为什么便携式医疗设备钟爱铁电存储器？本文告诉你

随着技术的不断进步，消费类、便携式医疗设备的功能越来越强大，越来越完善，极大地提高了准确性、可靠性、连接性和易用性，同时保证了用户健康信息的安全性，价格也合理。

这些全新的高级功能需要更强的处理能力、安全性和连接性。日益增长的复杂性也要求固件/软件代码扩展，反过来不仅增加了代码，而且还提升了数据存储系统的存储器需求。这些增强功能，增加了系统的功耗预算，矛盾的是，紧凑外型的便携式医疗设备要求超长电池寿命，需要降低功耗。

系统架构师面临的首要挑战是，确定合适的片上系统（SoC）或MCU作为系统的核心。它必须能够提供所需的性能，还要降低整个系统的功耗预算。此外，外部存储器、传感器和遥测接口等外设也要考虑进来，因为外设性能不佳，可能对系统总体性能产生负面影响，抵消高性能内核的价值和优势。外设的性能必须与SoC/MCU的性能相当，还必须能够实现紧凑的外型和高效的能量供应。

SoC/MCU通常集成两种类型的存储器：闪存和SRAM。闪存是一种写入相对缓慢的非易失性存储器，支持有限的写入周期数。它用于保存固定或缓慢变化的数据，如应用代码、系统信息和/或后处理的用户数据日志。相比之下，SRAM是一种快速访问的易失性存储器，提供无限的写入周期耐久度。它用于存储运行时系统数据。

随着系统复杂性不断增加，包括多个数学函数和算法的复杂代码也随之增加，片上存储器内存容量可能不足。因此，便携式医疗系统通常需要额外的存储空间，以便设计人员使用外部存储器来增加内部存储器的空间。图1所示的原理图显示了医疗刺激装置如何使用外部存储器来支持高级功能。

图1：使用外部存储器来支持高级功能的医疗刺激装置原理图

低功耗外部存储器可用于RAM扩展，通常是具有极低工作电流和待机电流的SRAM。非易失性存储器的主要选项包括串行闪存、EEPROM、MRAM和F-RAM。串行闪存具有低成本和高密度的特点，因而广泛应用于非易失性程序和数据的存储扩展。

然而，闪存的能耗较高，极大地降低了电池供电设备的工作寿命。为了节约能源，一些应用将部分闪存替换成EEPROM。然而，这种方法仍然对电池不利，尤其是在涉及对EEPROM的大量写入操作时。此外，这种方法还使应用代码设计复杂化。磁阻RAM（MRAM）具有无限写入耐久度，是非易失性存储器的另一种替代方案。然而，MRAM的工作电流和待机电流非常高，并且易受磁场的影响，会损坏存储数据，因此，MRAM不能用于电池供电的医疗设备。

F-RAM的效率与可靠性

在便携式医疗设备应用中，与EEPROM和闪存等其他非易失性存储器技术相比，铁电RAM（F-RAM）具有以下几大关键优势：

01、高写入周期耐久度

EEPROM和闪存写入周期耐久度有限，而一些医疗设备需要可靠地存储随时更新的数据日志。闪存的耐久度水平为1E+5，EEPROM的耐久度水平是1E+6。相比之下，F-RAM的写入周期耐久度是1E+14（100万亿），高出EEPROM和闪存若干个数量级。这样的耐久度使设备能够记录更多的数据，无需执行复杂的损耗均衡算法，无需提供过多的额外容量。

02、低功耗运行

与闪存或EEPROM等存储器件相比，F-RAM的工作能耗低几个数量级（参见表1）。将它与即时非易失性相结合，有助于延长电池使用寿命。利用低功耗待机模式，设计人员能够进一步优化功耗。例如，赛普拉斯推出的Excelon F-RAM可支持三种低功耗待机模式，分别是：待机模式、深度待机模式和休眠模式。将上述待机模式实施到应用中，与功耗较低的工作模式相结合，可以将功耗降低大约两个数量级。

03、即时非易失性

即时非易失性是F-RAM技术的另一大重要特征。EEPROM和闪存需要额外的页面编程/页面写入周期，增加了系统写入操作的时间。F-RAM的即时非易失性允许便携式和植入式医疗系统以及其它的电池供电系统完全关闭电源，或更快地将系统切换至低功耗待机模式。工作时间的缩短和工作电流的减小，可显著延长系统的电池使用寿命。此外，在有精确时序要求的应用中，它们还有助于增强数据的可靠性，因为它不惧怕电源故障。

04、可靠性提高

可靠性对于医疗设备至关重要。F-RAM单元对包括X射线和伽玛辐射在内的各种辐射具有高度的耐受性。F-RAM还对磁场免疫，从而确保记录的数据安全可靠。此外，F-RAM器件（如赛普拉斯的Excelon LP）还提供片上错误校正码（ECC）技术。ECC可以检测并纠正每个64位数据字中的单个位错误，从而提高关键系统日志数据存储的可靠性。与此同时，F-RAM还支持受控峰值电流（即浪涌电流控制≤1.5mA)，以防止电池过度放电，帮助系统可靠运行，并延长电池使用寿命。

05、紧凑的外型

F-RAM可以采用节省空间的封装。例如，赛普拉斯的Excelon LP密度高达8Mb，采用行业标准8引脚SOIC封装和微型8引脚GQFN封装，吞吐量最高可达50MHz SPI I/O和108MHz QSPI（Quad-SPI）I/O。

高辐射耐受性、数据可靠性、低功耗和紧凑的外型这些关键特性，使得F-RAM成为便携式和植入式医疗设备的理想选择。表1比较了各种串行非易失性存储器之间的差异。图2至图5是这些存储器不同特性的比较图。

表1：串行非易失性存储器技术比较
图2：不同的非易失性存储器技术每4Mb写入的能耗（µJ）
图3：不同的非易失性存储器技术的耐久度比较
图4：不同的非易失性存储器技术的带宽比较
图5：不同的非易失性存储器技术的电池使用寿命比较

案例研究：便携式医疗刺激系统

以下是一个典型的便携式医疗刺激系统，其系统考虑因素如下：

• 系统每100ms捕获并记录128位采样数据
• 系统的数据捕获和处理时间为5ms，工作电流为7mA（不包括向存储器写入数据时的电流消耗），数据记录存储器在数据捕获和处理期间保持待机或低功耗模式
• 当捕获日志被写入到存储器时，系统和存储器都变为工作状态
• 假设系统待机电流为0.5µA
• 当MCU内核以12MHz的频率运行时，系统有5%的时间处于工作状态
• 便携式系统采用3V、1400mAh的LR03电池

表2：比较F-RAM和EEPROM的系统影响总结

表2显示了向F-RAM和EEPROM写入数据所需的能量。可以看出，对于这种应用而言，F-RAM消耗的功耗显著降低。极低功耗深度待机模式和休眠模式可进一步改善功耗，从而进一步延长设备的电池使用寿命。

F-RAM可提供：

1）近乎无限的耐久度；
2）即时非易失性；
3）低功耗。

使得系统设计人员可以将基于RAM和ROM的数据和功能整合在单个存储器中。应用通常会在可执行代码和数据任务之间分配内存。

基于ROM的技术，包括掩模ROM、OTP-EPROM和NOR闪存，是非易失性的，面向代码存储应用。NAND闪存和EEPROM也可以用作非易失性数据存储器。这些存储器由于执行代码和数据存储操作时性能不佳，因此都需要一些折中方案。它们侧重于降低成本，所以需要在易用性和/或性能方面进行权衡。

基于RAM的技术（如SRAM）可以用作数据存储器，也可以用作代码执行的工作空间，其速度比较快，不过它的易失性使其仅仅可用于临时存储。

便携式应用空间受限，要求使用尽可能少的组件来优化性能。即使在电路板空间充足的应用中，使用多种存储器类型也会导致效率低下，使代码设计复杂化，并且通常会消耗更多能量。

F-RAM的效率与可靠性使之成为能同时处理代码和数据的单一存储器技术。作为存储器技术，F-RAM拥有支持高频率数据记录操作的耐久度，同时还能降低系统成本，提高系统效率，并简化设计。

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