深入解析富士通MB85RS64V FRAM芯片：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，存储器芯片的性能和特性对于整个系统的稳定性和效率至关重要。今天，我们就来深入探讨富士通的MB85RS64V FRAM（铁电随机存取存储器）芯片，了解它的特点、工作原理以及在实际应用中的设计要点。

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一、MB85RS64V芯片概述

MB85RS64V是一款采用铁电工艺和硅栅CMOS工艺技术制造的非易失性存储器芯片，其配置为8,192字×8位。与传统的SRAM不同，它无需备用电池即可保留数据，这大大简化了设计并提高了系统的可靠性。

1.1 主要特性

• 位配置：8,192字×8位的结构，能够满足大多数应用场景的数据存储需求。
• 串行外设接口（SPI）：支持SPI模式0 (0, 0)和模式3 (1, 1)，最大工作频率可达20 MHz，方便与微控制器等设备进行通信。
• 高耐久性：存储单元可进行10¹²次读写操作，远远超过了闪存和E²PROM的读写次数，大大延长了芯片的使用寿命。
• 数据保留：在不同温度下具有出色的数据保留能力，如在+85 °C下可保留10年，+55 °C下可保留95年，+35 °C下超过200年。
• 宽工作电源电压：工作电源电压范围为3.0 V至5.5 V，能够适应多种电源环境。
• 低功耗：工作电源电流典型值为1.5 mA（20 MHz时），待机电流典型值为10 μA，有效降低了系统的功耗。
• 宽工作温度范围：可在 - 40 °C至 + 85 °C的环境温度下正常工作，适用于各种恶劣的工业和汽车应用场景。
• 封装形式：采用8引脚塑料SOP（FPT - 8P - M02）封装，符合RoHS标准，便于焊接和安装。

二、引脚功能与连接

2.1 引脚分配

MB85RS64V芯片共有8个引脚，每个引脚都有其特定的功能，以下是各引脚的详细描述：	引脚编号	引脚名称	功能描述
1	CS	芯片选择引脚，低电平有效。当CS为高电平时，设备处于取消选择（待机）状态，SO引脚呈高阻态；当CS为低电平时，设备处于选择（活动）状态，此时可进行操作。
3	WP	写保护引脚，用于控制状态寄存器的写入操作。
7	HOLD	暂停引脚，用于在不取消芯片选择的情况下中断串行输入/输出操作。
6	SCK	串行时钟引脚，用于输入/输出串行数据的时钟信号。
5	SI	串行数据输入引脚，用于输入操作码、地址和写入数据。
2	SO	串行数据输出引脚，用于输出FRAM存储单元阵列和状态寄存器的读取数据。
8	VDD	电源电压引脚，为芯片提供工作电源。
4	GND	接地引脚，为芯片提供接地参考。

2.2 连接方式

MB85RS64V作为SPI的从设备工作，可以通过配备SPI端口的微控制器连接多个设备，也可以将SI和SO引脚进行总线连接，方便与没有SPI端口的微控制器配合使用。

三、状态寄存器与操作码

3.1 状态寄存器

状态寄存器由多个位组成，每个位都有其特定的功能，主要用于控制芯片的读写操作和保护设置。以下是状态寄存器各位的详细说明：	位编号	位名称	功能
7	WPEN	状态寄存器写保护位，与WP输入相关，用于保护状态寄存器的写入操作。
6 - 4	未使用位	由非易失性存储器组成，可使用WRSR命令进行写入，但目前未使用。
3	BP1	块保护位，与BP0一起定义WRITE命令的写保护块大小。
2	BP0	块保护位，与BP1一起定义WRITE命令的写保护块大小。
1	WEL	写使能锁存器，指示FRAM阵列和状态寄存器是否可写。
0	0	固定为“0”的位。

3.2 操作码

MB85RS64V接受7种特定的操作码命令，每个操作码由8位组成，用于控制芯片的不同操作。以下是各操作码的详细说明：	名称	描述	操作码
WREN	设置写使能锁存器	0000 0110B
WRDI	复位写使能锁存器	0000 0100B
RDSR	读取状态寄存器	0000 0101B
WRSR	写入状态寄存器	0000 0001B
READ	读取存储器代码	0000 0011B
WRITE	写入存储器代码	0000 0010B
RDID	读取设备ID	1001 1111B

四、命令操作与应用

4.1 写使能与复位

• WREN命令：在进行写操作（WRSR命令和WRITE命令）之前，必须使用WREN命令设置WEL（写使能锁存器），以允许对FRAM阵列和状态寄存器进行写入操作。
• WRDI命令：使用WRDI命令可以复位WEL，当WEL复位时，写入操作（WRITE命令和WRSR命令）将无法执行。

4.2 状态寄存器读写

• RDSR命令：用于读取状态寄存器的数据。在将RDSR操作码输入到SI引脚后，需要向SCK引脚输入8个时钟周期，此时SI引脚的值无效，SO引脚将在SCK的下降沿同步输出状态寄存器的数据。
• WRSR命令：用于向状态寄存器的非易失性存储器位写入数据。在将WRSR操作码输入到SI引脚后，需要输入8位写入数据。需要注意的是，WEL不能使用WRSR命令进行写入，状态寄存器的第0位固定为“0”，也不能进行写入。

4.3 存储器读写

• READ命令：用于读取FRAM存储单元阵列的数据。将任意16位地址和READ操作码输入到SI引脚，忽略3位高位地址，然后向SCK引脚输入8个时钟周期，SO引脚将在SCK的下降沿同步输出读取的数据。在读取过程中，SI引脚的值无效。当CS引脚变为高电平时，READ命令完成，但可以通过持续向SCK发送时钟信号，以8个周期为单位实现自动地址递增读取，当达到最高地址时，将自动回滚到起始地址，实现无限循环读取。
• WRITE命令：用于向FRAM存储单元阵列写入数据。将WRITE操作码、任意16位地址和8位写入数据输入到SI引脚，忽略3位高位地址。当输入8位写入数据后，数据将被写入FRAM存储单元阵列。当CS引脚变为高电平时，WRITE命令终止，但可以在CS引脚上升之前持续输入8位写入数据，实现自动地址递增写入，当达到最高地址时，将自动回滚到起始地址，实现无限循环写入。

4.4 设备ID读取

• RDID命令：用于读取固定的设备ID。在将RDID操作码输入到SI引脚后，需要向SCK引脚输入32个时钟周期，此时SI引脚的值无效，SO引脚将在SCK的下降沿同步输出设备ID，输出顺序为制造商ID（8位）/延续代码（8位）/产品ID（第1字节）/产品ID（第2字节）。在RDID命令中，SO引脚将保持32位设备ID的最后一位输出状态，直到CS引脚上升。

五、保护机制

5.1 块保护

WRITE命令的写保护块由状态寄存器中的BP0和BP1的值配置，具体如下：	BP1	BP0	受保护块
0	0	无
0	1	1800 H至1FFF H（上1/4）
1	0	1000 H至1FFF H（上1/2）
1	1	0000 H至1FFF H（全部）

5.2 写保护

WRITE命令和WRSR命令的写入操作受WEL、WPEN和WP的值保护，具体如下：	WEL	WPEN	WP	受保护块	未受保护块	状态寄存器
0	X	X	受保护	受保护	受保护
1	0	X	受保护	未受保护	未受保护
1	1	0	受保护	未受保护	受保护
1	1	1	受保护	未受保护	未受保护

5.3 暂停操作

当CS引脚为低电平且HOLD引脚为低电平时，芯片将进入暂停状态，此时可以中断串行输入/输出操作，而不会取消芯片选择。暂停状态的开始和结束时间取决于HOLD引脚输入转换到暂停条件时SCK引脚的电平状态。在暂停状态下，任意命令操作将被中断，SCK和SI输入无效，SO引脚在读取命令（RDSR、READ）时呈高阻态。如果在暂停状态下CS引脚上升，命令将被中止。

六、电气特性与使用注意事项

6.1 绝对最大额定值

为了确保芯片的安全和可靠性，需要遵循以下绝对最大额定值：	参数	符号	最小值	最大值	单位
电源电压	VDD	- 0.5	+ 6.0	V
输入电压	VIN	- 0.5	VDD + 0.5（≤ 6.0）	V
输出电压	VOUT	- 0.5	VDD + 0.5（≤ 6.0）	V
工作环境温度	TA	- 40	+ 85	°C
存储温度	Tstg	- 55	+ 125	°C

6.2 推荐工作条件

为了保证芯片的正常运行，建议在以下工作条件下使用：	参数	符号	最小值	典型值	最大值	单位
电源电压	VDD	3.0	-	5.5	V
输入高电压	VIH	VDD × 0.8	-	VDD + 0.3	V
输入低电压	VIL	- 0.3	-	VDD × 0.2	V
工作环境温度	TA	- 40	-	+ 85	°C

6.3 使用注意事项

• 编程建议：建议在回流焊后对芯片进行编程，因为回流焊前写入的数据无法保证。
• ESD和闩锁保护：芯片具有一定的ESD（静电放电）和闩锁保护能力，ESD HBM（人体模型）≥ 2000 V，ESD MM（机器模型）≥ 200 V，ESD CDM（带电设备模型）≥ 1000 V，闩锁（C - V方法）≥ 200 V。
• 回流条件和存放寿命：芯片的湿度敏感度等级为3（ISP/JEDEC J - STD - 020D），在使用时需要注意回流条件和存放寿命。

七、总结

MB85RS64V FRAM芯片以其高耐久性、低功耗、宽工作温度范围和方便的SPI接口等优点，在众多电子应用领域中具有广阔的应用前景。在实际设计中，我们需要充分了解芯片的特性和工作原理，合理配置状态寄存器和操作码，确保芯片的正常运行。同时，要注意遵循绝对最大额定值和推荐工作条件，避免因不当使用导致芯片损坏。你在使用类似FRAM芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。