Microchipin kehittämään sarjamuotoiseen SRAM-muistiin on sulautettu haihtumattomia bittejä. Jos tehonsyöttöön tulee katkos, tämän EERAM-tyyppisen piirin SRAM-lohkon datasisältö siirretään sisäisesti haihtumattomiin muistisoluihin. Kun katkos on ohi, haihtumaton sisältö palautetaan SRAM-lohkoon ja piirin toiminta SRAM-muistina jatkuu kuten ennenkin.

Microchip tuntee mikro-ohjainsovellusten markkinat hyvin. Merkittävänä MCU-piirien toimittajana (PIC, AVR) yhtiö työskentelee vahvasti kaikkien käyttäjien tarpeiden tyydyttämiseksi.

Yksi sovellusalue, jossa yhtiö näkee kirjaimellisesti tuhansia mielenkiintoisia sovelluskohteita, luo tarpeen pienille (1 kb – 1 Mb) lokipiireille. Tällaisiin piireihin tallennetaan yleensä meneillään olevan toiminnan kalibrointitiedot tai valmistuksen etenemisen yksityiskohdat riippumatta siitä, mitä kyseisessä kohteessa parhaillaan prosessoidaan.

Esimerkiksi järjestelmä, joka toistuvasti mittaa, seuraa ja edistää valmistuslinjalla eteneviä tuotteita, ei saa menettää seurantaa yhdenkään äkillisen sähkökatkoksen seurauksena. Siksi tarvitaan EERAM-piiri, jossa yhdistyvät EEPROM- ja SRAM-muistin ominaisuudet. Kun kukin tuote on saatu valmiiksi, lokimuisti nollataan, ja se voi alkaa seurata seuraavan tuotteen etenemistä linjalla.

Muistin sovellusesimerkkinä artikkelin lopussa esitellään energiankulutusta mittaava älykäs sähkömittari. Sovelluskohteina kannattaa kuitenkin ajatella kaikkia toistuviin työvaiheisiin perustuvia valmistuslinjoja ja mahdollisia tuotteita kuten vaikkapa sorvattuja puukappaleita, kiinnityspultteja varten työstettäviä kierteitä tai erikoisia mittaustehtäviä (reikien sijainnit, kohteen leveys, korkeus ja paino, maalaustyöt jne).

Microchipin mikro-ohjaimiin on sulautettu muun muassa SRAM-, EEPROM- ja NOR Flash -lohkoja, mutta monissa tapauksissa käyttäjät voivat säästää materiaalikustannuksissa (BOM) sijoittamalla lokimuistipiirin mikro-ohjaimen ulkopuolelle ja hallitsemalla sitä I²C-väylän tai SPI-liitännän kautta. Lisäksi ulkoisilla lokimuistipiireillä voidaan saada ylimääräistä kustannusetua järjestelmän yleisen lepotilastrategian erillisen ohjauksen ansiosta.

Sarjamuotoinen EEPROM on tavanomainen ratkaisu harvoin muuttuviin lokisovelluksiin, jotka vaativat haihtumatonta muistitoimintoa (datan säilymistä äkillisten sähkökatkosten aikana). Tämä on erittäin kustannustehokas tapa ja suunnittelijat valitsevat sen, jos kohdesovelluksessa kirjoitetaan dataa muistiin alle miljoona kertaa tuotteen koko elinkaaren aikana. On hyvä muistaa, että EEPROM-piirien datalehdet lupaavat korkeintaan miljoona tallennusjaksoa muistin kullekin sivulle tai tavulle.

Jotkut sovellukset vaativat kuitenkin lokimuistin, johon kohdistuu paljon enemmän kuin miljoona tallennusjaksoa tuotteen elinkaaren aikana.

EERAM on oiva ratkaisu näihin tarpeisiin. Tällöin mikro-ohjaimeen kytkeydytään I²C-väylän tai SPI-liitännän kautta, ja EERAM-piirin muistiytimenä toimii SRAM-lohko. EERAM-piirissä hyödynnetään kuuteen transistoriin perustuvaa SRAM-solurakennetta, jota on käytetty standardiratkaisuna jo vuosikymmeniä. Suunnittelija voi kohdella EERAM-piiriä aivan kuten sarjamuotoista SRAM-piiriä kirjoittaen ja lukien muistia 8-bittisinä tavuina sekä muodostamalla tarpeen mukaan tavu- tai purskemuotoisia luku- ja kirjoitustoimintoja tarvitsematta kantaa huolta STORE-jaksoista tai kestoajoista.

Kuva 1. Microchipin EERAM-muisteja.

Haihtumattoman SRAM-toiminnan aikaansaamiseksi kytkentään on lisättävä kondensaattori C_VCAP (tyypillisesti 33 μF). Kun teho syötetään EERAM-piirille, tämä kapasitanssi varautuu piirin kautta jännitteeseen V_CC. Normaalin SRAM-toiminnan aikana kapasitanssi säilyy varautuneena tähän jännitteeseen, ja koko järjestelmää syöttävän V_CC-jännitteen tasoa valvotaan piirin avulla.

Jos järjestelmän syöttöjännite V_CC putoaa aseteltavan rajan alapuolelle, piiri keskeyttää toiminnan katkaisemalla tehonsyötön. Piiri keskeyttää kaikki I/O-operaatiot, katkaisee yhteyden V_CC-nastaan ja käyttää kapasitanssiin varastoidun energian piirin tehonsyöttöön V_CAP-nastan kautta sekä siirtää kaiken datan SRAM-lohkosta EEPROM-lohkoon. Kun V_CC-jännite jälleen palautuu normaaliksi, data siirretään takaisin SRAM-lohkoon, kapasitanssi varataan uudelleen ja SRAM-toiminta voi jälleen jatkua juuri siitä, mihin se oli päättynytkin.

Kuva 2. EERAM-muistin ominaisuuksia voi testata PICtail-kehityskortilla. Se voidaan liittää PICtail Plus- ja mikroBUS-liitännöillä Explorer 8 -kehityskorttiin, Explorer 16/32 -kehityskorttiin jo moniin muihin työkaluihin.

EERAM-piiriperheen I²C-versioita on saatavissa 4, 6 ja 64 kilobitin kokoisina. SPI-versioita on tarjolla vastaavasti 64, 256 ja 512 kilobitin sekä yhden megabitin kokoisina. Piiri on saatavissa 8-nastaisessa SOIC-kotelossa kaikilla liitännöillä ja kaikkina kokoina. Joillekin tuotteille on tarjolla myös muita kotelovaihtoehtoja.

Käyttäjien pitää varautua siihen, että EERAM-piirin hinta on noin kaksinkertainen verrattuna kooltaan ja kestoiältään vastaavaan EEPROM-piiriin. Tällä lisähinnalla suunnittelijat saavat kuitenkin loputtoman määrän SRAM-luku/kirjoitusjaksoja sekä 100 000 STORE-jaksoa (V_CC) haihtumattomasti toimiville muistisoluille.

Erikoistekniikkaan perustuvat sarjamuotoiset FRAM-muistit (Ferroelectric RAM) ovat jo vuosikymmenten ajan tarjonneet tällaisen toiminnon lukuisissa eri sovelluksissa. FRAM-sarjamuistien toimitusmäärät myös osoittavat selvästi näiden haihtumattomien SRAM-piirien tarpeet ja kysynnän laajuuden. Nyt EERAM-rakenteisella muistipiirillä voidaan täyttää nämä tarpeet hinnaltaan edullisemmin. Aikaiset soveltajat ovatkin yleensä FRAM-piirien käyttäjiä, jotka haluavat sekä alentaa BOM-kustannuksia että siirtyä paremmin standardoidun tekniikan käyttöön.

Esimerkkinä älykäs energiamittari

Tarkastellaan esimerkkinä asuinrakennusta, joka on päivitetty hyödyntämään älykästä sähkömittaria. Sen avulla asunnon omistaja voi vaikuttaa omaan tehonkulutukseensa (pesukone, kuivausrumpu jne.) ohjaamalla laitteiden käyttöä ajankohtiin, jolloin verkkosähkön käyttö (ja hinta) on alimmillaan. Sähköyhtiö puolestaan kykenee mittaamaan energiankäyttöä minuuttien tarkkuudella hallitakseen paremmin alueen sähköverkkoa.

Tässä esimerkissä kotitalouden tehonkulutuksen mittaukset tehdään joka sekunti, ja joka toinen minuutti datalokiin kerätyt tiedot kulutuksesta lähetetään verkkoon. Kun edellisen kahden minuutin jakson lukemat on lähetetty, mittari voi alkaa mitata seuraavan kahden minuutin tehonkulutusta ja nollata datalokin.

Esimerkkitapauksessa oletetaan, että verkossa tapahtuu vuodessa enintään 20 verkkojännitteen osittaista putoamista tai täydellistä sähkökatkoa. Sähköyhtiön tuottojen kannalta pariminuuttisen jakson lukemien menettäminen yhden talouden osalta tuntuu aika epäolennaiselta, mutta kahden minuutin lukemien menetys koko verkon kaikilta käyttäjiltä on jo merkityksellistä.

EERAM-muisti on tähän ihanteellinen ratkaisu, jonka avulla sähkökatkokseen liittyvä data voidaan säilyttää ja palauttaa. Se tarjoaa tällä hetkellä kustannuksiltaan edullisimman ratkaisun haihtumattomien sarjamuistien 4 kb – 1 Mb kokoluokassa.

EERAM tuo paljon etuja

EERAM-muisti rakentuu kelluvahilaisista SRAM-soluista, mikä on standardiratkaisu useimmissa tämän päivän CMOS-piireissä. Näin ollen EERAM ei tuo mitään uusia outoja prosesseja tai kemikaaleja piirien tuotantolinjoille, joten sitä voidaan käyttää lukuisissa puolijohdetehtaissa ympäri maailmaa. Korkea laatu ja erittäin alhainen vikaantumisaste kenttäkäytössä perustuvat useisiin miljooniin CMOS-tuotteisiin, joita valmistetaan joka kuukausi. Tämä on EERAM-muistien suurin vahvuus muihin ratkaisuihin verrattuna.

Lisäksi käyttäjän kannalta EERAM toimii aivan kuten sarjamuotoinen SRAM-muisti – samat I²C- tai SPI-sarjaliitännät ja samat kotelovaihtoehdot – joten sitä on helppo käyttää. Tavujen lukeminen ja kirjoittaminen on myös symmetristä, mikä tarkoittaa, että tavun voi kirjoittaa yhtä nopeasti kuin lukea. SRAM-muistin tavoin tavuja voi myös lukea ja kirjoittaa loputtomasti, koska piirin ytimenä on SRAM-lohko. Koska piiriin kuuluu myös haihtumattomasti toimivia NV-soluja, sille kuitenkin luvataan enintään satatuhatta sähkökatkostapahtumaa eli tehonsyötön on-off-jaksoa elinkaaren aikana.

Lisätietoja on saatavissa Microchipin sivuilta.