富士通铁电存储器FRAM在智能电能表中的应用

用铁电存储器(FRAM)存储数据

一个完美的电表数据存储系统华胄科技陈其龙电表作为一个计量用电量的仪器电表的精度不但与检测芯片的精度有关更重要与其存储方式有很大的关系如果检测到的电量数据不能写入存储器或者写入存储器过程出错电表的精度就大大降低以前电表数据的存储方式有2种选择1用存储EEPROM数据2用NVRAM存储数据现在有了第三种选择用铁电存储器FRAM存储数据在以前在设计电表电量的存储方案过程中工程师在怎样把数据准确无误的写入存储绞尽脑汁主要的原因是以前的EEPROM速度慢,有10MS写的周期擦写次数少为了解决存储器的问题工程师必须在控制电路增加很多电路见图一由于EEPROM的擦写次数为10万次所以不能来一个脉冲就写入EEPROM只能将脉冲暂存MCU的SRAM内等脉冲计录到一定的值1度电或到了一定的时间1小时再把数据写入EEPROM正是由于电数据不能实时写入EEPROM引起一个问题如果停电怎么办在停电时MCU内存储的平均电量为0.5度,如果系统不管掉电情况,那么电表的精度很低(以10万家用户计算,每停一次电,供电局将有5万度电因存储器的原因而丢掉),这供电局当然不能接受为了解决这问题在电路上必需增加掉电检测电路在检测到掉电后把MCU中存储不到1度电的数据写入EEPROM由于EEPROM写入数据时有10MS写的周期这也引起了一个问题在停电后必需有足够长的电压维持EEPROM写的时间设计者的一般思路是利用滤波电路的大电容由于电容内部是电解液随着时间的推移电容的容量将变小因此为了使电表能使用10年必须把增大滤波的电容的容量和提前检测到掉电EEPROM写入数据时数据先是写入EEPROM的缓冲区当数据写入缓冲区后EEPROM 自动把数据写入EEPROM的具体地址其过程需要10MS由于EEPROM内部写入时间长所以容易受到干扰EEPROM一旦受到干扰写入的数据容易出错此时出错MCU 没有办法知道为了解决这一问题设计者必须把同一个数据写入三个不同的地址然后再把数据读出来校正图5从上述的阐述可知系统掉电时要把数据写入EEPROM此方案的筹码赌在掉电检测电路和电容上为了解决这一问题设计者把掉电检测提升到检测市电和用2个掉电检测电路把电容的容量增大和用2个电容为了减小检测电路和电容的影响采用2个EEPROM从而降低SRAM缓冲的量值提高存储的精度方案2采用NVRAM来做数据存储方案3这种方案可以解决EEPROM的不足但大家都知道NVRAM的价格很高用铁电存储器可以解决上面存储器所面临的问题首先看一看铁电存储器的特点1非易失性掉电后数据能保存10年所有产品都是工业级2擦写次数多5V供电的FRAM的擦写次数100亿次低电压的FRAM的擦写次数为1亿亿次3速度快串口总线的FRAM的CLK的频率高达20M并且没有10MS的写的等待周期并口的访问速度70NS4功耗低静态电流小于10UA读写电流小于150UA5读写无限次在FRAM读写次数超过100亿次5V供电的FRAM后FRAM还能工作只是数据不能保存基于铁电存储器的特点我们可以对电表的设计进行完全的改革图4由于FRAM 的读写次数为100亿次 MCU 检测到一个脉冲就可以写入FRAM 内以3200个脉冲为1度计算 FRAM 能存3百万度电对单相表和单相复汇率表以是足够用由于电量数据是实时写入FRAM 所以不担心掉电后数据会丢的问题由于铁电存储器没有10MS 的写周期所以不必担心电容的容量变小后会对FRAM 数据存储有影响因为铁电存储器内没有缓冲区数据是直接写如FRAM 对应的地址中所以写入的数据不会出错即使出错 MCU 通过协议可以知道所以同一数据不必存储到3个不同的地址图5铁电存储器应用在计量系统中有其他产品不可替代的优势如电表水表煤气表等在下期将与工程师讨论铁电存储器在税控机的应用。

FRAM在电表应用

自从1889年匈牙利工程师Otto Blathy 发明全世界第一个电能表(瓦特瓦时表)原型之后，电能表经过一个世纪多的演进：由机械式电表到今日的各种不同型式的电子电能表，包含新的预付费电能表(pre-paid) 复费率电能表以及具有双向通讯能力的电子式电能表等，其提供的扩展功能包括：自动读表(AMR)、线上查询、远程连接/断开，以及复杂的计费结构等等。

这些电能表还可让使用者对其耗电量有更好的控制，以便节省电费及更有效地分配用电量。

如图1所示，电子电能表的基本架构包括下列各主要功能模块：电压电流取样电路；16位以上分辨率的ADC；计量与控制单元；通信接口；操作界面；显示器；存储器。

本文将以存储器为重点说明为何电子式电能表需要使用铁电存储器(F-RAM)。

铁电存储器的技术特点首先要说明的是铁电存储器和浮动栅存储器的技术差异。

现有闪存和EEPROM都是采用浮动栅技术，浮动栅存储单元包含一个电隔离门，浮动栅位于标准控制栅的下面及通道层的上面。

浮动栅是由一个导电材料，通常是多芯片硅层形成的(如图2所示)。

浮动栅存储单元的信息存储是通过保存浮动栅内的电荷而完成的。

利用改变浮动栅存储单元的电压就能达到电荷添加或擦除的动作，从而确定存储单元是在”1”或“0” 的状态。

但是浮动栅技术需使用电荷泵来产生高电压，迫使电流通过栅氧化层而达到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦写延迟。

高写入功率和长期的写操作会破坏浮动栅存储单元，从而造成有限的擦写存储次数（例如：闪存约十万次，而EEPROM则约1百万次)。

铁电存储器是一种特殊工艺的非易失性的存储器，是采用人工合成的铅锆钛(PZT) 材料形成存储器结晶体，如图3所示。

当一个电场被施加到铁晶体管时，中心原子顺着电场停在低能量状态I位置，反之，当电场反转被施加到同一铁晶体管时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动并停在另一低能量状态II。

大量中心原子在晶体单胞中移动耦合形成铁电畴，铁电畴在电场作用下形成极化电荷。

铁电存储器在智能电表中的应用

铁电存储器在智能电表中的应用作者：竺伟华来源：《无线互联科技》2013年第11期摘要：在智能电表中，数据擦写次数比较频繁，而且在掉电时存取数据量大、时间短，因此提高可靠快速的保存数据是一个关键的技术，铁电存储器可以有效的解决此问题，文中以FM25C160为例介绍了铁电存储器在智能电表中的应用。

关键词：铁电存储器；智能电表；SPI总线1 引言智能电表是智能电网的智能终端，除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，它还具有用电信息存储、双向多种费率计量功能、用户端控制功能等智能化的功能，对于智能电表要不断的采集数据，其电表的精度不仅与检测芯片的精度有关，更重要的是与其存储方式有很大的关系。

通常的作法是将平时数据记录在SRAM，当出现掉电故障时将数据写入到EEPROM，如果检测到的数据不能写入存储器或者写入存储器过程出错都会大大降低电表的精度，影响其自身的质量，而且存器是存储系统数据及用户数据的关键部件，所以数据的安全保存是最重要的。

近几年，随着铁电存储器技术的成熟，利用铁存储器可以有效的解决此问题。

铁电储存器FRAM，它的核心技术是铁电晶体材料，兼具了ROM和RAM的特性，并具有高开关速度、耐辐射、低功耗等优点。

FM25C160是由RAMTRON公司生产的一种铁电存储器，因此在自动抄表系统的应用可以提高系统安全存取数据的特性。

2 主要特点及引脚FM25C160是一个16Kbit的FRAM，总线速度可高达5MHZ，掉电数据可保持10年，低功耗，100亿次的读写寿命，在智能电表中可以来一个脉冲写入FRAM一次，以3200个脉冲为1度电计算，FRAM可以存3百万度电，由于数据是实时写入，就不用担心掉电后数据会丢的问题。

而同类EEPROM的擦写次数为10万次，所以不能来一个脉冲就写入EPROM，只能将脉冲暂存SRAM中，另外EEPROM写入数据时有10MS写的周期，这在停电后必须有足够长的时间维持EEPROM的写入，而且还容易受到干扰，导致写入数据出错。

铁电存储器在仪表中的应用

摘要：FRAM是一种新型存贮器，最大特点是可以随总线速度无限次的擦写，而且功耗低。

FRAM 性能优越于EEPROMAT24C256。

关键词：存贮器；FM24C256；AT24C256；EEPROM一．概述：FRAM是最近几年由RAMTRON公司研制的新型存贮器，它的核心技术是铁电晶体材料，拥有随即存取记忆体和非易失性存贮产品的特性。

FM24C256是一种铁电存贮器（FRAM）,容量为256KBIT存贮器，它和AT24C256容量等同，总线结构兼容，但FM24C256的性能指标远大于AT24C256。

在存贮器领域中，FM24C256应用逐渐被推广和认可，尤其是大容量存贮器，它的优良特性远高于同等容量的EEPROM。

在电子式电能表行业中，数据安全保存是最重要的。

随着电子表功能的发展，保存的数据量越来越大，这就需要大容量的存储器，而大容量的EEPROM性能指标不是很高，尤其是擦写次数和速度影响电能表自身的质量。

FM24C256在电能表中的使用，会提高电能表的数据安全存贮特性。

二．铁电存贮器（FRAM）FM24C256的特性：传统半导体记忆体有两大体系：易失性记忆体（volatilememory）和非易失性记忆体（non-volatilememory）。

易失性记忆体像SRAM和DRAM在没有电源的情况下都不能保存数据。

但这种存贮器拥有高性能、易用等优点。

非易失性记忆体像EPROM，EEPROM和FLASH能在断电后仍保存数据。

但由于所有这些记忆体均起源自ROM技术，所以不难想象得到他们都有不易写入的缺点：写入缓慢、读写次数低、写入时工耗大等。

FM24C256是一个256Kbit的FRAM，总线频率最高可达1MHz，10亿次以上的读写次数，工耗低。

与典型的EEPROMAT24C256相比较，FM24C256可跟随总线速度写入，无须等待时间，而AT24C256必须等待几毫秒（ms）才能进行下一步写操作。

FM24C256可读写10亿次以上，几乎无限次读写。

完美的铁电存储器

完美的铁电存储器一. Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术原理日本Fujitsu公司是全球最大的铁电存储器(FRAM)供货商，至2010年12月31日，全球已经累计出货17亿颗铁电存储器！Fujitsu公司铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁晶体管材料，这一特殊材料使得铁电存储产品同时拥有随机存取内存(RAM) 和非挥发性存贮产品(ROM)的特性。

铁晶体管材料的工作原理是：当我们把电场加载到铁晶体管材料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态，晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态，一个我们拿来记忆逻辑中的０、另一个记亿１，中心原子能在常温，没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。

铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存资料。

二、Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术优点传统半导体内存有两大体系：挥发性内存(Volatile Memory)，和非挥发性内存(Non-volatile Memory)。

挥发性内存如SRAM和DRAM 在没有电源的情况下都不能保存资料，但这种内存拥有高性能、易用等优点。

非挥发性内存像 EPROM、 EEPROM和 FLASH 能在断电后仍保存资料，但由于所有这些内存均起源自只读存储器 (ROM) 技术，所以您不难想象得到它们都有不易写入的缺点，确切的来说，这些缺点包括写入缓慢、有限次写入次数、写入时需要特大功耗等等。

FRAM第一个最明显的优点是FRAM可跟随总线(Bus Speed)速度写入，若比较起 EEPROM/Flash的最大不同的是 FRAM在写入后无须任何等待时间(NoDelayTM Write)，而 EEPROM/Flash须要等 3~10毫秒 (mS) 才能写进下一笔资料。

铁电存储器(FRAM)的第二大优点是近乎无限次读写。

当 EEPROM/Flash只能应付十万次 (10的5次方)至一百万次写入时，新一代的铁电存储器(FRAM)已达到一百亿个亿次(10的 10次方)的写入寿命。

铁电存储器在智能电表中的应用

为输出，还有一根同步时钟，引脚功能如表１所示：表１ＦＭ２５Ｃ１６０的引脚说明管脚名管脚号类型说明／ＣＳ１输入低电平，根据ＳＣＫ而动作ＳＯ２输出串行数据输出／ｗＰ３输入阻止状态寄存器写操作ＶＳＳ４输入接地ＳＩ５输入串行数据输入ＳＣＫ６输入串行时钟／ＨＯＬＤ７输入低电平暂停当前操作ＶＤＤ现ＳＰＩ接口的数据传送，下面给出发送一个字节的程序清单。
３．４与不带ＳＰＩ口的单片机的连接
如处理器具有硬件ＳＰＩ接口，可以直接连接，若自动抄表系
统采用８７Ｃ５１单片机，其内部不带ＳＰＩ，可以通过普通Ｉ／０口来连接，如图１所示。
８７（２５】
后数据会丢的问题。而同类ＥＥＰＲＯＭ的擦写次数为１０万次，所以不能来一个脉冲就写入ＥＰＲＯＭ，只能将脉冲暂存ＳＲＡＭ中，另外
这些操作码指定操作期间的命令，在／ｃｓ有效时，从总机种费率计量功能、用户端控制功能等智能化的功能，对于智能控制，紧跟操作码后的是任意地址电表要不断的采集数据，其电表的精度不仅与检测芯片的精发送出的第一个字节就是操作码，一个操作完成后，在一个新的操作码发送之前，／ｃｓ信度有关，更重要的是与其存储方式有很大的关系。通常的作法和数据，数据传输都是以８位为一组，它们与时钟信是将平时数据记录在ＳＲＡＭ，当出现掉电故障时将数据写入到号必须为无效状态。

FRAM性能比EEPROM好的三个优势

FRAM性能比EEPROM好的三个优势FRAM的学术名字叫做FERAM，利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，其的特点是速度快，能够像RAM一样操作，读写功耗极低，不存在如EEPROM的最大写入次数的问题；但受铁电晶体特性制约，FRAM仍有最大访问（读）次数的限制。

FRAM在耐久性、读写速度、功耗等各方面吊打EEFROM和FLASH。

FRAM性能比EEPROM好的的三个优势：1、寿命，读写的次数比较多，EEPROM和flash都达不到EEFROM的读写次数；2、功耗，同样写入64byte的数据，FRAM的功耗仅仅是EEPROM的1/100，这样功耗越低，电池的使用寿命就越长；3、读写速度，FRAM的写入速度可以达到纳米秒，写入一个数据的时间仅仅是EEPROM的1/3000。

这么快的读写速度带来的另一个意想不到的好处就是瞬间断电的时候，FRAM的数据已经写入，而EEPROM肯定数据丢失。

跟FRAM比EEFROM简直就是战五渣啊！可是为什么用FRAM 的客户还是少数呢？这就要谈到价格问题了。

并不是技术好的产品就会流行，消费者更看重性价比。

FRAM的Logic部分比重太大，成本难以降低是一个难点。

相比EEPROM，FRAM的存储容量实在是有一点捉急。

在工艺上，FRAM也很难突破100nm，因此大数据的存储还是更适合留给FLASH或者EEFROM，毕竟两者分工不同。

那么什么样的应用更适合FRAM而非EEFROM呢？如果对存储容量没有太高要求，而又需要频繁的记录重要数据，又不希望数据在断电中无法保护，这种应用比较适合FRAM。

比如汽车中用到的黑匣子，主要记录刹车信息以及事故前几秒的情况。

“在日本、在欧洲、在韩国如果你把发动机关了，或者意外事故掉地上了，当前的模式、当前的状态一定记下来，比如说进入隧道的时候，进入隧道那个通信没了，会先记录下来。

富士通FRAM凭借高读写耐久性、高速写入和超低功耗的独特特质，近年来在Kbit和Mbit级小规模数据存储领域开始风生水起，在各种应用领域频频“露脸”并大有斩获，这就是铁电存储器FRAM。

2017智能四表(水、电、热、燃气表)技术创新研讨会邀请函

第七届智能四表(水、电、热、燃气表)技术创新研讨会(线上研讨会)会议时间：2017年06月28日演讲主题：智能时代的存储解决方案‐‐富士通FRAM演讲时间：10:00~11:00内容简介：FRAM即铁电存储器,FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储。

FRAM的特点是速度快，能够像RAM 一样操作，读写功耗极低，不存在如E2PROM的最大写入次数的问题;这些优势使得FRAM越来越多地被需要高可靠性的应用领域所采用，比如计量仪表(三相电表以及水表、气表等)、电力自动化、医疗器械及医疗电子标签、汽车后装设备、POS机/金融ATM机等等。

富士通从1999年至今已向市场提供23亿片FRAM,主要分布在计量仪表(三相电表以及水表、气表等)、电力自动化、医疗器械及医疗电子标签、汽车后装设备、POS机/金融ATM机等行业.富士通控制FRAM整体开发和量产及组装程序，加上多年的经验，从而能始终保证FRAM产品的高质量和稳定供应.演讲主题：铝电解电容器在智能三表中的应用演讲时间：11:00~12:00内容简介：本文主要阐述了铝电解电容器在智能三表(三表：电表、水表、气表)中的应用特点，针对电容器在线路中的具体作用，给出了选型的建议。

针对某些特殊的应用要求，提出了对策方案。

本文还描述了铝电解电容器使用寿命的基本模型，给出了铝电解电容器适用的寿命推算公式，及其在寿命推算时各个参数因子的实用测量方法和注意事项，简单介绍了铝电解电容器寿命的实验方法。

演讲主题：BsT系列软磁交流磁性测量系统在智能表中应用演讲时间：14:00~15:00内容简介：安博磁商贸(北京)有限公司于2011年11月由中德两方合资在北京海淀区注册成立。

公司聚集了一批在磁性材料行业具有多年从业经验的博士和专家，专业从事磁性材料性能检测设备的研究、开发和销售。

2012年公司成功开发出BsT系列软磁交流磁性测量系统。

该系统由公司德方专家根据多年的开发经验和近几年的最新研究成果而设计，委托台湾专业厂商制造。

FRAM存储“多、快、省”

FRAM存储“多、快、省”
蔡振宇
【期刊名称】《电子产品世界》
【年(卷),期】2015(22)2
【摘要】近日，富士通半导体（上海）有限公司市场部经理蔡振宇介绍了FRAM （铁电存储器）产品在应用中的独特优势。

拥有15年FRAM量产经验的富士通半导体，用“多、快、省”形象地概括出FRAM的特点。

“多”指的是FRAM的高读写耐久性（1万亿次）的特点，可以频繁记录操作历史和系统状态；“快”指的是FRAM的高速烧写（是EEPROM的40000倍）特性，这可以帮助系统设计者解决突然断电数据丢失的问题；“省”是FRAM超低功耗（是EEPROM的
1/1,000）特性，特别是写入时无需升压。

【总页数】2页(P63-64)
【作者】蔡振宇
【作者单位】富士通半导体(上海)有限公司市场部
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于FRAM和Flash混合数据存储方案的氨气检测仪研究与设计 [J], 程震晨;张根宝
2.存储器的终结者—FRAM铁电存储器 [J], 恒宇
3.新型存储器FRAM与非易失性存储器 [J], 窦振中
4.新型存储器FRAM与非易失性存储器 [J], 窦振中;汪立森
5.4Mb非易失性FRAM存储器--结合了德州仪器的130nm工艺和Ramtron先进的FRAM单元架构 [J],
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基于铁电存储器FM25640在电表数据存储中的应用

基于铁电存储器FM25640在电表数据存储中的应用0 引言在电子技术日新月异、新型多功能电能表层出不穷的今天，电能表中存储器的选择也是多种多样，存储器的好坏直接关系到电能表的正常使用和测量精度。

目前应用最多的方案仍是SRAM 加后备电池、EEPROM、NVRAM 这三种。

但这三种方案均存在着缺陷。

其中SRAM 加后备电池的方法增加了硬件设计的复杂性，同时由于加了电池又降低了系统的可靠性；而EEPROM 的可擦写次数较少(约10 万次)，且写操作时间较长(约10 ms)；而NVRAM 的价格问题又限制了它的普及应用。

因此，工程人员在设计电能表的存储模块时，往往要花很大的精力来完善方案，才能使电表数据准确无误的写入存储器中。

鉴于以上情况，越来越多的设计者将目光投向了新型的非易失性铁电存储器(FRAM)。

铁电存储器具有以下几个突出的优点：(1)读写速度快。

串口FRAM 的时钟速度可达20 MHz，并口FRAM 的访问速度达70 ns，几乎无须任何的写入等待时间，可认为是实时写入，所以不用担心掉电后数据会丢失；(2)擦写次数多。

一般认为FRAM 的擦写次数为100 亿次，而最新的铁电存储器的写入次数可达一亿亿次，这几乎可以认为是无限次；(3)超低功耗。

FRAM 的静态工作电流小于10μA，读写电流小于150μA。

目前，铁电存储器的主要生产商Ramtron 公司的FRAM 主要包括串行FRAM 和并行FRAM 两大类。

而串行FRAM 由于可节省大量的管脚而得到更为广泛的应用。

实际上，串行接口FRAM 又分为I2C 和SPI 两种接口。

经过多方比较，本设计选择带有SPI 接口的FM25640 来进行说明。

1 FM25640 芯片介绍。

FRAM具体应用点

记录胎压的监控数据,温度,压力和加速度
速度快,擦写次数多
汽车数字仪表
记录里程数据,显示时间,保证系统正常工作
擦写次数多,集成度高
汽车安全汽囊
记录汽囊的压力加速度的曲线
速度快,擦写次数多
汽车自动门窗控制
记录故障数据
可靠性
汽车ABS防抱死
记录故障数据
可靠性
车身电子(ESP)
记录故障数据
可靠性
汽车自动变速箱
记录故障数据
可靠性
汽车行驶记录仪
记录20S的事故数据
速度快,擦写次数多
公交收费系统
记录收费情况
可靠性高,擦写次数多
FRAM中国应用领域– Electric Power
行业名称
存储内容描述
使用FRAM的特点
谐波发生器
记录谐波的轨迹
擦写次数多,可靠性高
变电站监控
记录变电所的环境数据(温度,湿度,电流,电压,功率)
快速,擦写次数,可靠性
FRAM中国应用领域–金融电子Finance Electron
行业名称
存储内容描述
使用FRAM的特点
超市税控机
记录进销存数据,提供RTC,保证正常工作
可靠性高,集成度高,擦,保证系统工作
可靠性高,集成度高,擦写次数多
加油机税控器
记录出油量,提供RTC,保证系统工作
FRAM在中国应用领域及其广泛主要体现在如下方面：
FRAM中国应用领域-计量-Measure
行业名称
存储内容描述
使用FRAM的特点
称重仪
需要存储报表,内部有管理功能,
集成度高
流量计
刮板流量计/超声波流量计:分时累计流量的报表数.

富士通推出全新FRAM存储解决方案

Ｌ一业界要闻
ＡＤＡＳ平台可让汽车制造商通过一个系统将所有的驾驶辅助功能集成到车辆中，Ｃｙｐｒｅｓｓ提供其中的
ＮＯＲＦｌａｓｈ芯片，另外，汽车ＯＥＭ厂商的ＡＤＡＳ、仪
ＭＰＵ的图形功能。这些工具具有可视化图形设计环
Ｍｅｎｔｏｒ宣布推出适用于三星８ＬＰＰ
境、定制显示屏驱动程序创建、图形库和资产转换器
等特性，可以针对所选择的显示尺寸对图形进行定制并优化。
电子设计平台。这些Ｍｅｎｔｏｒ解决方案可用于三星８ＬＰＰ工艺技术生产流片的设计和Ｓｉｇｎ — ｏｆｆ。
表盘等系统对ＮＯＲＦｌａｓｈ需求快速增加。（来自
Ｃｙｐｒｅｓｓ）
惹
【！ｉ
的性能实现了进一步提升。针对８ＬＰＰ推出的工具
包括Ｃａｌｉｂｒｅ￣物理验证套件、Ｍｅｎｔｏｒ￣ＡｎａｌｏｇＦａｓｔ — ＳＰＩＣＥＴＭ（ＡＦＳｙＭ）定制和模拟／混合信号（ＡＭＳ）电路验证平台，以及Ｎｉｔｒｏ — ＳｏＣＴＭ布局和布线（Ｐ＆Ｒ）
和７ＬＰＰ工艺技术的工具和流程
Ｍｅｎｔｏｒ日前宣布，已与三星电子合作推出各种
适用于三星８ＬＰＰ工艺技术的Ｍｅｎｔｏｒ设计和验证工

F-RAM存储器在智能电表中的功用

、组合无功２等共６项目，每一项目需等个铁晶体管时，中心原子顺着电场的方向在晶体无功１
字节（ｙｅ）ｂｔｓ，时间间隔为１钟的情况下、可记分里移动并停在另一低能量状态Ｉ。大量中心原子４Ｉ
ｈｘ０ｄｙ＝１２０字节）２７８。形成的极化电荷较高，铁电畴在电场下无反转所项Ｘ４ｒ３ａ
形成的极化电荷较低，这种铁电材料的二元稳定
２事件记录存储：内容则包括最近ｌ次．０
■ 国
ＦＡ存储器，写１６５９字节仅需要４毫秒，写５存储器与闪存和ＥＰＯＭ等较早期的非易失性（ＲＭ）ＥＲ
内存技术比较，铁电（— ＡＭ）储器具有更高的ＦＲ存写入速度和更长的读写寿命。现在以０２三相电表为例来说明为何电子．级
．
１８９８４字节仅需花费０５秒，事实上当Ｖｄ在００．５ｄ．１
秒的时间下降０２Ｖ（用１０ｇ３ｏｍ内阻的．３使００ｆ１０ｈ
电容）的放电率条件下铁电存储器能写５００００次而ＥＰＥＲＯＭ仅能写一次。因为浮动栅存储器的
状态使得铁电可以做为存储器。特别是当移去电编程时间、需量清零时间、校时事件、Ａ、Ｂ、场后，中心原子处于低能量状态保持不动，存储Ｃ相失压起始及恢复时间、Ａ、Ｂ、Ｃ相断相起

在高端医疗设备中,FRAM有着100%的应用!

在高端医疗设备中，FRAM有着100%的应用！传统的闪存和EEPROM等存储器是利用电荷注入来实现数据存储的，而FRAM是利用外部电场产生极化来实现数据存储的，因此它与传统存储器相比，不易射线，x射线，射线，重离子等射线的影响。

在医院工作的人经常会看到，配置有电子标签的注射器具。

手术器具要用伽玛射线进行消毒，能够抵抗照射剂量高达50kGy伽玛射线消毒的只有内置FRAM（非易失性随机存储器）的电子标签。

我们可以肯定高可靠性的FRAM 是适用于高端医疗领域的为数不多的电子产品。

其实，与传统存储器相比，FRAM不只是具有抗辐射的特性，高速/高读写耐久性（一万亿次以上）和低功耗的特性也是他能够成为医疗应用中最佳存储器选择的重要原因。

富士通半导体株式会社系统存储器事业部副总裁松宫正人在一次专程从日本飞来深圳的一场活动中如此表示。

采用FRAM克服医疗存储技术挑战FRAM（铁电随机存取存储器）结合了闪存和E2PROM 的非易失性，和SRAM的高速、随机存储的特长，为独立存储器芯片和嵌入式存储器带来一系列独一无二的优点。

富士通开创了FRAM技术，并在此领域耕耘超过10年，从1999年开始量产，到2013年累计销售23亿片FRAM产品，这其中在中国市场累计交货达5300万片。

虽然近五年之内，一些新型的非易失性存储器技术如FRAM、PRAM、ReRAM、MRAM 不断涌现，但达到出色市场量产业绩的只有FRAM。

排除一些低端应用市场，FRAM在对需要非易失性、高可靠性、高安全性、高速写入、低功耗、高读写耐久性和抗辐射性这些综合性能的应用领域表现出众、口碑良好。

在医疗领域，FRAM在尤其是在一些高端的重要场合，如呼吸机等设备中的应用，更是引人注目。

松宫正人还分享介绍了FRAM在医疗领域的应用现状：虽然FRAM在医疗领域目前已经商用了，但是从广泛性的角度来看它还处于起步阶段。

相比日本和欧洲市场，FRAM在中国市场的认知度还有待提高，而未来富士通半导体也会加大在医疗应用方面的投入，帮助。

铁电存储器的三个典型应用

铁电存储器的三个典型应用2009-07-24 09:46:51 来源：与非网摘要:铁电存储器(FRAM)以其非挥发性,读写速度块, 擦写次数多,和低功耗等特点被广泛应用各行各业. 文章首先介绍铁电的原理, 之后分别介绍铁电储存器在电表, 税款机, 和电子道路收费系统的典型应用.关键词: 铁电储存器, 应用1 铁电储存器的原理上图是铁电的原子结构图. 当一个电场施加到铁电晶体时, 中心原子会顺着电场的方向在晶体里移动. 当原子移动通过一个能量壁垒时, 会引起电荷击穿. 内部电路感应到电荷击穿并设置储存器. 移去电场后, 中心原子保持不动, 储存器的状态也得以保存.铁电储存器不需要定时更新, 调电后数据却能够继续保存, 速度快而且不容易写坏. 铁电储存器就是根据该原理设计而成.2 铁电储存器的典型应用2.1 铁电存储器在电表存储中的应用2.1.1 概述在电子技术日新月异、新型多功能电能表层出不穷的今天，电能表中存储器的选择也是多种多样，存储器的好坏直接关系到电能表的正常使用和测量精度。

目前应用最多的方案仍是SRAM加后备电池、EEPROM、NVRAM 这三种。

但这三种方案均存在着缺陷。

其中SRAM加后备电池的方法增加了硬件设计的复杂性，同时由于加了电池又降低了系统的可靠性；而EEPROM的可擦写次数较少(约100万次)，且写操作时间较长(约10 ms)；而NVRAM的价格问题又限制了它的普及应用。

因此，工程人员在设计电能表的存储模块时，往往要花很大的精力来完善方案，才能使电表数据准确无误的写入存储器中。

由于所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。

你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改的。

所有以它为基础发展起来的非易失性记忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。

鉴于以上情况，越来越多的设计者将目光投向了新型的非易失性铁电存储器(FRAM)。

富士通FRAM

Fujitsu’s Ferroelectric Random Access Memory (FRAM)microcontroller (MCU), which features embedded, non-volatile FRAM, is part of the company’s 8-bit microcontroller 8FXfamily. The new embedded FRAM memory technology can be configured either as Read-Only Memory (ROM) or Random-Access Memory (RAM). The FRAM microcontroller has the added benefits of high-speed programming and low power consumption.The FRAM memory technology, its benefits, applications, tools, and software configuration are described below.Introduction to FRAMFRAM is a non-volatile memory that uses a ferroelectric thin film capacitor to store data. The electronic dipoles are formed in the crystal structure of PZT(FER) shown in Figure 1. When ferroelectric characteristics exhibit a hysteresis loop, FRAM can achieve a much higher dielectric constant than any other linear characteristics.A normal capacitor is based on C-V characteristics. However, because the ferroelectric capacitor shifts the positions of atoms, it is described in terms of its P-V characteristics.Figure 1 illustrates the hysteresis curve along a counterclockwise path from a point of the -Pr (- remaining polarization). Since there is no potential difference between the electrodes in the -Pr state, the ferroelectric capacitor maintains a residual polarization. When the electric potential of the lower-part electrode is raised and reaches the point of +Vc (+coercive voltage), a dielectric component is generated, and domains whose crystalline regions have the same polarization direction reverse their polarization again.Furthermore, when the ferroelectric capacitor raises the voltage and reaches +Vs (+saturation voltage), all domains complete reversing polarization, and the dielectric component is added to the ferroelectric capacitor. The electric charges of the dielectric component increase only when the voltage is raised above+Vs. Also, the electric charge of the dielectric component becomes extinct when it returns the voltage to zero, but the polarization returns to a point of the +Pr (+remnant polarization) to maintain the same path in the case of +Vs. The direction of the residual polarization does not change even if its input is +voltage again; only the dielectric component is increased. Toreturn to the point of -Pr, theferroelectric capacitor needs to input voltage in the oppositedirection, pass through -Vc, and input less voltage than -Vs.The components of such a ferroelectric capacitor 2T2C cell of FRAM are shown in Figure 2. The ferroelectric cells are shown in the upper part of the circuit, and the lower part is connected to a BL that is a latch-type sense amplifier (S/A). The cell maintains complementary data for the positive and negative logic ferroelectric capacitor. Reading data by detecting “0s” and “1s,” the cell raises the PL to the VDD level from the GND level, charges the electrons in the ferroelectric capacitor, and detects the polarization direction. If the polarization is reversed, a large electric charge is generated. If the polarization state does not change, only a few electric charges are generated. Because reading FRAM is a destructive process, FRAM can performre-write just after reading like DRAM.Figure 2: FRAM 2T2C CellFRAM AdvantagesLow Power ConsumptionFRAM has many advantages compared with other non-volatile memories such as EEPROM. The key advantage of FRAM is its power consumption during the write/erase cycle. Other non-volatile memory requires high voltage to charge or remove electrons in the floating gate, which defines the data as “0” and “1.” The memory has to generate a high voltage, using a charge pump inside the device.FRAM does not require high voltage to write data; it can operate with normal voltage. Therefore FRAM consumes less power, improving the writing speed.Figure 3 compares the power consumption of EEPROM and FRAM.Fast Writing SpeedFRAM can write data much faster than other non-volatile memory primarily because of two factors.FRAM does not need to erase the data before writing. Before erasing data, other non-volatile memory technologies go through a pre-programming stage to make each floating gate state stable enough to pull the electrons off the floating gate. Normally memory takes two steps before writing, which takes longer.Also, FRAM does not need high voltage to write data. Other non-volatile memory technologies require high voltage for erasing. They need on-chip charge pumps to reach a high enough voltage level to proceed with the erasing process. Again, this is time-consuming and wastes power.Mainly for these two reasons, FRAM can write up to 42,500 times faster than EEPROM as illustrated in Figure 4. Dynamic Memory SpaceNOR Flash memory is divided into erase blocks or sectors. The erase operation can only be performed on a block or sector basis. This limits how the user can use the memory space. However, FRAM can perform write operations on a bit basis,so the user can set the memory space dynamically, increasing flexibility. This results in a more efficient use of memory space. Tamper ResistanceFRAM is much stronger than other non-volatile memories when under physical attack because its polarization characteristic makes it difficult to read the data. The electronic charge in the cell of other memories can be read by using the Atomic Force microscope (AFM) and Scanning Kelvin Probe microscope as shown in Figure 5.Higher Write EnduranceFRAM has more than 1E15 the endurance of Flash and EEPROM 1E5. This means FRAM is suitable for applications that need continuous or immediate data writing, like authentication and data logging.Endurance over continuous writing cycles•Write cycle: 400ns•Endurance period of FRAM: 12.6 years (calculated value)•Write cycle: 300ns•Endurance period of FRAM: 9.5 years (calculated value) •Figure 5: Electronic Charge of Other MemoriesFigure 3: Electronic Charge of Other Memories Figure 4: Comparative Writing SpeedsData LoggingPortable data-logging applications must be able to recover data after an unexpected power discharge or battery drain. When low power is detected, the system stops the operation and stores the current status and data in the external data ROM or EEPROM. During design, the system engineer calculates the charge and discharge times, and determines the capacitor value based on the system situation. The high data-writing speed of FRAM improves system reliability by minimizing interruptions, especially during extreme situations like an unexpected loss of power. Information needs to be stored quickly in memory to be used later for failure analysis and system restoration.The high endurance level of FRAM allows for many more reads and writes into memory before material fatigue. High endurance is essential for data logging, where FRAM can do more reads and writes than other types of memory.RFID/TagsRadio Frequency Identification (RFID) is an automatic identification system that uses radio-frequency waves to transfer data between a reader and a movable item, also known as an IC tag or RFID tag. FRAM is suitable for those tags because it stores data better than conventional EEPROM memory. The RFID tag is placed next to a device called a reader, which generates an electromagnetic field though a dipole antenna. RFID also generates the power via a charge pump circuit. For applications that require very low power and a high writing speed, FRAM is more suitable than other non-volatile memories. Additionally, FRAM is very resistant to radiation, like x-rays for CT scans, ultraviolet light for sterilization use or gamma rays from an atomic nucleus. This means FRAM can be used for the tag that manages the equipment used for such applications.0 Fujitsu has developed an 8-bit embedded FRAM MCU to take advantage of FRAM’s capabilities. By utilizing the key features of FRAM, the MCU allows the system to run in a reliable and cost-effective manner.FRAM MCU MB95R203The FRAM can be used as either ROM or RAM. The user can specify the range or areas where rewriting is not allowed (e.g., the program area). Conversely, the area the user wants tore-write (e.g., the data area) can be re-written in random units of bytes. An FRAM security function prevents unauthorized reading of data.FRAM MCU vs. Flash MCUFRAM microcontrollers consume less power than Flash microcontrollers, which require a continuous power supply to retain the RAM data. Due to its non-volatile characteristics, FRAM can retain data even when the power is off. In addition, when FRAM microcontrollers are turned on again, they immediately return to their previous state by using the data stored before the power was cut off.FRAM MCU Application ExamplesRich peripherals like 10-bit ADC and low voltage detection help users develop more efficient, optimized applications. These qualities make FRAM appropriate for safety applications such as metering, battery and motor control systems.When the MCU detects a drop in the power supply, it will stop operation, store the current data status, and then restartthe operation at the point of task interruption. The MCU will issue an error event log and store that data into FRAM. Since the data can be directly written into the built-in FRAM using CPU commands, the system can develop a simple fail-safe configuration much faster.FRAM is also appropriate for security applications such as battery charger systems with security certifications, USB dongles with license keys, and many applications that need to deploy authentication to block counterfeit products.These types of applications require the storage of a crypto key to authenticate non-volatile and volatile memory devices. Implementation of a protection methodology is necessaryto avoid counterattacks from clone devices or by reverse engineering.Figure 5: Endurance ComparisonFRAM resists physical attacks better than other memory devices. It does not need to implement another protection methodology by software, which can occupy a large amount of ROM and require a high-performance CPU to operate appropriately,increasing system costs. The FRAM MCU enables a high-securitysystem while minimizing total system costs.FRAM MCU FeaturesFigure 7: Starter KitBlock Diagram of FRAM MCU MB95R203AIntroduction to MB95R203 Starter KitFujitsu provides a user-friendly, high-quality design environment for evaluation and development using the FRAM MCUMB95R203. The starter kit includes an on-chip debug emulator (BGM Adapter) and evaluation board. Fujitsu also provides ahighly Integrated Development Environment (IDE), SOFTUNE™ (evaluation version), sample C code for each peripheral and an application note, downloadable from the Fujitsu website at: /global/services/microelectronics/product/micom/tools/downloads/download-fram-mb2146.htmlThe following sections describe the software implementation process for FRAM configuration. As explained in the Dynamic Memory Space section of this paper, the FRAM user space is configurable, allowing the designer to customize the space to fit specific needs. In single-chip mode, FRAM does not allow anything to be written. (In single-chip mode, only the internal RAM and ROM are used, and no external bus access is executed.) After the system is powered on and the MCU initialized, the registers of the start address and sizeExamples of the Flowchart and C-source codes are below.Flow ChartSoftware Exampletypedef union{unsigned short word;struct {unsigned char H;unsigned char L;} byte;} WB;extern WB FRAM_WE_sadd;extern WB FRAM_WE_size;FRAM_WRITE(WB FRAM_WE_sadd, WB FRAM_WE_size){__DI();IO_FSCR.byte = 0x0C; /* flag clear */IO_FRAC = 0x00;IO_FRAC = 0x41;IO_FRAC = 0x73;IO_FRAC = 0x68;IO_FAS.byte.FASH = 0x00; /* Dummy address not to set AREA flag */ IO_FSCR.byte = 0x0C; /* flag clear */IO_FRAC = 0x00;IO_FRAC = 0x41;IO_FRAC = 0x73;IO_FRAC = 0x6C;IO_FAS.byte.FASL = 0x00; /* Dummy address not to set AREA flag */ IO_FSCR.byte = 0x0C; /* flag clear */IO_FRAC = 0x00;IO_FRAC = 0x61;IO_FRAC = 0x42;IO_FRAC = 0x48;IO_FAB.byte.FABH = FRAM_WE_sadd.byte.H;IO_FSCR.byte = 0x0C; /* flag clear */IO_FRAC = 0x00;IO_FRAC = 0x61;IO_FRAC = 0x42;IO_FRAC = 0x4C;IO_FAB.byte.FABL = FRAM_WE_sadd.byte.L;IO_FSCR.byte = 0x0C; /* flag clear */IO_FRAC = 0x00;IO_FRAC = 0x41;IO_FRAC = 0x73;IO_FRAC = 0x68;IO_FAS.byte.FASH = FRAM_WE_size.byte.H;IO_FSCR.byte = 0x0C; /* flag clear */IO_FRAC = 0x00;IO_FRAC = 0x41;IO_FRAC = 0x73;IO_FRAC = 0x6C;IO_FAS.byte.FASL = FRAM_WE_size.byte.L;IO_FSCR.byte = 0x0C; /* flag clear */Figure 8: ROM / RAM ComparisonFUjITSU SEMICONDUCTOR AMERICA, INC. Corporate Headquarters1250 E. Arques Avenue, M/S 333, Sunnyvale, CA 94085-5401Tel: (800) 866-8608 Fax: (408) 737-5999E-mail: FSA_inquiry@ | Website: /semi©2010 Fujitsu Semiconductor America, Inc.All company and product names are trademarks or registered trademarks of their respective owners.Printed in the U.S.A. FRAM-AN-21377-09/2010FRAM microcontrollers are environmentally friendly because they allow for high-speed programming and low power consumption. The dynamic memory space capability allows the user to configure the FRAM memory in a flexible manner to use it as ROM or RAM as shown in Figure 8. This is a clear advantage compared to Flash memory products. The user can specify the ROM or RAM range by configuring the software. Rewriting can be prevented in areas where it is not desired (the program area). Conversely, the area the user wants to rewrite (the data area) can be rewritten randomly in units of bytes. An FRAM security function prevents unauthorized reading, making the FRAM MCU optimal for data-logging acquisition at low voltage detection and applications to back up data in digital devices.。

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6月22日2016智能水/气计量产业链高峰论坛的演讲现场，王钰将在他的演讲中详细揭晓
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嘉宾简介
王钰，富士通电子元器件（上海）有限公司产品管理部负责人，负责富士通半导体亚太区产品规划及产品推广，在加入富士通之前，已经有十几年知名半导体产品管理的经验，熟悉中国汽车电子，工业控制应用及市场的需求。