新一代NVSRAM技术

第一代NVSRAM模块问世近20年来，新一代NVSRAM不断更新，以保持与各种应用同步发展，同时满足新的封装技术不断增长的需求。本文回顾了第一代NVSRAM器件的特点，描述了引领当前产品不断进步的先进技术，并与现有技术进行了比较，概括了其主要应用领域。
发展与现状
第一代NVSRAM模块采用大尺寸DIP封装(图1)。该封装具有一定的高度，因为电池和RAM芯片叠放于DIP封装之中。DIP封装的优点在于，器件可以插入DIP插座，方便替换，储存，或从一个印制板转移到另一个。虽然这些优点至今仍非常有用，但相比之下，更有必要发展表面贴装技术，以及将工作电压由5V变为3.3V。

图1. 采用DIP封装的第一代NVSRAM模块
第二代NVSRAM模块采用两片式方案 - PowerCap®模块(PCM)，即由直接焊接到印刷板的基座(包含SRAM)，以及PowerCap (也就是锂电池，通过卡扣(图2)固定在基座上)两部分组成。与DIP模块相比，这类器件具有两个主要优点：它们采用表面贴装，并且具有标准引脚配置。换句话说，无论多大容量的NVSRAM，其封装和引脚数是相同的。因此，设计人员可以加大系统存储容量，而不用必须担心需要改变PCB布局。电池更换起来也很容易。

图2. 采用PowerCap模块封装的第二代NVSRAM
第三代也就是最新的NVSRAM模块旨在解决先前产品所存在的问题，同时增加了更多功能。这类新型NVSRAM是单片BGA模块，内置可充电锂电池(图3)。和PCM一样，采用这种封装形式的所有SRAM无论其容量大小，封装尺寸和引脚配置都是相同的。此类模块采用表面贴装，并且是单片器件。因此设计更加坚固可靠，较上一代器件可承受更强的机械震动。由于电池是可充电的，因此数据保存时间的概念有了另外一层含义。用等效使用寿命一词来描述更为适当，此类器件等效使用寿命可高达200年! 这种模块能承受+230°C的回流焊温度，而提供的无铅封装器件可承受+260°C的温度。

图3. 采用单片式模块封装的第三代NVSRAM
与采用其它技术的NVSRAM进行比较
SRAM为数据访问和存储提供了一个快速且可靠的手段。由系统电源或其它备用电源(例如电池)供电时，他们就具有非易失性。表1给出了几种给定的非易失性存储器存储技术的优缺点。
表1. 非易失性存储器比较 Feature Flash SRAM OUM EEPROM FRAM MRAM
Write speed slow fast fast slow fast fast
Read speed medium fast fast medium fast fast
Read endurance infinite infinite infinite infinite 1,00E+12 infinite
Write endurance 1,00E+06 infinite 1,00E+12 1,00E+6 1,00E+12 1,00E+12
Power consumption high low medium high low high
Lifetime low high high low medium high
Density high medium high low medium high
Read non-destructive non-destructive non-destructive non-destructive destructive non-destructive
Data retention at +140°C good good good medium good poor
NVSRAM中的电池对于数据保存来说至关重要。电池的不良接触会极大地影响电池寿命。其他因素，如震动、湿度以及内置的电池切换电路都会缩短电池的使用寿命，同时也会影响系统的整体可靠性。这些问题带来的最直接的后果是：终端客户更换电池的时间间隔更短了，例如每年就需要更换一次，而不是五到十年一次。
应用
NVSRAM通常用于要求维护次数尽可能少，频繁进行读/写操作，并且数据保存速度是至关重要的系统中。数控铣床就是一个例子。假设机器正在进行铣操作的时候突然断电。出于安全考虑，需要撤出钻头并将其停放在一个安全位置。一旦上电，机器必须记住停止工作的点。有了NVSRAM模块，这一任务是很容易实现的。另外，还可以采用由大电容或超级电容供电的宽输入范围升压式DC-DC转换器。选择的保持时间应等于或大于向EEPROM中存储程序信息所需的时间。在数据写入EEPROM之前，仍然需要SRAM充当数据缓存。采用这一方案，附加元件的费用通常要超出NVSRAM模块的成本，并且可靠性较低。
在防篡改应用特别是在POS终端中，数据记录非常重要。如今的智能终端无需经过耗时的远程服务器的验证就能确认付款交易。由于安全数据储存于终端内部，因此这里完全依靠单片BGA模块。安全微控制器可以将密钥存放在IC内部的“安全区”内。然而，仍然需要采取一些额外措施，以防止存放在微控制器之外SRAM中的加密数据被读取和解码。目前所能提供的保护措施尚不足以对付那些狡猾的黑客。针对这一问题，Maxim/Dallas Semiconductor推出了定制的BGA模块，包含安全微控制器、SRAM、篡改检测电路，以及定时和控制功能。
其它需记录数据的应用场合是机动车黑匣子(motor-vehicle crash box)。发生碰撞时应将数据迅速且可靠地存放在存储器中。此时单片BGA以其可靠性再次成为理想之选。数据篡改同样是个问题，但实际操作中要解决这一问题，可以将加密数据存放到NVSRAM。破解加密数据几乎相当于去攻击付款交易终端，因此对于黑客来说是不值得的。
博彩机要求可靠地记录数据，以保障客户权利。此类应用中，博彩机经营者可以打开机器、取出电池，进而谎称数据意外丢失了，因此两片式PCM方案并非理想的选择。可以在每次打开机器的时候将记录写入EEPROM之中，然而这样会增加额外成本及复杂度。BGA模块上的电池是不能被取出的，因此轻易地解决了这一问题。
高压故障保护设备需要连续监控电网状况，随时准备保存故障发生时的大量的数据。设备必须保证在无现场维修技术人员维护的情况下至少使用十年。由于故障保护装置通常由电网供电，并且BGA模块中的电池不会耗尽，因此BGA模块非常适用于这种场合。这样就可以实现更长的工作时间。新一代故障保护装置的软件设计人员只需选用高密度NVSRAM模块就能增加SRAM存储容量，无需更改已有的印制板布局。由于所有NVSRAM模块的引脚配置都是预先设定好的，因此SRAM密度增加时，只需将更多“无连接” (NC)引脚变为所需的地址线即可。
结语
NVSRAM模块不仅可以快速且可靠的存储数据，而且在封装技术方面也很有竞争力。这些器件适用于需要安全数据存储以及几乎不需要现场维护的场合。