非易失性SRAM中的低温数据保留

本文消除了对低温电池性能的任何担忧。本文详细介绍了在极端低温环境条件下可靠支持非易失性存储器（SRAM）所需的电流特性。

几十年来，锂纽扣电池一直被用作内存备份应用的稳定电源。基本的最终产品寿命估算可以通过获取备用电源（锂纽扣电池）中的总可用电量（容量）并计算以已知速率消耗该电荷所需的时间来实现。

低功耗SRAM历来是非易失性存储器应用的明显解决方案，这主要是因为在外部断电期间可靠地维护系统数据所需的电源电流非常低。此参数通常标识为数据保持电流 （ICCDR).

设计中的电池组件选择通常归结为所需系统数据保留时间和所需锂电池的物理尺寸之间的权衡。本讨论并未将物理电池尺寸作为设计中的约束，因此评估了两个类似尺寸的20mm纽扣电池。

图1显示了三种不同存储器组件的环境数据保持电流消耗。存储器密度差异很大，这些测量电流中的电压依赖性也因样品而异。尽管如此，所有三个存储器组件似乎都满足在电池备份条件下延长数据保留的基本低电流要求。

图1.SRAM数据保持电流。

该图清楚地表明，与分析的其他SRAM样品相比，供应商X 256kb样品具有更高的静态电流和更明显的电压加速斜率。

图2.BR2032 电压与温度的关系。

在图2中，BR2032初级（不可充电）锂纽扣电池（标称容量为190mAh）在指示的温度范围内承受各种负载条件。从图表中可以看出，在+25°C时，任何列出的负载下的电池电压为~3.4V。

参考供应商X 256kb电流特性（图1），我们可以确定该特定SRAM在施加3.4V时需要~1.2μA的电池电流。考虑到BR2032电池容量额定值，预期的环境数据保留时间将超过19年。然而，使用大多数电池有一个历史缺点：当电池耗尽时，必须更换它们。

在图2中还观察到，在低温下电池性能的可检测变化。当施加各种负载时，最初在+25°C下观察到测量电压的偏差。 随着负载电流要求的增加，偏差更加明显。电池效率的这种损失是由于随着温度的降低，电化学反应减慢。

为了理解图 2 中的电池行为，我们再次转到图 1“供应商 X 256kb”ICCDR特征。然后，我们可以估计该SRAM为电池提供3MΩ的等效负载。

图3.ML2020R 电压与温度的关系

在图 3 图中，ML2020R 二次（可充电）锂纽扣电池（标称容量为 30mAh）在指示的温度范围内承受各种负载条件。从图表中可以看出，在列出的任何负载下，+25°C时充电电池电压为~2.8V。

使用相同的供应商 X 256kb I/V 特性，ML2020R 单元的标称偏置降低使用户所需的 SRAM 电流立即降低 35%。估计的环境数据保留时间为~5.4年，是使用BR2032的28%，即使规定的容量仅为该大型原电池的15%。

考虑到 ML2020R 可以完全耗尽并充电多达 15 次，这意味着使用这些特定组件的系统使用寿命超过 80 年。此预期寿命假定系统可以至少每 5 年通电一次 ~3 天。

为了进行比较，再次使用图1供应商X 256kb ICCDR特性方面，我们可以估计SRAM为该单元提供4.5MΩ的等效负载，这仅仅是由于施加的偏置减小。

此外，正如在BR2032电池上观察到的（图2），ML2020R在低温下的电池性能变化类似，但不太明显。在施加到另一个电池的相同负载下，最初在-15°C下观察到ML2020R测量电压的偏差。 随着负载电流要求的提高，这一点再次变得更加明显。

图4.SRAM 数据保持电流 （ICCDR在-40°C时）。

图4图表是应用于图1所示三个样品的相同偏置的结果，但现在元件外壳温度为-40°C。

给定相同的供应商X 256kb，温度的降低提高了片上晶体管阈值，足以切断存储芯片内的任何寄生泄漏路径。如果使用 BR2032，这有效地将 SRAM 负载增加到大于 11MΩ，如果使用 ML2020R 则大于 20MΩ。

结论

对于备用电源负载计算，低功耗CMOS存储器的有效电阻与温度成反比。图5显示了这种关系，使用了所分析的电池样本施加的典型偏差。

图5.SRAM有效加载。

当将SRAM有效电阻（图5）与电池电流传输能力（图2和图3）进行比较时，很明显，在此温度范围内的最差情况下SRAM负载电阻远高于任一电池化学的任何电化学效率损失区域。

使用任何采样内存组件，这两种电池都可以有效运行至少 5 年以上的连续电池备份。

审核编辑：郭婷