HVAC 控制對非揮發性記憶體的各項需求

HVAC 必須使用 NVM 的原因：設定、日誌保持與安全性

在 HVAC 控制系統中，非揮發性記憶體（NVM）對於在電源中斷後保留關鍵資訊至關重要。具體而言，這包括使用者的溫度設定、運作排程、各種感測器的校準值，甚至是故障代碼等。這些資訊都必須在停電或系統重啟後能夠立即復原。此外，攸關安全的控制參數與緊急運作模式的觸發條件，也應妥善保存。藉由 NVM 的應用，HVAC 系統能實現穩定的啟動過程，防止誤動作並降低安全風險。同時，透過日誌資訊的保存，更有助於維護時的故障排除（Troubleshooting）及長期運作的最佳化。隨著現代 HVAC 設備日益智慧化，NVM 所扮演的角色也愈發重要。

耐環境性能：溫度與長期保存耐受性

HVAC 控制系統經常安裝於室外機組或高低溫差巨大的環境中，因此所使用的非揮發性記憶體必須具備極高的耐環境性能。特別是支援 -40°C 至 +125°C 的工業級或車載級運作溫度範圍已成為基本要求。此外，資料的長期保存性能（例如 10 年以上的 Data Retention）也是不可或缺的。由於系統常暴露於高濕度或電磁干擾（EMI）等嚴苛環境下，NVM 必須具備足以耐受這些影響的結構與設計。除此之外，還需要考慮寫入時的電源電壓波動耐受力，以及在突發性斷電時確保數據不遺失的設計。為了確保在產品整個生命週期中擁有穩定的性能，選型時不應僅止於規格表（Spec）的比較，更需參考在實際環境下的測試結果。

技術比較：EEPROM, Flash, FRAM, nvSRAM 等

適合 HVAC 控制的 NVM 包含 EEPROM、Flash、FRAM（強鐵電隨機存取記憶體）以及 nvSRAM（非揮發性 SRAM）。EEPROM 具備成本優勢，廣泛應用於各類嵌入式系統，但在抹寫次數與寫入速度上有所限制。Flash 在容量方面具備優勢，但不適合高速抹寫。相較之下，FRAM 具備低功耗、高速寫入特性，且抹寫壽命次數遠高於傳統記憶體，非常適合需要頻繁更新數據的 HVAC 應用。nvSRAM 則結合了 SRAM 的高速性與 NVM 的資料保持性，適合用於日誌保存與即時處理。選型時，必須針對各項應用的抹寫頻率、運作速度、成本及耐久性進行評估，以選擇最合適的技術。

HVAC 系統中的 NVM 實作案例

能源歷史數據儲存案例

能源歷史數據的累積對於提升 HVAC 系統的運作效率與維護性極為重要。在某大學校園的 HVAC 控制案例中，導入了基於房間使用時程表（Room Use Calendar）的最佳化排程管理，並執行能源日誌的收集與儲存。將過去的運作紀錄、室溫變化及能源消費趨勢記錄在非揮發性記憶體中，並據此調整控制演算法，大幅提升了 HVAC 的運轉效率。結果顯示，該案例成功減少了高達 40% 的營運能源消耗。在此類應用中，日誌的可靠性與保存期限至關重要，因此 NVM 的容量、耐久性與寫入速度之間的平衡是設計的關鍵。

低成本 HVAC 控制器中的 Flash 與 EEPROM 併用

在強調低成本的 HVAC 控制設備中，常見同時搭載 Flash 記憶體與 EEPROM 的配置。Flash 記憶體用於儲存控制韌體與初期設定值，而 EEPROM 則負責記錄使用者的設定變更與自動調整（Auto-tuning）後的控制參數，透過這種分工實現成本與性能的最佳化。在某控制系統中，設計者將 PID 自動調整功能獲得的最佳增益值（Gain value）先存放在暫存緩衝區，僅在使用者授權保存時才寫入 NVM。這種設計能有效減少 EEPROM 的存取次數，在延長抹寫壽命的同時，提升了整體系統的可靠性。這種配置是充分理解 NVM 限制並在系統端進行適當寫入控制的優良範例。

活用內建 F-RAM 之 IP 閘道器的 HVAC 控制

近年來，活用內建 FRAM 的智慧閘道器（Smart Gateway）來管理 HVAC 系統的案例日益增多。這些閘道器是連接多個空調單元與建築管理系統（BMS）的重要節點，要求具備即時數據處理能力與故障後的快速復原能力。利用 FRAM 高速寫入、低功耗及高耐久性 的特性，系統能週期性地保存各單元的狀態資訊與警報日誌，並確保在通訊異常時仍能持續控制。這使得設備能與雲端遠端控制及分析連動，支援能源最佳化與預測性維護（Predictive Maintenance）。隨著智慧建築（Smart Building）的發展，FRAM 及其他高性能 NVM 的重要性將持續提升。

HVAC 設計中選用 NVM 的檢查要點

抹寫頻率、功耗與速度之間的權衡

在選用非揮發性記憶體（NVM）時，抹寫頻率、功耗與存取速度之間的權衡（Trade-off）極其重要。在需要頻繁更新設定資訊與感測器數據的 HVAC 控制應用中，必須具備高速且低功耗寫入能力的 NVM。例如，EEPROM 的抹寫耐久性有限，在頻繁存取的應用場景下，壽命問題將成為瓶頸。相比之下，FRAM 或 nvSRAM 具備極強的高頻抹寫耐受力，非常適合用於即時日誌記錄與故障歷史保存。然而，這類技術的單位成本通常較高，且容量相對有限。為了取得最佳平衡，設計者必須精確掌握目標應用程式的數據更新模式，並依此選用最適當的 NVM 種類。此外，導入磨損均衡（Wear Leveling）或寫入抑制邏輯也是設計中不可或缺的重要手段。

工業級與車載級的耐久性及溫度範圍

HVAC 系統常安裝於工廠、大樓戶外機組或車載環境等嚴苛條件下，因此對 NVM 的可靠性要求極高。具體而言，-40°C 至 +125°C 的寬廣工作溫度範圍、10 萬次以上的抹寫壽命以及 10 年以上的資料保存能力已成為標準的技術規格要求。此外，針對振動、濕度及鹽害等外部因素具備相應對策的 NVM 更是首選。近年來，取得特定認證的工業級或車載級 NVM 產品日益增多，是建構高可靠性控制系統的有效選擇。在開發階段，必須透過實驗室測試與現場測試（Field Test）驗證這些環境性能，以確保設計能支撐長期的穩定運作。

成本、供應穩定性與 AEC-Q 認證支援

在 HVAC 系統中選用 NVM 時，除了性能外，成本與供應穩定性同樣關鍵。特別是在量產階段，產品單價直接影響競爭力，因此必須在性能與價格間取得平衡。同時，全球供應鏈的穩定性以及是否提供長期供應保證（Long-term Support）也是必須確認的重點。針對特定用途，是否具備可靠性認證（如 AEC-Q100 等）常成為採用的判斷基準，設計階段就應對此有所共識。此外，為了因應自然災害或半導體短缺等供應鏈風險，建立複數供應商（Second Source）的採購體系，對於產品生命週期的風險控管至關重要。從設計初期到採購階段，需要具備一致且戰略性的規劃。

HVAC × NVM 導入路線圖與展望

設計評估與測試階段（耐環境與電源特性驗證）

在導入 NVM 的初期，嚴謹的評估與測試是成功的基礎。HVAC 系統需要進行包括溫度、濕度、振動在內的綜合耐環境測試，並確認對電源波動的耐受力，以及在突波電流（Inrush current）環境下數據寫入的穩定性。這能有效防止記憶體損壞或數據遺失。對於抹寫次數頻繁的設計，必須在模擬實際運行狀態下進行耐久性測試。此外，優化 NVM 運作的韌體控制以及寫入抑制邏輯的驗證也是關鍵步驟。開發初期的完整驗證流程，能預防量產後的可靠性問題，確保 HVAC 產品能長期穩定運作。

樣品採購、量產轉換期限與供應展望

採用 NVM 時，必須與量產轉換時程緊密配合。建議在設計階段縮小候選範圍後，儘早採購工程樣品（ES）進行評估驗證。在此基礎上，需與供應商確認量產零件的交期、最小起訂量、前置時間（Lead time）以及供應的可行性，以掌握採購風險。近年來，受全球半導體供應不穩定影響，NVM 產品易受交期拉長與價格波動影響。因此，及早鎖定料件、選定替代方案並建立多重採購管道非常重要。在整個專案進程中，NVM 的採購計畫是決定產品能否如期上市的核心要素。

AI 驅動 HVAC 的即時記錄與未來展望

在導入 AI 控制的次世代 HVAC 系統中，即時運作日誌與學習數據的記錄將成為常態需求。例如，系統需逐次記錄室內人數、氣象條件及能源消耗數據，並據此優化控制演算法。這類系統對於具備高頻率與高速寫入性能的 NVM 需求極大。此外，系統設計還需考量與 AI 推論引擎介接的數據保持介面及通訊穩定性。展望未來，HVAC 將從單純的空調功能進化為對整棟建築能源進行最佳化的「整合型智慧裝置」，而高性能 NVM 則是實現這一願景的核心關鍵技術。

RAMXEED提供的FeRAM產品列表
https://www.ramxeed.com/zh-tw/products/feram-products

RAMXEED提供的ReRAM產品列表
https://www.ramxeed.com/zh-tw/products/reram-products/

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FeRAM 的特性

FeRAM（Ferroelectric Random Access Memory）是一種非揮發性記憶體，同時融合了揮發性記憶體的性能優勢。作為非揮發性記憶體，其特點包括即使電源關閉資料仍可保存（非揮發性）以及低功耗運作；同時也具備揮發性記憶體所具有的高寫入耐久性（可承受大量寫入次數）與高速寫入能力，因此可歸納為具備上述四大特性的記憶體。表 1 顯示 FeRAM 與其他記憶體產品的特性比較。FeRAM 採用鐵電材料作為記憶元件，透過製程技術的持續開發，已實現超過 100 兆次的寫入耐久性以及可對應 125°C 高溫環境的性能。

表 1．記憶體特性比較

FeRAM 的原理

FeRAM 採用強誘電體材料 PZT（鉛鋯鈦酸鹽，Lead Zirconate Titanate）作為記憶元件。其 PZT 的晶體結構如圖 1 所示。PZT 晶體的特性在於，當施加電壓時會產生極化現象（Zr/Ti 原子在晶體內部上下位移），即使停止施加電壓後極化狀態仍會殘留。因此，依據電場方向的不同，原子會形成兩個穩定狀態，並將其作為非揮發性記憶體中的「0」與「1」資料儲存原理。

圖 1．PZT（鉛鋯鈦酸鹽）的晶體結構

PZT 晶體的極化量與電壓關係特性如圖 2 所示。其極化量呈現遲滯（Hysteresis）特性，在電壓為 0V 時存在兩個穩定點，並分別對應為「0」與「1」資料。由於 Zr/Ti 原子在晶體內部上下移動時產生的物理損傷極小，因此形成具備極高寫入耐久性的記憶元件。此外，在進行寫入時，不受先前穩定狀態（「0」或「1」資料）影響，僅需改變電場方向即可轉換至下一個穩定狀態（「0」或「1」資料），因此在特性比較表中以「可重複覆寫（Overwrite）」來表達此特性。

圖 2．PZT 晶體極化量與電壓特性（遲滯特性）

FeRAM 的記憶體單元結構

FeRAM 的記憶體單元結構主要分為兩種類型：一種是每個單元由 2 個電晶體與 2 個強誘電體電容構成的 2T2C 型（圖 3），另一種是每個單元由 1 個電晶體與 1 個強誘電體電容構成的 1T1C 型（圖 4）。強誘電體電容是指以強誘電體材料夾在導電體（上電極與下電極）之間形成的電容結構，各導電體分別連接至位元線（BL）與板極線（PL）（圖 5）。

圖 3．2T2C 型記憶體單元結構　　圖 4．1T1C 型記憶體單元結構　　圖 5．強誘電體電容結構

2T2C 型是將實際單元與參考單元相鄰配置，並使參考單元保持與實際單元相反的資料狀態進行電路運作。透過比較實際單元輸出的位元線電壓（BL）與參考單元輸出的位元線電壓（BLb）來判斷資料內容，當 BL > BLb 時判定為「1」資料，當 BL < BLb 時判定為「0」資料。由於兩個強誘電體電容以互補方式運作，使資料保持更為穩定，因此常應用於車用電子等高可靠性需求產品。

1T1C 型則是將實際單元輸出的位元線電壓（BL）與由獨立電路產生的參考電壓進行比較，當 參考電壓 > BL 時判定為「1」資料，當 參考電壓 < BL 時判定為「0」資料。由於單一記憶體單元面積僅為 2T2C 型的一半，因此特別適合應用於大容量 FeRAM 產品設計。

FeRAM 的基本動作

記憶體單元的讀取（Read）動作如圖 6 所示。當將連接至強誘電體電容位元線（BL）的電極設為 Low，並將連接至板極線（PL）的電極電壓由 Low 提升至 High（BL＝L，PL＝L→H） 時，即可進行讀取動作。在 PL＝L→H 的過程中，原本儲存在強誘電體中的電荷會被釋放，而依據穩定狀態（「0」「1」資料）不同，所輸出的電荷量 Q 亦有所差異。透過偵測此電荷量差異來判斷「0」「1」資料，於電路層級上則表現為位元線上的電位差，並經由感測放大器（Sense Amplifier）放大後輸出為資料訊號。

圖 6．記憶體單元讀取動作（遲滯特性轉換）

記憶體單元的寫入（Write）動作如圖 7、圖 8 所示。當寫入「0」資料時，將連接至強誘電體電容位元線（BL）的電極設為 Low，並將連接至板極線（PL）的電極施加 High 電壓（BL＝L，PL＝H） 以完成寫入動作，之後再將板極線（PL）拉回 Low，使其進入待機狀態並以「0」資料保持。另一方面，當寫入「1」資料時，將連接至位元線（BL）的電極設為 High，並將連接至板極線（PL）的電極設為 Low（BL＝H，PL＝L） 以完成寫入動作，之後再將位元線（BL）拉回 Low，使其進入待機狀態並以「1」資料保持。

圖 7．記憶體單元寫入動作（遲滯特性轉換）：「0」資料情況

圖 8．記憶體單元寫入動作（遲滯特性轉換）：「1」資料情況

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