近年来，随着开关变换器日益增长的性能要求，方法灵活、控制精确的数字变换器获得了越来越多的关注和研究。对于高阶非线性的DC-DC变换器系统，基于小信号模型的传统设计方法不能在全工作范围获得良好的响应特性，在面对大信号激励的动态过程，系统的表现往往差强人意。为了提高变换器系统的动态响应能力，论文研究了新型非线性控制方法在数字控制环路中的实现。论文的主要工作是研究一种时域最优动态响应的控制方法，并基于该算法设计数字变换器。论文首先分析了同步整流Buck变换器的基本原理与结构，在此基础上讨论了滤波元件对变换器系统稳态和动态的不同影响；其次，论文基于最优控制理论对变换器系统的动态过程进行了分析，应用象限分析法绘出电感电流和输出电压在最快动态响应下的轨迹曲线；随后论文采用了轨迹预测技术以克服环路时延，并以此为基础运用数字方法实现了时域最优动态响应控制器的设计；最后论文在Matlab-Simulink和FPGA实物系统中进行了验证，系统在开关频率1MHz，输入电压5V的测试条件下，启动时间约为15μs，负载切换和输出电压调节的最快动态响应时间均可达到8μs，过冲和下冲均小于10%，满足了设计指标。论文基于最优控制的思想设计了新型控制方法，并通过仿真分析和实物测试对该算法在数字变换器中的表现进行了验证，其结果表明算法具有快速的动态响应速度和较小的过冲，为时域最优动态响应的实现提供了可行的思路和方法。论文提出的象限分析法和轨迹预测技术均可作为今后同类研究的重要参考。