Do výroby tudíž nevnáší žádné nezvyklé procesy ani chemické látky. Výroba proto může probíhat v řadě závodů po celém světě, zatímco kvalita a velmi nízká provozní poruchovost prověřená miliony a miliony obvodů CMOS dodávaných každý měsíc bude v případě EERAM snad nejpádnějším argumentem.

Za druhé paměť EERAM se z pohledu uživatele chová stejně jako sériová SRAM. Uvažujeme zde stejné sériové rozhraní I²C či SPI a také pouzdření, takže se s ní snadno pracuje. Čtení i zápis bajtů budou navíc symetrické, což znamená, že bajt zapíšeme a přečteme stejně rychle. Činíme tak bez omezení, podobně jako je tomu v případě SRAM, protože taková paměť je přímo součástí obvodu. Protože ale máme co do činění s non-volatilními hradly, jsme před možným „opotřebením“ součástky omezeni 100 000 cykly vypnutí/zapnutí.

Pro více informací navštivte stránky [1] nebo pište na [2].