小尺寸高功率密度

高功率密度数字IC几乎已经渗透进入所有的嵌入式系统。FPGA可以在上述市场领域实现先进应用。例如，在汽车应用中，高级驾驶员辅助系统(ADAS)和防撞系统可以预防由人为错误而引起的灾难。同样，政府规定的安全功能(诸如防抱死制动系统、稳定性控制和电子控制的独立悬挂系统等)也需要FPGA来发挥作用。

在消费类电子产品领域，对物联网(IoT)功能、复杂的图形引擎功能和机器对机器(M2M)功能的需求迫切需要先进的数字IC。海量数据存储、云计算中心以及光网络模块的扩展网络推动了对FPGA和数字IC的需求。

这些数字IC功能强大，但要求严苛，特别是在功率需求方面。传统上，为FPGA和ASIC供电一直采用高效开关稳压器控制器驱动高功率MOSFET完成，但是这些基于控制器的电源方案存在潜在的噪声干扰、相对较慢的瞬态响应和布局限制等问题。近年来，可最大限度减少热量的小型且安静的低压差(LDO)稳压器已经被用作替代方案，但它仍然存在自身的局限性。最近的电源转换创新引入了高功率单片式开关稳压器，它能够为数字IC有效供电，兼具低噪声和高效率，同时还最大限度地降低了空间需求。

开关稳压器、电荷泵与LDO稳压器

实现低电压、大电流降压转换与调节可采用多种方法，每种方法都有各自的性能和设计权衡考量。开关稳压器控制器能够在宽电压范围内和高负载电流下高效运行，但它们需要多个外部元件(如电感、电容和FET)才能运行;而这些元件可能会成为高频和低频噪声的来源。无电感电荷泵(或开关电容电压转换器)也可以用来产生低电压，但其输出电流能力受限，瞬态性能较差，并且需要多个外部元件。因此，电荷泵在数字IC电源应用中并不常见。线性稳压器(尤其是LDO稳压器)很简单，因为它们只需要两个外部电容即可工作。但是，它们的功率可能受限，这取决于IC两端输入到输出的电压差大小、负载所需电流的大小以及封装的热阻特性。这无疑限制了它们为数字IC供电的能力。

单片式降压型转换器的设计挑战

摩尔定律自1965年问世以来，其远见性和有效性一再得到验证。晶圆制造技术的线宽不断缩小，从而降低了数字IC的电压。更小的几何形状工艺可以在最终产品中高度集成更多的高耗电功能。例如，现代计算机服务器和光通信路由系统需要更宽的带宽来处理更多的计算数据和互联网流量;这些系统还会产生大量的热量，因此需要高效率的IC。汽车配备更多的车载电子设备，用于娱乐、导航、自动驾驶功能甚至发动机控制。于是，系统的电流消耗和相应的总功耗都会增加。因此，需要先进的封装和内部功率级的创新设计将热量驱散出功率IC，同时提供更高的功率。

高电源抑制比(PSRR)和低输出电压噪声(或纹波)是重要的考虑因素。具有高电源抑制比的器件可以过滤和抑制输入噪声，从而获得干净稳定的输出。此外，电源解决方案需要在宽带宽范围内具有低输出电压噪声(或低输出纹波)，因为现代数字系统具有多个电源轨，其中噪声灵敏度是设计的主要考虑因素。随着高端FPGA对速度要求的提高，电源噪声容差逐渐降低，以最大限度地减少误码。噪声引起的数字故障会大大降低这些高速PLD的有效数据吞吐速率。大电流下的输入电源噪声成为对电源要求更严苛的规范之一。

收发器速率越高(例如在FPGA中)，导致电流水平越高，这是由精细的几何形状电路切换产生的高功耗所致。这些IC速度很快。它们可能循环地在几十至几百纳秒内就使负载电流从接近零到几安培，因此需要具有超快速瞬态响应的稳压器。