鐵電RAM（F-RAM）存儲器被用在一系列廣泛的應用中，其中包括工業(yè)控制系統(tǒng)、工業(yè)自動化、任務關鍵型應用和汽車系統(tǒng)等。未來幾年，汽車的安全系統(tǒng)將會變得更加復雜。推動該趨勢的一個主要動力是預期的監(jiān)管措施，它們將對汽車安全氣囊和穩(wěn)定控制系統(tǒng)的配售率和成熟度產生影響。本文探討在這些系統(tǒng)中使用F-RAM非易失性存儲技術的主要技術優(yōu)勢。

 

“安全氣囊系統(tǒng)”正在發(fā)生兩大變化。首先，所有新型安全氣囊都配有一個智能傳感器，用于檢測車內是否有乘客。安全氣囊的每一次誤彈出都會導致極高的更換成本以及相應的維護、人工和部件成本。能夠持續(xù)監(jiān)測乘客的重量和存在的智能傳感器能夠為安全氣囊的運行增加一個“可變性”，從而既能避免安全氣囊誤觸發(fā)對乘客造成傷害，也能在嚴重碰撞時為乘客提供保護。

 

其次，“安全氣囊系統(tǒng)”在事故發(fā)生之前將“實際信息或數據”采集到行車記錄儀（EDR）里。這對于今后的訴訟或保險索賠有很大的價值。EDR功能通常內置于安全氣囊電子控制單元（ECU）中。這是一種自然組合，因為EDR并不需要像飛機黑匣子那么高的耐受性要求，而且安全氣囊控制器是接收各類重要傳感器輸入的主要器件，此外，汽車上沒有安裝獨立EDR的空間。

 

這兩個要求導致我們需要一個可讀寫次數極高、存取速度較快的非易失性存儲器。對于“智能”安全氣囊而言，設計人員希望部署碰撞時彈力可變的安全氣囊。對存儲的要求是：頻繁記錄座位位置以及乘客的重量和存在/實際位置。在維護歷史方面，存儲器有足夠的空間來存儲最后15–20秒的信息。由于一輛普通汽車通常能夠運行30多年，這個存儲器應具備較快的寫速度、即時非易失性和極高的可讀寫次數。

 

F-RAM是一種非常適合這些要求的存儲器技術。與其它技術一樣，它也提供非易失性存儲功能。F-RAM的主要優(yōu)勢是極高的可寫次數和寫速度。有了F-RAM，系統(tǒng)將能以全總線速度持續(xù)存儲數據，而且無需額外的存儲器、開銷或損耗均衡等技術來管理存儲器的可讀寫次數。這是因為F-RAM具備即時非易失性特點，無需額外準備時間 即可存儲信息。其可寫次數高達1014量級。與此相比，大多數EEPROM和閃存的可惜次數還不足 106。

 

 

圖一：安全氣囊設計

 

鑒于安全性和極高的更換成本，汽車制造商增添了各類用于記錄乘客位置的傳感器，其中包括用于啟動安全氣囊子系統(tǒng)的乘客壓力傳感器，和一系列用于提升安全氣囊系統(tǒng)有效性的位置傳感器。位置數據需要頻繁更新，而且必須存儲到點，甚至是系統(tǒng)部署時刻。將位置數據持續(xù)記錄和存儲到一個非易失性存儲器之中的要求使得高性能、低功耗、高讀寫次數的F-RAM成為一個理想選擇。

 

圖二：高級非易失性存儲器對比

 

 

圖三：安全氣囊系統(tǒng)的典型框圖

 

隨著汽車設計要求的復雜性不斷增高，浮柵技術的局限性變得日益明顯。例如，浮柵存儲的編程過程需要數微秒，這對于安全關鍵型應用而言是一段很長的時間。如果碰撞時突然發(fā)生停電，那么只有很少的信息能夠存儲在浮柵存儲器中。

 

編程過程也會損壞絕緣層，因此，這類存儲器的可寫次數很有限，僅為100,000到1,000,000次。例如在客載傳感器中，數據更新量遠遠高于這個極限。假設典型的要求是數據每一秒更新一次，浮柵存儲器不到12天就會損耗殆盡。斷電時將數據緩存到RAM中并寫入浮柵存儲器，就會給EDR帶來數據速度問題，因此不可行。

 

 

在智能安全氣囊系統(tǒng)中，不僅需要在碰撞時存儲數據，而且最好能夠存儲事故發(fā)生前的數據。理想的解決方案是使用一個滾動日志存儲碰撞前數據，但實踐證明這種方法不適用于浮柵存儲器，因為它們的可寫次數有限。由于安全氣囊模塊配有大電容器，而它們存儲有充足的電能來啟動安全氣囊的電能，因此，碰撞發(fā)生后可能仍有殘余電能足夠支持從緩沖器寫入數據。但其所能寫入的數據量和存儲寫入速度取決于可用的電量。一個典型的2K字節(jié)的浮柵存儲器每5ms約可寫入4字節(jié)，因此，寫滿整個浮柵存儲器可能需要一秒以上時間。

 

圖四：非易失性數據緩沖器

 

 

由于擁有極高的可寫次數，F(xiàn)-RAM可被用作數據緩沖器。MCU可在運行時將事件持續(xù)直接寫入 F-RAM。由于F-RAM是一種固有的非易失性存儲器，它可以在斷電后保存數據。因此，即使主電源被切斷，最后一刻的數據也不會遭到損壞。由于數據是被直接寫入F-RAM的，因此不需要將最后一刻的數據從SRAM傳送到EEPROM或閃存等非易失性存儲空間。F-RAM不需要系統(tǒng)備用電源來保留最后一刻的碰撞數據。

 

 

為了捕獲全部細節(jié)，一些事件需要每秒被記錄100到 1000次。這給現(xiàn)有基于EEPROM或閃存的記錄器帶來了挑戰(zhàn)。EEPROM采用逐頁方式存儲數據，在將兩頁寫入EEPROM之間需要數微秒的存儲時延，從而限制了數據記錄能力。“無延時”寫入F-RAM可讓系統(tǒng)設計人員以系統(tǒng)總線速度捕獲和寫入實時數據。

 

 

圖五：賽普拉斯F-RAM的寫功耗 vs EEPROM和閃存的寫功耗

 

憑借同類最佳的非易失性寫速度，F(xiàn)-RAM中的高速串行SPI及I2C接口和/或高速并行存取讓控制器能夠將數據更快地寫入F-RAM。此外，低功耗F-RAM 只需其它非易失性存儲技術所需總功耗的很小一部分。

 

 

EDR的數據可靠性對于實現(xiàn)準確性、耐受性、數據檢索以及關鍵的耐用性目標來說非常重要。由于這種存儲空間被用于存儲重要的傳感器數據，高可靠性和數據完整性對于汽車應用而言是不可或缺的。

 

圖六：EDR的數據可靠性對于實現(xiàn)準確性、耐受性、數據檢索和關鍵的耐用性來說非常重要

 

 

與其它類型的應用相比，汽車市場更加關注技術成熟度。EEPROM和閃存技術已為人熟知，主要供應商都擁有成熟的質量控制體系。因為技術界對一項技術的可靠性和可用性必須了如指掌，引入新技術自然會讓人猶豫不決。F-RAM在汽車環(huán)境（包括達到125°C極端溫度的引擎蓋內應用）中出貨量已經達到5億多件，可以說其已經成熟到了足以讓汽車客戶高枕無憂的程度。

 

與閃存、EEPROM、電池供電型SRAM和其它類似技術相比，F(xiàn)-RAM可降低系統(tǒng)成本，提升系統(tǒng)效率，降低復雜性，并大幅降低功耗。

文章來源于電子技術設計。