【導讀】隨著(zhù)Type-C的廣泛應用，以往的USB充電方案也逐漸需要Type-C Power Delivery(PD)來(lái)實(shí)現更高效快捷的充電。以往的座充通常僅支持單電池充電，在某些耗電量較大的便攜式設備應用的場(chǎng)景下不能完全滿(mǎn)足需求，因此本文章提出了一個(gè)雙電池快充的解決方案。
前言
每一次神舟載人飛船和SpaceX衛星的發(fā)射升空，都能吸引眾多人關(guān)注。對于這些神秘的航天飛信器，你知道它們的信息都是怎么處理的嗎？航天飛行器信息的處理依靠CPU/FPGA，而指令的執行則憑借存儲器。目前市場(chǎng)上大多數售賣(mài)主芯片的廠(chǎng)商都是靠存儲器起家的。Excelpoint世健公司的工程師Wolfe Yu在此對存儲的分類(lèi)以及它們各自的優(yōu)劣進(jìn)行了科普介紹。
半導體存儲器功能分類(lèi)
半導體存儲器是一種能存儲大量二進(jìn)制信息的半導體器件，半導體存儲器種類(lèi)很多，一般按功能來(lái)分，可以分為只讀存儲器(ROM)和隨機存儲器(RAM)。
ROM結構簡(jiǎn)單，斷電以后數據還保留著(zhù)；重新上電，讀出來(lái)的數據還能恢復成原來(lái)的樣子。
圖1 ROM重新上電信息保留
RAM就不一樣了，每次上電之后，上一次的信息無(wú)法保留。
圖2 RAM重新上電信息丟失
只讀存儲器（ROM）
只讀存儲器主要分為掩膜存儲器、可編程存儲器（PROM）、電可擦寫(xiě)可編程存儲器（EEPROM）和Flash等等。
早期只讀存儲器一覽
掩膜只讀存儲器：定制產(chǎn)品，按照用戶(hù)要求來(lái)，內部數據在出廠(chǎng)時(shí)就被設定好，后續無(wú)法修改。
可編程只讀存儲器：也叫“反熔絲”，比掩膜存儲器高級點(diǎn)，出廠(chǎng)時(shí)可以燒寫(xiě)一次，但如果燒錯了，只好作廢換下一個(gè)。
EEPROM（E2PROM）：為了重復利用，這代產(chǎn)品首先研究了第一代通過(guò)紫外線(xiàn)擦除的EPROM產(chǎn)品。這代產(chǎn)品是將電荷通過(guò)浮柵雪崩注入MOS管（FAMOS）、或者疊柵雪崩注入MOS管（SIMOS），通過(guò)雪崩效應編程。這種產(chǎn)品擦出復雜，而且擦寫(xiě)速度很慢。
后來(lái)經(jīng)過(guò)改良升級，改采用浮柵隧道氧化層MOS管注入，取名“EEPROM”，也稱(chēng)作“E2PROM”。為了提高擦寫(xiě)可靠性，并保護隧道氧化層，EEPROM還會(huì )再加一個(gè)選通管。程序讀寫(xiě)時(shí)，主要通過(guò)字線(xiàn)和位線(xiàn)施加脈沖來(lái)實(shí)現操作。
圖3 掩膜存儲器、反熔絲存儲器、EEPROM一覽
快閃存儲器（Flash Memory）
快閃存儲器Flash是在EPROM和EEPROM的基礎上做了一些改進(jìn)，它采用一種類(lèi)似于EPROM的單管疊柵結構的存儲單元，只用一個(gè)單管來(lái)實(shí)現。
圖4 Flash存儲器單元結構
快閃存儲器Flash的結構與EPROM的SIMOS管類(lèi)似，主要差異為浮柵與襯底氧化層的厚度不同，下圖是一個(gè)Flash的疊柵MOS管結構。
圖5 普通Flash的疊柵MOS管結構
快閃存儲器究竟是怎么保存數據的呢？Flash擦寫(xiě)是通過(guò)改變浮柵上的電荷來(lái)實(shí)現的。寫(xiě)入時(shí)，漏極經(jīng)過(guò)位線(xiàn)接正壓，并將襯底接地，在字線(xiàn)上加脈沖高壓（18~20V），源級和漏極之間會(huì )發(fā)生雪崩擊穿，部分電子會(huì )穿過(guò)氧化層到達浮柵，形成浮柵充電電荷。
擦除即是將電子從浮柵移出來(lái)實(shí)現。擦除時(shí)，將字線(xiàn)接地，同時(shí)，在P阱和N襯底上偏置一個(gè)正的脈沖高電壓（約20V）。這時(shí)，浮柵上面的電荷又會(huì )通過(guò)隧道效應被移出。
讀取Flash時(shí)，一般在字線(xiàn)加正常邏輯電平（一般3.3V或者5V），源級接地，當浮柵上存在電荷時(shí)，MOS管截止，輸出1狀態(tài)信號。反之，浮柵上沒(méi)有電荷，MOS管導通，輸出0狀態(tài)信號。
圖6 Flash單元擦寫(xiě)示例
Flash過(guò)擦除（Over Erase）
快閃存儲器的本質(zhì)是存儲陣列，通過(guò)對浮柵上的電荷與字線(xiàn)邏輯電平作比較來(lái)判斷的。以Nor Flash為例。按照正常的工作方法，字線(xiàn)工作，會(huì )加正常邏輯（3.3V或5V）；字線(xiàn)不工作，通常是懸空或者輸入0V電平。
正常情況，當字線(xiàn)不工作時(shí)，無(wú)正常邏輯（3.3V或5V）施壓到柵極，不論浮柵上有無(wú)電荷，MOS管都要求截止。
如果Flash出現過(guò)擦除，這時(shí)，浮柵上會(huì )表現為高壓，輸出電壓值不確定。如果電壓值剛好能使該單元的MOS管導通，此時(shí)，無(wú)論選擇哪個(gè)字線(xiàn)，該位線(xiàn)的讀值都是0V，從而影響其他單元的讀寫(xiě)，這被稱(chēng)為“單元泄露”。因此，為了讓Flash避免過(guò)擦除，對擦除的時(shí)候會(huì )非常小心，從而讓擦除時(shí)間變長(cháng)。
圖7 Nor Flash操作示意圖
超級快閃存儲器（SuperFlash?）
前面提到，快閃存儲器的功能很強大，但擦除速度太慢。針對這一問(wèn)題，Wolfe Yu介紹了世健代理的Microchip旗下SST發(fā)明的一種全新超級快閃存儲SuperFlash?技術(shù)。
圖8 SuperFlash?閃存的疊柵MOS管結構
在SuperFlash閃存中，控制柵被分成兩部分，只覆蓋一部分浮柵，它可以直接控制流入漏極的電流。
過(guò)度擦除留下的正電荷會(huì )產(chǎn)生單元泄漏路徑，導致閃存無(wú)法正確讀取數據。對于SuperFlash閃存來(lái)說(shuō)，由于控制柵直接管理漏極邊緣，過(guò)度擦除無(wú)法使浮柵的泄漏路徑的達到漏極。所以，SuperFlash閃存不會(huì )考慮過(guò)度擦除問(wèn)題，相對來(lái)說(shuō)，擦除時(shí)間就會(huì )短很多。
隨機存儲器（RAM）
隨機存儲器，可以隨時(shí)隨地讀寫(xiě)數據，讀寫(xiě)方便，操作靈活。但是，RAM存在數據易失性的缺點(diǎn)。RAM主要分為動(dòng)態(tài)隨機存儲器DRAM和靜態(tài)存儲器SRAM兩大類(lèi)。
動(dòng)態(tài)隨機存儲器（DRAM）一覽
動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）是一種半導體存儲器，主要的作用原理是利用電容內存儲電荷來(lái)代表一個(gè)二進(jìn)制比特（bit）。由于在現實(shí)中晶體管會(huì )有漏電電流的現象，導致電容上所存儲的電荷數量無(wú)法判別數據，從而造成數據毀損，因此DRAM需要周期性地充電。由于這種定時(shí)刷新的特性，因此被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)”存儲器。
圖9 DRAM結構示意圖
靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）
靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random Access Memory，SRAM）是在靜態(tài)觸發(fā)器的基礎上構成，靠觸發(fā)器的自保功能存儲數據。
SRAM的存儲單元用六只N溝道MOS管組成，其中四個(gè)MOS管組成基本RS觸發(fā)器，用于記憶二進(jìn)制代碼；另外兩個(gè)做門(mén)控開(kāi)關(guān)，控制觸發(fā)器和位線(xiàn)。
圖10 SRAM結構示意圖
RS觸發(fā)器，是最常見(jiàn)的基本數字鎖存單元， FPGA的LUT的主要組成部分，結構簡(jiǎn)單，操作靈活，RS觸發(fā)器有一個(gè)致命的缺陷，容易產(chǎn)生競爭冒險。
圖11 SRAM構造RS觸發(fā)器數字邏輯示意圖
SRAM的單粒子翻轉事件（SEU）
RS觸發(fā)器有著(zhù)非常好的鎖存性能，但也有一個(gè)設計缺陷。在實(shí)際應用中，特別是在空間環(huán)境存在輻射的一些場(chǎng)景，會(huì )出現帶電粒子穿過(guò)P管漏區有源區。此時(shí)，在粒子徑跡上電離產(chǎn)生大量電子空穴對，形成“瞬態(tài)電流”。
圖12 單粒子翻轉事件充電原理
當上管出現一次電離輻射，通過(guò)建模，可以大致算出輸出電壓脈沖和累積電荷、以及存儲電容存在一定關(guān)系。
假設，如果前級輸入是邏輯1，輸出是邏輯0，存儲單元電容為100fF，只要累積電荷達到0.65pC-0.7pC時(shí)，輸出電壓脈沖幅值>0.7V，就很容易判斷為輸出為高電平。在輸出端電壓脈沖恢復到零電平之前，通過(guò)反饋，將邏輯0寫(xiě)入輸入，從而造成輸出端電壓固定在高電平，變成邏輯1，出現粒子翻轉效應。這也是我們常說(shuō)的數字電路的競爭冒險現象。
圖13 RS觸發(fā)器引起競爭冒險現象
單粒子翻轉影響及加固
單粒子翻轉會(huì )造成存儲數據的改寫(xiě)，特別是行業(yè)多數FPGA芯片，大多是基于SRAM型的產(chǎn)品。一旦工作在惡劣環(huán)境下，極有可能引發(fā)產(chǎn)品工作異常，最終導致整個(gè)系統失靈。
一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)三模冗余、時(shí)間冗余和錯誤檢測與糾正等電路結構設計加固方法，可對其進(jìn)行改善。
不過(guò)最好的解決方法是采用Flash型FPGA。由于Flash型FPGA和基于鎖存器原理的SRAM FPGA的存儲原理完全不同，所以很難發(fā)生通過(guò)簡(jiǎn)單的電離輻射改寫(xiě)邏輯單元的情況，從而提高了可靠性。同時(shí)，Flash技術(shù)的產(chǎn)品的功耗也比SRAM的功耗低很多。
目前，基于Flash工藝的FPGA主要是Microchip。它擁有基于反熔絲和Flash技術(shù)的FPGA，目前市場(chǎng)上主流產(chǎn)品是第三代SmartFusion? ProASIC?3/IGLOO?、第四代SmartFusion? 2/IGLOO2和第五代PolarFire/PolarFire SoC系列。
其他存儲器（FRAM&EERAM）
相對于傳統的主流半導體存儲器，非易失性只讀存儲器(ROM)和易失性隨機存儲器（RAM），還有一些速度較快，而且非易失性存儲器，比如鐵電存儲器（FRAM）、和非易失性隨機存儲器（EERAM）。
鐵電存儲器（FRAM）
上文有提到，EEPROM是通過(guò)電荷泵對浮柵操作來(lái)做數據存儲，浮柵的擦寫(xiě)需要時(shí)間，還會(huì )破壞浮柵單元，存在次數限制。鐵電存儲器（FRAM）是采用一種特殊工藝的非易失性的存儲器，是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲器結晶體。
當一個(gè)電場(chǎng)被加到鐵電晶體時(shí)，中心原子順著(zhù)電場(chǎng)的方向在晶體里移動(dòng)。當原子移動(dòng)時(shí)，它通過(guò)一個(gè)能量壁壘，從而引起電荷擊穿。內部電路感應到電荷擊穿并設置存儲器。移去電場(chǎng)后，中心原子保持不動(dòng)，存儲器的狀態(tài)也得以保存。鐵電存儲器不需要定時(shí)更新，掉電后數據能夠繼續保存，速度快而且不容易寫(xiě)壞。
鐵電存儲器是個(gè)好東西，不過(guò)有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，貴。用在低成本的工業(yè)和消費場(chǎng)合性?xún)r(jià)比不高。
圖14 鐵電存儲器原理
非易失性隨機存儲器存儲器（EERAM）
除了上文提到的FRAM，還有一種新型非易失性隨機存儲器（EERAM），這個(gè)產(chǎn)品是Microchip的獨家秘籍。
圖15 非易失性隨機存儲器架構
EERAM的工作原理非常簡(jiǎn)單，靈感來(lái)源于采用后備電池供電的SRAM，它的本質(zhì)就是不需要外部電池，而是通過(guò)一個(gè)很小的外部電容器，SRAM和EEPROM之間通過(guò)IC監測共集極的電壓，一旦電源電壓較低，就通過(guò)電容供電，把SRAM的數據搬到EEPROM里面，防止信號丟失。
對于需要不斷更新的存儲數據，EERAM采用了一種特殊的工作方式，在監測到供電電壓異常的時(shí)候，通過(guò)Vcap作為備用電源，把數據從SRAM轉移到EEPROM，自動(dòng)完成數據的安全轉存。
當供電重新恢復正常，EEPROM的數據又自動(dòng)導出到SRAM。而且，你也可以手動(dòng)刷新數據到EEPROM。
圖16 非易失性隨機存儲器用電容為SRAM轉移數據提供電源
EERAM的優(yōu)勢包括：自動(dòng)通過(guò)斷電可靠地保存數據、無(wú)限次寫(xiě)入數據、 低成本方案和 接近零時(shí)間的間隔寫(xiě)入。這個(gè)器件性能較高，而且價(jià)格也沒(méi)有鐵電那么昂貴，非常適合防數據丟失，成本敏感的客戶(hù)。
圖17 非易失性隨機存儲器工作原理
Microchip基于先進(jìn)存儲技術(shù)一攬子解決方案
隨著(zhù)5G通信等市場(chǎng)的快速爆發(fā)，越來(lái)越多的定制產(chǎn)品層出不窮。由于存儲器大多都要暴露在十分苛刻的環(huán)境中，市場(chǎng)對萬(wàn)能芯片FPGA的需求越來(lái)越大。Excepoint世健擁有專(zhuān)業(yè)的技術(shù)團隊，其代理的Microchip 的FLASH型FPGA能有效抵抗輻射從而提高系統的可靠性，快速的SuperFlash和創(chuàng )新的EERAM技術(shù)的存儲器等解決方案也都非常有特色，能幫助客戶(hù)降低存儲成本，為客戶(hù)的系統設計需求提供更多選擇。
（來(lái)源：世?。?/p>
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