近年来,便携式消费电子产品发展突飞猛进。针对电池供电的便携式电子设备,为了延长电池寿命,微处理器和DSP负载一般都设有几个不同的工作状态,通过不同的节能模式降低功耗。在高效电源管理的要求下,需要负载能实现从睡眠或待机状态进入全工作模式的高速转换,以确保电路的正常工作。这对电压调节器的快速响应提出了严格的要求,同时,还要保证高的效率和集成密度以适应其高集成度负载的需求。本文将深入地论述高效、集成、快速瞬态响应开关变换器的设计与实现。在回顾和分析DC-DC变换器的控制技术的基础上,通过理论分析和实验重点研究了高效率DC-DC变换器的单周期控制原理。在此基础上,提出了一种集成的双环路单周期控制策略。讨论了其控制原理,建立了控制系统小信号模型,通过频域和时域仿真对理论分析结果进行了验证。新方法通过对输入电压和输出电压的双环路单周期积分控制,提高了变换器对输入和负载动态变化的响应速度。研究了片上控制系统的整体架构。讨论了外部功率器件对变换器输出纹波电压和负载瞬态响应特性的影响,在此基础上确定了外部功率器件参数。围绕开关变换器系统功耗进行分析,采用一种改进的双模式控制方法,利用电流猛冲和电压迟滞比较原理增加变换器空闲时间,提高变换器在轻负载下的效率。另外,本文提出了种电流模式软启动控制方法,采用数字控制的分阶段限流控制实现输出电压的平稳启动,通过理论分析和实验验证了该方法的有效性,仿真结果说明与传统电流模式软启动控制相比,变换器启动时过冲电压减小了5%。基于提出的控制策略和片上控制系统的整体架构,设计了一款高频开关电源的高效集成单周期控制器芯片。研究了控制器电路的关键技术。采用一种低功耗高精度带隙基准电路,理论分析和仿真结果表明,和传统带隙结构相比,该电路将由电流镜失配起的输出基准的误差减小了50倍。另外,针对振荡器电路,跨导放大器电路,软启动电路和PWM/PFM检测电路进行了优化设计。在论文的最后,基于BCD 0.6μm工艺,实现了高频开关电源的高效集成单周期控制器芯片,并对控制原理进行仿真验证。验证结果说明：该变换器能实现最大效率为94%的高效电压转换,并且启动过程平稳,过冲电压小,最大过冲电压为2.9%。与已有的研究成果相比,该变换器具有快速电源电压和负载瞬态响应特性,并且易于集成,能有效降低成本。