开关电源PWM与PFM控制策略对比仿真分析

资 源 简 介

本分析项目旨在利用MATLAB Simulink工具箱构建高精度的开关电源仿真模型，重点研究并对比脉冲宽度调制与脉冲频率调制两种核心控制策略在不同运行工况下的性能表现。项目实现了一套完整的直流-直流变换器拓扑结构，主要包含功率开关管、储能电感、滤波电容及续流二极管。在控制系统设计上，PWM模块采用固定频率通过调节脉冲宽度来维持输出电压稳定，而PFM模块则通过改变开关周期频率来适应负载变化。系统的核心功能包括：实现闭环回路的PID参数自动调节；模拟电压模控制与电流模控制的不同动态反馈特性；在重载工况下测试P

详 情 说 明

开关电源PWM与PFM控制策略对比仿真分析项目

项目介绍

本项目是一个专门用于研究直流-直流（Buck）变换器控制策略的数值仿真分析系统。通过在MATLAB环境下构建精确的电路动态数学模型，项目深入对比了脉冲宽度调制（PWM）与脉冲频率调制（PFM）在不同负载工况下的工作特性。系统模拟了从24V直流输入到12V直流输出的转换过程，并重点探讨了在重载到轻载的剧烈切换过程中，两种控制算法对输出电压稳定性、电感电流纹波以及系统转换效率的影响。

功能特性

• 双模式控制器模拟：集成了基于PID调节的固定频率PWM控制器和基于恒定导通时间的脉冲频率PFM控制器。
• 动态负载响应：系统能够在仿真运行过程中实时切换负载电阻，模拟从重载（5Ω）到轻载（100Ω）的突变过程。
• 高精度动态建模：采用状态空间方程描述Buck变换器的物理特性，并考虑了电感的等效串联电阻（ESR）以及二极管的断续导通模式（DCM）。
• 性能评价指标体系：自动计算不同工况下的电压纹波、开关切换次数以及估算系统在轻载下的转换效率。
• 多维度结果可视化：通过波形图对比输出电压动态响应、电感电流连续性以及控制逻辑信号的细微差别。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件要求：建议 8GB RAM 以上，以便支持高采样率（10^7 Hz）的大规模数值计算。
• 必备工具箱：无需特殊工具箱，代码基于基础矩阵运算与逻辑控制实现。

实现逻辑与功能说明

该仿真程序的逻辑结构可以分为初始化、核心仿真循环、性能指标评估和结果可视化四个阶段，具体实现逻辑如下：

#### 1. 参数构建与初始化 程序首先定义了Buck变换器的核心硬件参数，包括24V输入电压、12V参考输出电压，以及电感（100μH）和电容（220μF）的具体数值。为了确保仿真的精细度，设置了极小的步长（0.1微秒）。

#### 2. PWM 控制算法实现 PWM部分采用了经典的比例-积分（PI）闭环控制。程序实时计算输出电压与参考值的误差，通过累积积分误差和比例反馈生成占空比信号。该信号经过0.01至0.95的限幅处理后，与固定频率（50kHz）的锯齿波进行比较，生成驱动开关管的矩形波脉冲。

#### 3. PFM 控制算法实现 PFM部分采用了恒定导通时间控制逻辑。当检测到输出电压低于参考电压时，系统触发一个固定宽度（5μs）的导通脉冲。程序内部维护了一个状态机，用于管理脉冲的激活状态以及最小截止时间，通过改变脉冲的疏密程度（频率）来调节能量输出，从而适应负载波动。

#### 4. 拓扑动力学求解 程序在每个仿真步长内调用动力学计算函数。该函数描述了Buck电路在开关管导通和关断两种状态下的微分方程。特别地，程序实现了对断续模式（DCM）的处理：当电感电流下降至零且开关管处于关断状态时，强制电流保持为零，真实模拟了续流二极管的单向导电性。

#### 5. 负载突变逻辑 仿真模拟了一个典型的电源应用场景：在25毫秒时刻，系统负载电阻从5欧姆突然增加到100欧姆。这一逻辑用于测试PWM在轻载下是否产生过大的开关损耗，以及PFM是否能通过降低触发频率来提升效率。

关键函数与技术细节分析

#### 动力学模型算法 系统采用了前向欧拉法（Forward Euler）对电路状态空间方程进行离散化求解。状态变量包括电感电流和输出电容电压。通过实时更新这两个变量的导数，能够精确捕捉由于开关动作引起的瞬态特征。

#### 损耗与效率模型 程序建立了一个简化的功率损耗评估模型。除了计算电感电阻引起的导通损耗（I^2 * R）外，还通过统计仿真全过程中逻辑信号的跳变密度，引入了开关损耗因子。这使得系统能够量化PFM在轻载下由于减少开关动作而带来的节能优势。

#### 纹波提取技术 程序通过对稳态区间（重载段与轻载段）的数据进行峰-峰值采样，自动提取出输出电压的纹波指标。这有助于直观分析PWM在固定频率下滤波容易与PFM在变频下纹波不规则之间的性能权衡。

#### 信号同步逻辑 为了在同一时间基准下对比两种模式，程序采用了双并行状态向量记录机制，确保在相同的输入条件和负载扰动下，两个控制器的表现具有可比性。

使用方法

1. 启动MATLAB软件并进入本项目的工作目录。
2. 在命令行窗口直接运行仿真主程序函数。
3. 程序将自动执行时长为50毫秒的仿真计算（此过程根据计算性能可能需要数秒）。
4. 仿真完成后，会自动弹出一个包含三个子图的分析窗口，展示电压、电流和控制脉冲的对比情况。
5. 在MATLAB命令行窗口查看自动生成的性能对比分析报告，重点对比两种模式下的电压纹波值和估算效率数据。