FM25L04B：高性能4-Kbit串行F-RAM的詳細(xì)剖析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)器的選擇至關(guān)重要，它直接影響著設(shè)備的性能、可靠性和使用壽命。今天我們要深入探討的是英飛凌旗下賽普拉斯（Cypress）公司的FM25L04B 4-Kbit串行F-RAM，這是一款在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景的存儲(chǔ)器產(chǎn)品。

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產(chǎn)品概述

FM25L04B是一款采用先進(jìn)鐵電工藝的4-Kbit非易失性存儲(chǔ)器，邏輯上組織為512 × 8位，通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口（SPI）總線進(jìn)行訪問。與傳統(tǒng)的串行閃存和EEPROM相比，它具有卓越的寫入性能、高耐久性和低功耗等顯著優(yōu)勢(shì)，非常適合需要頻繁或快速寫入的非易失性存儲(chǔ)器應(yīng)用。

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

高耐久性與長數(shù)據(jù)保留時(shí)間

FM25L04B具備高達(dá)100萬億（(10^{14})）次的讀寫耐久性，能夠承受大量的讀寫操作而不損壞，這對(duì)于需要頻繁更新數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景來說至關(guān)重要。同時(shí)，它在不同溫度條件下具有出色的數(shù)據(jù)保留能力，例如在65°C環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)151年的數(shù)據(jù)保留，為數(shù)據(jù)的長期存儲(chǔ)提供了可靠保障。

無延遲寫入

與串行閃存和EEPROM不同，F(xiàn)M25L04B能夠以總線速度執(zhí)行寫入操作，無需寫入延遲。每個(gè)字節(jié)成功傳輸?shù)皆O(shè)備后，數(shù)據(jù)會(huì)立即寫入存儲(chǔ)陣列，下一個(gè)總線周期可以立即開始，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理效率。

高速SPI接口

該產(chǎn)品支持高達(dá)20 MHz的SPI時(shí)鐘頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。它可以作為串行閃存和EEPROM的直接硬件替代品，并且支持SPI模式0 (0, 0)和模式3 (1, 1)，具有良好的兼容性和靈活性。

完善的寫保護(hù)方案

FM25L04B提供了多層次的寫保護(hù)功能，包括硬件保護(hù)和軟件保護(hù)。通過寫保護(hù)（WP）引腳可以實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)別的寫保護(hù)，防止意外寫入操作。同時(shí)，還可以通過寫禁用指令和軟件塊保護(hù)功能對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行更精細(xì)的保護(hù)，可選擇對(duì)1/4、1/2或整個(gè)陣列進(jìn)行寫保護(hù)。

低功耗與寬工作電壓范圍

在1 MHz時(shí)鐘頻率下，F(xiàn)M25L04B的工作電流僅為200 μA，待機(jī)電流典型值為3 μA，具有較低的功耗，有助于延長電池供電設(shè)備的使用壽命。它的工作電壓范圍為2.7 V至3.6 V，并且能夠在 -40°C至 +85°C的工業(yè)溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。

多種封裝形式

FM25L04B提供了8引腳小外形集成電路（SOIC）和8引腳薄型雙側(cè)扁平無引腳（DFN）兩種封裝形式，方便用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。同時(shí)，該產(chǎn)品符合有害物質(zhì)限制（RoHS）標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)?？煽?。

功能詳細(xì)解析

引腳定義與功能

SPI接口工作原理

FM25L04B作為SPI從設(shè)備，通過SPI總線與主設(shè)備進(jìn)行通信。SPI是一種同步串行接口，使用時(shí)鐘和數(shù)據(jù)引腳進(jìn)行存儲(chǔ)器訪問，并支持在數(shù)據(jù)總線上連接多個(gè)設(shè)備。該設(shè)備支持SPI模式0和模式3，在這兩種模式下，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿開始從CS有效后的第一個(gè)上升沿開始時(shí)鐘輸入到F-RAM。

SPI協(xié)議由操作碼控制，主設(shè)備通過發(fā)送操作碼來指定對(duì)從設(shè)備的命令。在CS激活后，主設(shè)備發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)是操作碼，隨后傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)。操作完成后，CS必須變?yōu)闊o效，才能發(fā)出新的操作碼。

狀態(tài)寄存器與寫保護(hù)

FM25L04B的寫保護(hù)功能通過狀態(tài)寄存器實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)寄存器是一個(gè)8位寄存器，其中的位用于配置設(shè)備。具體如下：

• WEL（寫使能鎖存器）：指示設(shè)備是否允許寫入。上電時(shí)默認(rèn)值為‘0’（禁用），發(fā)送WREN操作碼可將其置為‘1’，表示允許寫入；發(fā)送WRDI操作碼或完成寫操作后，該位會(huì)自動(dòng)清零。

• BP0和BP1（塊保護(hù)位）：用于軟件塊保護(hù)，可選擇對(duì)不同范圍的存儲(chǔ)器進(jìn)行寫保護(hù)，具體保護(hù)范圍如下表所示：	BP1	BP0	受保護(hù)的地址范圍
  0	0	無
  0	1	0x180至0x1FF（上1/4）
  1	0	0x100至0x1FF（上1/2）
  1	1	0x000至0x1FF（全部）

存儲(chǔ)器操作

寫操作

所有對(duì)存儲(chǔ)器的寫入操作都從發(fā)送WREN操作碼開始。WRITE操作碼包含存儲(chǔ)器地址的高位，后續(xù)字節(jié)為地址的低位和要寫入的數(shù)據(jù)。地址會(huì)在主設(shè)備持續(xù)提供時(shí)鐘且CS為低電平時(shí)自動(dòng)遞增，如果達(dá)到最后一個(gè)地址0x1FF，計(jì)數(shù)器會(huì)回滾到0x000。數(shù)據(jù)按MSB優(yōu)先順序?qū)懭?，CS的上升沿終止寫操作。

讀操作

在CS下降沿之后，主設(shè)備可以發(fā)送READ操作碼。READ操作碼同樣包含存儲(chǔ)器地址的高位，后續(xù)字節(jié)為地址的低位。發(fā)送操作碼和地址后，設(shè)備在接下來的八個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)輸出讀取的數(shù)據(jù)。SI輸入在讀取數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)被忽略，地址會(huì)在主設(shè)備持續(xù)提供時(shí)鐘且CS為低電平時(shí)自動(dòng)遞增，CS的上升沿終止讀操作并將SO引腳置為高阻態(tài)。

HOLD引腳操作

HOLD引腳可以在不中止串行操作的情況下暫停操作。當(dāng)主設(shè)備在SCK為低電平時(shí)將HOLD引腳拉低，當(dāng)前操作會(huì)暫停；當(dāng)HOLD引腳在SCK為低電平時(shí)變?yōu)楦唠娖剑僮鲗⒒謴?fù)。

電氣特性與參數(shù)

最大額定值

為了確保設(shè)備的正常使用壽命，使用時(shí)應(yīng)避免超過其最大額定值，具體參數(shù)如下：

• 存儲(chǔ)溫度范圍：-65°C至 +125°C
• 不同環(huán)境溫度下的最大累積存儲(chǔ)時(shí)間：125°C時(shí)為1000小時(shí)，85°C時(shí)為10年
• 通電時(shí)的環(huán)境溫度范圍：-55°C至 +125°C
• VDD相對(duì)于VSS的電源電壓范圍：-1.0 V至 +5.0 V
• 輸入電壓范圍：-1.0 V至 +5.0 V且VIN < VDD + 1.0 V
• 高阻態(tài)輸出的直流電壓范圍：-0.5 V至VDD + 0.5 V
• 任何引腳到地電位的瞬態(tài)電壓（< 20 ns）范圍：-2.0 V至VDD + 2.0 V
• 封裝功率耗散能力（TA = 25°C）：1.0 W
• 表面貼裝引腳焊接溫度（3秒）：+260°C
• 直流輸出電流（一次一個(gè)輸出，持續(xù)1秒）：15 mA
• 靜電放電電壓：人體模型（AEC-Q100-002 Rev. E）為2 kV，充電設(shè)備模型（AEC-Q100-011 Rev. B）為500 V
• 閂鎖電流：> 140 mA

工作范圍

直流電氣特性

數(shù)據(jù)保留與耐久性

電容與熱阻

交流測(cè)試條件與開關(guān)特性

在工作范圍內(nèi)，F(xiàn)M25L04B的交流測(cè)試條件和開關(guān)特性如下：

• 輸入脈沖電平：VDD的10%和90%
• 輸入上升和下降時(shí)間：5 ns
• 輸入和輸出定時(shí)參考電平：0.5 × VDD
• 輸出負(fù)載電容：30 pF

電源周期時(shí)序

訂購信息與封裝

這些產(chǎn)品均為無鉛產(chǎn)品，用戶可聯(lián)系當(dāng)?shù)氐馁惼绽逛N售代表了解產(chǎn)品的可用性。

勘誤說明

需要注意的是，F(xiàn)M25L04B存在一個(gè)勘誤問題：在執(zhí)行對(duì)存儲(chǔ)器地址范圍從0x100到0x1FF的寫操作（WRITE）后，狀態(tài)寄存器中的寫使能鎖存器（WEL）位不會(huì)自動(dòng)清零。這意味著在完成使用操作碼字節(jié)0x0A的寫周期后，狀態(tài)寄存器中的WEL位仍然置位，因此可以在不發(fā)送WREN操作碼的情況下進(jìn)行進(jìn)一步的寫入操作。

為了解決這個(gè)問題，SPI主機(jī)控制器可以在每個(gè)寫周期結(jié)束（CS變?yōu)楦唠娖胶螅┌l(fā)出寫禁用（WRDI）操作碼，以確保WEL位被清零。目前沒有計(jì)劃對(duì)該問題進(jìn)行修復(fù)，所有生產(chǎn)中的FM25L04B產(chǎn)品都將繼續(xù)存在此勘誤情況。