解放產品壽命限制！從電池壽命計算中解脫的設計理念
產品壽命往往受到電池壽命影響。然而，電池壽命的計算並不容易。
原因在於，備援電池真正被使用的時間，是備援電路運作期間。
也就是產品電源關閉的期間，而這段時間會依照使用者使用狀況與設備安裝環境產生巨大差異。
為了估算產品壽命，設計工程師必須假設產品未使用期間的長度。
這種矛盾，正是造成壽命計算困難的重要原因。
本文將介紹一種能夠解除此類產品壽命計算限制的新設計理念。
正在為備援電池壽命計算與維護成本感到困擾嗎？
若您的產品需要長期保存資料，並希望降低電池壽命預估、交換維護以及產品保固設計上的負擔，FeRAM 可提供無電池化的設計方向。
由備援電流與電池容量決定的產品壽命理論值
嵌入式設備的產品壽命，在許多情況下可以透過備援電流與備援電池容量進行計算。代表性應用包括工業用電表、POS 終端設備以及 FA 設備控制器等。
這些產品需要持續保存設定值與運作狀態。因此，過去廣泛使用 SRAM 等揮發性記憶體。
SRAM 在電源關閉後，會失去原本保存的資料。若希望在停電或主電源關閉時仍維持資料，就需要額外措施。因此，通常會利用鋰電池等備援電池持續供應電流給 SRAM。
這種設計方式長期以來一直是業界慣用方案。而產品壽命，也可以定義為資料能夠保持的時間（資料保持時間）。
也就是說，理論上壽命應可透過以下簡單公式計算。
資料保持時間（h）＝電池容量（Ah）÷ 備援電流（A）
例如，若使用容量 200mAh 的電池，備援電流為 5μA，理論計算結果為 40,000 小時，也就是 4 年以上的資料保持時間。
考量環境變化後，壽命計算帶給設計工程師的負擔
然而，實際資料保持時間並不會完全符合上述公式。
備援電池真正運作的時間，是產品電源關閉期間。換句話說，就是產品未被使用的期間。
這段時間長短會依照設備安裝環境與使用者操作狀況產生巨大變化。因此，設計工程師必須估算這段未知期間。
此外，環境溫度以及電池自放電現象也會產生影響。
溫度變化造成備援電流增加
備援電流會因溫度條件不同而產生大幅變化。
SRAM 的漏電流會隨著溫度升高而呈指數增加。常溫下僅數 μA 的消耗電流，在高溫環境中增加一個數量級以上的情況並不少見。
備援電流 5μA 是常溫（25℃）條件下的數值，而在 45℃ 時可能增加至 15μA，在 65℃ 時甚至可能達到 50μA。
電池自放電造成的差異
備援電池會產生自放電現象。
根據保存期間與周圍溫度不同，電池容量會逐漸下降，一般而言約每年減少 1%。
此外，電池也會因製造批次以及電池供應商差異產生個體差異，使自放電程度有所不同。
評估產品壽命時的考量
負責設定產品保固期間的工程師，必須將上述所有因素納入考量，並以最壞條件進行計算。
前述 4 年理論值，僅代表設備完全未使用時備援電池的壽命。若直接將此數值作為產品壽命，並不合理。
因此，需要根據設備實際運作狀況設定一定條件，再進行電池壽命估算。
【備援電路運作時間】
1.出貨至開始運作期間：1 個月
2.設備運作率：50%（夜間與長期休假期間停止運作）
3.環境條件：考慮嚴苛情況，設定為 45℃
4.自放電率：每年 1%
根據上述條件計算備援電路運作時間：
・開始運作前：720 小時（24 小時 × 30 天）
・運作中（第 1 年）：3960 小時（24 小時 × 30 天 × 11 個月 × 0.5）
・運作中（第 2 年以後）：4320 小時（24 小時 × 30 天 × 12 個月 × 0.5）
・備援電流：15μA（45℃）
若電池容量為 200mAh，則鋰電池壽命約為 3 年。
以上僅為一個案例，但若將環境條件納入考量，長期產品壽命並不容易實現。若希望延長壽命，就必須增加電池容量。
上述僅為示例，實際產品仍需依照溫度條件等假設因素進行調整。
從電池壽命計算中解脫的設計方法
若希望降低上述負擔，可以改變設計思考方向。過去的改善方式主要依賴提升電池性能或備援電路能力。
但是，如果從根本上取消備援電池，又會如何？
從根本上消除備援電池需求的設計理念
之所以需要備援電池，是因為 SRAM 在電源關閉時會失去資料。
換句話說，只要使用即使切斷電源也能保存資料的記憶體，就不再需要備援電池本身。基於此理念，將記憶體替換為非揮發性記憶體，就是一種有效方案。
利用 FeRAM 消除壽命限制因素
具體而言，就是使用非揮發性記憶體 FeRAM（FRAM、強誘電體記憶體）取代 SRAM。
採用即使電源關閉仍能保存資料的 FeRAM 後，便不需要備援電源電路。結果，可以從設計流程中完全排除壽命計算相關負擔。
對於電源關閉時間難以預測，且要求長期免維護運作的工業設備與車載設備而言，此類替換將帶來顯著效益。
此外，FeRAM 也具備優異的抗雜訊能力與電源變動耐受性。在資料可靠性直接影響產品價值的領域中，FeRAM 是非常適合的選擇。
正在評估以 FeRAM 取代 SRAM 與備援電池設計嗎？
透過非揮發性記憶體取代需要持續供電的 SRAM，可簡化備援電路設計，並降低因電池壽命變化造成的產品可靠性風險。
無電池化提升產品可靠性與保固確定性
無電池化所帶來的本質優勢，並不只是成本降低。
最大的價值在於，可以將包含電池容量差異與環境條件變化等不確定因素的流程，從設計流程中排除。因此，設計工程師不再需要為保固期間設定而煩惱。
市場上的電池耗盡問題，以及電池更換與回收所造成的維護與環境負擔，也能一併消除。
此處的重要重點，不是讓計算變得更容易，而是達到「不需要進行計算」的狀態。
透過解除產品壽命限制因素的電池壽命計算，設計本身也獲得解放。
這可以說是一種從根本提升產品可靠性的設計理念轉換。
正在開發需要長期免維護運作的產品嗎？
若您的設備需要長時間資料保存、降低維護需求，或希望實現無電池化設計，RAMXEED 可依據您的應用需求提供 FeRAM 技術資訊與產品方案。
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