在便携式电子设备中，为了增加系统工作时间和延长芯片寿命，要求电源管理系统尽可能降低功耗并提高可靠性。同时，便携式产品的小型化、低成本和高集成度发展方向又要求电源模块具有更小的体积和更高的能量密度。本文以标准CMOS工艺为基础，通过深入研究，在变换器拓扑结构、多路输出、启动策略、多模控制及电路优化等方面提出了若干全新的设计和解决方案，主要完成了以下工作。
提出了基于低压差线性稳压器（Low　Dropout，LDO）的多输出LDO（Multiple　Output　LDO，MOLDO），该变换器由一个PMOS调整管、两个EA和N个开关管构成，通过分时复用调整管，构建N路闭环反馈控制，实现N路输出。相比于单电感多输出变换器，MOLDO变换器无需片外电感，噪声小，便于全集成，且不存在交叉调节（Cross　Regulation，CR）和负载电流限制等问题；相比于N个独立的LDO，MOLDO变换器的芯片面积和静态电流更小。此外，MOLDO变换器还具有时序控制电路设计简单、输出通路数易于拓展、输出纹波小和集成度高等优点。作为实例，设计并实现了一款MOLDO变换器，输出路数可在1到4路之间变化，芯片面积为350　μm　×　700　μm。测试结果表明，变换器输出纹波电压小于40　mV，线性调整率和负载调整率分别为3.5　mV/V和0.055　mV/mA，电源抑制比达到-88　dB。
针对Boost变换器固有的启动浪涌电流大和启动速度慢等问题，本文从理论上分析了浪涌电流的产生机制、组成部分及主要影响因素，并分析了Boost变换器启动速度慢的原因。在此基础上，提出了一种预置电压及可变斜率（Variable　Ramp-Slope　with　Predefined　Voltage，VRSPV）软启动策略和自适应浪涌电流抑制（Adaptive　Inrush　Current　Suppress，AICS）技术相结合的软启动电路。VRSPV可完全消除流过功率开关管的浪涌电流，同时避免了Boost变换器启动时输出电压下降的现象，使得输出电压始终增加，从而缩短了启动时间，而AICS电路可抑制流入滤波电容的浪涌电流。测试结果表明，采用本文提出的软启动电路与较为常规的电阻、电容串联（RC）和线性（linear）策略相比，峰值浪涌电流由3.0　A减小到1.25　A，减小了60%，输出电压的稳定时间由2.8　ms减小到1.7　ms，减小幅度达40%，改善了Boost变换器的启动特性和可靠性。
通过对Buck变换器和LDO效率特性的理论分析，得出了它们之间的临界效率曲线。基于该曲线，提出了一种Buck/LDO双模（Buck/LDO　Dual-Mode,　BLDM）变换器拓扑结构，设计的自动控制策略实现了Buck和LDO双模式的自适应转换，提升了DC-DC变换器的效率。在此结构中，Buck变换器的PMOS开关管和LDO的调整管可以共用，因而未增加大的芯片面积。变换器的实测峰值效率高达97%，在一定的输入、输出压差范围内，Buck变换器的效率得到了提升，对轻载效率的改善尤为显著。
针对模拟控制和数字控制开关DC-DC变换器，给出了电路改进方案：1）针对延迟链数字脉冲宽度调制器（Digital　Pulse　Width　Modulation，DPWM）结构进行了优化设计，采用了一种多相时钟DPWM结构，延迟链长度比单相时钟节约了75%，芯片面积和功耗都减少了50%；2）在补偿网络设计方面，基于恒定跨导的运算跨导放大器（Operational　Transconductance　Amplifier，OTA）和电容乘法器，设计了无需片外无源元件的有源全集成TYPE-III型补偿网络结构，使得补偿网络可以片上实现，补偿网络的芯片面积仅为0.18　mm2。
综上所述，MOLDO作为一种全新的多输出变换器拓扑，解决了传统多输出变换器难以单片集成的问题，在植入式系统中有着广泛的应用。VRSPV策略和AICS技术相结合的启动控制策略从根本上抑制了Boost变换器的启动浪涌电流，并缩短了输出电压的稳定时间，有利于提高Boost变换器的可靠性并降低成本。LDO和Buck双模控制变换器是提升轻载效率的有效方法。多相时钟DPWM和全集成补偿网络结构，减小芯片面积和功耗。这些研究内容涉及目前电源管理芯片的研究热点和难点，是国内外学术界普遍关注的问题，提出的解决方案和具体电路通过了芯片验证，具有重要的学术和实际应用价值。