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F-RAM非易失性存储技术优势与安全气囊设计资料下载
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2021-04-17
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作者：Harsha Venkatesh，赛普拉斯半导体公司
未来几年，汽车的安全系统将会变得更加复杂。本文将探讨在这些系统中使用F-RAM非易失性存储技术的主要技术优势。
铁电RAM（F-RAM）存储器被用在一系列广泛的应用中，其中包括工业控制系统、工业自动化、任务关键型应用和汽车系统等。未来几年，汽车的安全系统将会变得更加复杂。推动该趋势的一个主要动力是预期的监管措施，它们将对汽车安全气囊和稳定控制系统的配售率和成熟度产生影响。本文探讨在这些系统中使用F-RAM非易失性存储技术的主要技术优势。
“安全气囊系统”正在发生两大变化。首先，所有新型安全气囊都配有一个智能传感器，用于检测车内是否有乘客。安全气囊的每一次误弹出都会导致极高的更换成本以及相应的维护、人工和部件成本。能够持续监测乘客的重量和存在的智能传感器能够为安全气囊的运行增加一个“可变性”，从而既能避免安全气囊误触发对乘客造成伤害，也能在严重碰撞时为乘客提供保护。
其次，“安全气囊系统”在事故发生之前将“实际信息或数据”采集到行车记录仪（EDR）里。这对于今后的诉讼或保险索赔有很大的价值。EDR功能通常内置于安全气囊电子控制单元（ECU）中。这是一种自然组合，因为EDR并不需要像飞机黑匣子那么高的耐受性要求，而且安全气囊控制器是接收各类重要传感器输入的主要器件，此外，汽车上没有安装独立EDR的空间。
这两个要求导致我们需要一个可读写次数极高、存取速度较快的非易失性存储器。对于“智能”安全气囊而言，设计人员希望部署碰撞时弹力可变的安全气囊。对存储的要求是：频繁记录座位位置以及乘客的重量和存在/实际位置。在维护历史方面，存储器有足够的空间来存储最后15–20秒的信息。由于一辆普通汽车通常能够运行30多年，这个存储器应具备较快的写速度、即时非易失性和极高的可读写次数。
F-RAM是一种非常适合这些要求的存储器技术。与其它技术一样，它也提供非易失性存储功能。F-RAM的主要优势是极高的可写次数和写速度。有了F-RAM，系统将能以全总线速度持续存储数据，而且无需额外的存储器、开销或损耗均衡等技术来管理存储器的可读写次数。这是因为F-RAM具备即时非易失性特点，无需额外准备时间 即可存储信息。其可写次数高达1014量级。与此相比，大多数EEPROM和闪存的可惜次数还不足 106。
安全气囊设计
图一：安全气囊设计
鉴于安全性和极高的更换成本，汽车制造商增添了各类用于记录乘客位置的传感器，其中包括用于启动安全气囊子系统的乘客压力传感器，和一系列用于提升安全气囊系统有效性的位置传感器。位置数据需要频繁更新，而且必须存储到点，甚至是系统部署时刻。将位置数据持续记录和存储到一个非易失性存储器之中的要求使得高性能、低功耗、高读写次数的F-RAM成为一个理想选择。
图二：高级非易失性存储器对比
相比浮栅技术的优势
图三：安全气囊系统的典型框图
随着汽车设计要求的复杂性不断增高，浮栅技术的局限性变得日益明显。例如，浮栅存储的编程过程需要数微秒，这对于安全关键型应用而言是一段很长的时间。如果碰撞时突然发生停电，那么只有很少的信息能够存储在浮栅存储器中。
编程过程也会损坏绝缘层，因此，这类存储器的可写次数很有限，仅为100,000到1,000,000次。例如在客载传感器中，数据更新量远远高于这个极限。假设典型的要求是数据每一秒更新一次，浮栅存储器不到12天就会损耗殆尽。断电时将数据缓存到RAM中并写入浮栅存储器，就会给EDR带来数据速度问题，因此不可行。
在智能安全气囊系统中，不仅需要在碰撞时存储数据，而且最好能够存储事故发生前的数据。理想的解决方案是使用一个滚动日志存储碰撞前数据，但实践证明这种方法不适用于浮栅存储器，因为它们的可写次数有限。由于安全气囊模块配有大电容器，而它们存储有充足的电能来启动安全气囊的电能，因此，碰撞发生后可能仍有残余电能足够支持从缓冲器写入数据。但其所能写入的数据量和存储写入速度取决于可用的电量。一个典型的2K字节的浮栅存储器每5ms约可写入4字节，因此，写满整个浮栅存储器可能需要一秒以上时间。
图四：非易失性数据缓冲器
赛普拉斯F-RAM的可写次数 Vs EEPROM和闪存的可写次数
由于拥有极高的可写次数，F-RAM可被用作数据缓冲器。MCU可在运行时将事件持续直接写入 F-RAM。由于F-RAM是一种固有的非易失性存储器，它可以在断电后保存数据。因此，即使主电源被切断，最后一刻的数据也不会遭到损坏。由于数据是被直接写入F-RAM的，因此不需要将最后一刻的数据从SRAM传送到EEPROM或闪存等非易失性存储空间。F-RAM不需要系统备用电源来保留最后一刻的碰撞数据。
无写时延
为了捕获全部细节，一些事件需要每秒被记录100到 1000次。这给现有基于EEPROM或闪存的记录器带来了挑战。EEPROM采用逐页方式存储数据，在将两页写入EEPROM之间需要数微秒的存储时延，从而限制了数据记录能力。“无延时”写入F-RAM可让系统设计人员以系统总线速度捕获和写入实时数据。
快速写入和低功耗
图五：赛普拉斯F-RAM的写功耗 vs EEPROM和闪存的写功耗
凭借同类最佳的非易失性写速度，F-RAM中的高速串行SPI及I2C接口和/或高速并行存取让控制器能够将数据更快地写入F-RAM。此外，低功耗F-RAM 只需其它非易失性存储技术所需总功耗的很小一部分。
高可靠性
EDR的数据可靠性对于实现准确性、耐受性、数据检索以及关键的耐用性目标来说非常重要。由于这种存储空间被用于存储重要的传感器数据，高可靠性和数据完整性对于汽车应用而言是不可或缺的。
图六：EDR的数据可靠性对于实现准确性、耐受性、数据检索和关键的耐用性来说非常重要
成熟度
与其它类型的应用相比，汽车市场更加关注技术成熟度。EEPROM和闪存技术已为人熟知，主要供应商都拥有成熟的质量控制体系。因为技术界对一项技术的可靠性和可用性必须了如指掌，引入新技术自然会让人犹豫不决。F-RAM在汽车环境（包括达到125°C极端温度的引擎盖内应用）中出货量已经达到5亿多件，可以说其已经成熟到了足以让汽车客户高枕无忧的程度。
与闪存、EEPROM、电池供电型SRAM和其它类似技术相比，F-RAM可降低系统成本，提升系统效率，降低复杂性，并大幅降低功耗。
(mbbeetchina)
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