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

 

“安全氣囊系統”正在發生兩大變化。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。能夠持續監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”在事故發生之前將“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的主要優勢是極高的可寫次數和寫速度。有了F-RAM，系統將能以全總線速度持續存儲數據，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的乘客壓力傳感器，和一系列用于提升安全氣囊系統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，甚至是系統部署時刻。將位置數據持續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中，不僅需要在碰撞時存儲數據，而且最好能夠存儲事故發生前的數據。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字節的浮柵存儲器每5ms約可寫入4字節，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-RAM可被用作數據緩沖器。MCU可在運行時將事件持續直接寫入 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不需要系統備用電源來保留最后一刻的碰撞數據。

 

 

為了捕獲全部細節，一些事件需要每秒被記錄100到 1000次。這給現有基于EEPROM或閃存的記錄器帶來了挑戰。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可讓系統設計人員以系統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-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-RAM可降低系統成本，提升系統效率，降低復雜性，并大幅降低功耗。

文章來源于電子技術設計。