本发明公开了一种适用于Charge Pump电路的平均模型及其建立方法,在其建立模型的过程中,通过应用状态空间分析法推导输入和输出状态变量的表达式,再通过应用仿真环境通用的线性理想元件建立Charge Pump电路的平均等效模型,即获取平均模型。通过本发明建立的平均模型为一个时域和频域通用的模型,在实际电路中可以利用该平均模型完成在频域或时域的仿真分析工作,并且使时域行为和频域特性具有较高的一致性即通用性,并同时降低分析和建模过程的复杂程度。
1.一种适用于Chargexa0Pump电荷泵电路的平均模型建立方法,其特征在于,包括:获取预定时间范围内表示平均意义的Chargexa0Pump电路的输入和输出状态变量,所述输入和输出状态变量的平均值包括:输入和输出电压,输入和输出电流,以及输出负载电流;获取所述Chargexa0Pump电路的输出电压与平均输入电压的比值,所述比值为所述Chargexa0Pump电路的升压比;分析并建立所述Chargexa0Pump电路的平均输入电压与输出电压之间的关系;分析并建立所述Chargexa0Pump电路的平均输入电流和输出负载电流之间的关系;依据上述获取的所述关系,利用理想受控元件、直流电压源和寄生电阻建立与所述Chargexa0Pump电路对应的平均模型;利用所述平均模型代替所述电路中的所述Chargexa0Pump电路,并去掉所述电路中的时钟产生电路,以得到用来仿真时域行为和频域特性的电路模型;其中,所述Chargexa0Pump电路的平均输入电压与输出电压之间的关系为:所述输出电压为所述Chargexa0Pump电路的平均输入电压乘以升压比,再减去所述输出负载电流通过寄生电阻时的电压所获取的值;所述寄生电阻与所述电路中功率开关和振荡器频率相关。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述在获取预定时间范围内表示平均意义的Chargexa0Pump电路的输入和输出状态变量之前,包括:确定电路中与Chargexa0Pump电路相关的结构和电路单元。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述平均输入电流和所述输出负载电流之间的关系为:所述平均输入电流的值为所述输出负载电流与所述升压比的乘积。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述理想受控元件为受控电压源和受控电流源。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述Chargexa0Pump电路的升压比取2。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述Chargexa0Pump电路的升压比取4。
7.一种适用于Chargexa0Pump电荷泵电路的平均模型,其特征在于,包括:第一受控电流源,两端分别与所述第一受控电流源两端连接的第一受控电压源;一端与所述第一受控电压源正极连接,另一端与第二受控电流源相连的寄生电阻;未连接所述寄生电阻的所述第二受控电流源的一端与所述第一受控电压源负极连接;正极与连接所述寄生电阻的所述第二受控电流源一端相连的直流电压源;一端与所述直流电压源的负极连接的阻性负载,所述阻性负载的另一端与所述第二受控电流源未连接寄生电阻和直流电压源的一端连接。
8.根据权利要求7所述的平均模型,其特征在于,所述第一受控电压源上的输出电压与输入电压之间的关系为:输出电压为两倍的输入电压。技术领域
本发明涉及电路分析和仿真领域,更具体的说,是涉及一种适用于Chargexa0Pump(电荷泵)电路的平均模型及其建立方法。
背景技术
Chargexa0Pump(电荷泵)也称为开关电容式电压变换器,是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。在Chargexa0Pump电路中电荷泵可以使输入电压升高或降低,也可以用于产生负电压,并且,由于其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电,从而使输入电压以一定因数倍增或降低,从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80%的效率,而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的,电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI(电磁干扰)。现有技术中,对于与Chargexa0Pump电路相关的数模混合电路中环路的稳定性分析和模拟,目前的仿真和分析手段多是采用可以被仿真环境支持的高级语言来实现,例如MATLAB或VERILOG-A等。但是,采用上述方法存在以下局限性:其一,稳定性分析通常需要通过高级语言描述的方式来建立行为级或频域模型,而高级语言的编译或解释必须可被软件环境所支持,不能支持高级语言编译或解释的传统仿真环境大多只能进行行为级的仿真分析,不能进行频域分析,所以此种技术的应用具有环境的依赖性。其二,时域内的行为仿真和模拟与频域内的分析需建立不同的模型来解决,且应用两个不同模型产生的分析结果缺少一致性,即频域内的设计结果不能很好的反映到时域内的行为上。其三,采用现有技术的方法搭建模型较复杂,且效率低。由上可知,采用现有技术中的方法,与Chargexa0Pump电路相关的数模混合电路中环路稳定性分析和模拟缺少通用性和有效性,以及分析和建模的过程也相当复杂的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种适用于Chargexa0Pump电路的平均模型及其建立方法,以克服现有技术中与Chargexa0Pump电路相关的数模混合电路中环路稳定性分析和模拟缺少通用性和有效性,以及分析和建模过程较复杂的问题。为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种适用于Chargexa0Pump电荷泵电路的平均模型建立方法,包括:获取预定时间范围内Chargexa0Pump电路的输入和输出状态变量;获取所述Chargexa0Pump电路的输出电压与平均输入电压的比值,所述比值为所述Chargexa0Pump电路的升压比;分析并建立所述Chargexa0Pump电路的平均输入电压与输出电压之间的关系;分析并建立所述Chargexa0Pump电路的平均输入电流和输出负载电流之间的关系;依据上述获取的所述关系,利用理想受控元件、直流电压源和寄生电阻建立与所述Chargexa0Pump电路对应的平均模型。优选的,所述在预定时间范围内设定所述电路的输入和输出状态变量之前,包括:确定电路中与Chargexa0Pump电路相关的结构和电路单元。优选的,所述建立与所述Chargexa0Pump电路对应的平均模型之后,包括:利用所述平均模型代替所述电路中的所述Chargexa0Pump电路。优选的,所述Chargexa0Pump电路的平均输入电压与输出电压之间的关系为:所述输出电压为所述Chargexa0Pump电路的平均输入电压乘以升压比,再减去所述输出负载电流通过寄生电阻时的电压所获取的值;所述寄生电阻与所述电路中功率开关和振荡器频率相关。优选的,所述平均输入电流和所述输出负载电流之间的关系为:所述平均输入电流的值为所述输出负载电流与所述升压比的乘积。优选的,所述理想受控元件为受控电压源和受控电流源。优选的,所述Chargexa0Pump电路的升压比取2。优选的,所述Chargexa0Pump电路的升压比取4。一种适用于Chargexa0Pump电荷泵电路的平均模型,包括:第一受控电流源,两端分别与所述第一受控电流源两端连接的第一受控电压源;一端与所述第一受控电压源正极连接,另一端与第二受控电流源相连的寄生电阻;未连接所述寄生电阻的所述第二受控电流源的一端与所述第一受控电压源负极连接;正极与连接所述寄生电阻的所述第二受控电流源一端相连的直流电压源;一端与所述直流电压源的负极连接的阻性负载,所述阻性负载的另一端与所述第二受控电流源未连接寄生电阻和直流电压源的一端连接。优选的,所述第一受控电压源上的输出电压与输入电压之间的关系为:输出电压为两倍的输入电压。经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明公开了一种适用于Chargexa0Pump电路的平均模型及其建立方法,通过应用状态空间分析法推导输入和输出状态变量的表达式,以及通过应用仿真环境通用的线性理想元件建立Chargexa0Pump电路的平均等效模型,即平均模型。在本发明中建立的该平均模型为一个时域和频域通用的模型,在实际电路中可以利用该平均模型完成在频域或时域的仿真分析工作,并且使时域行为和频域特性具有较高的一致性,即通用性,并同时降低分析和建模过程的复杂程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为一个由Chargexa0Pump电路构成的升压电路;图2为本发明实施例公开的一种适用于Chargexa0Pump电路的平均模型建立的方法流程图;图3为本发明实施例公开的一种适用于Chargexa0Pump电路的平均模型的结构示意图;图4为本发明实施例公开的平均模型在实际电路中用来仿真时域行为和频域特性的最终电路模型结构示意图。
具体实施方式
为了引用和清楚起见,下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下:Chargexa0Pump:电荷泵;C:电容,单位:库仑(电量);R:电阻,单位:欧姆;Errorxa0AMP:误差放大器或误差电压放大器;Oscillatory:振荡器单元。下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。在本发明实施例中公开了一种适用于Chargexa0Pump电路的平均模型及其建立方法,其中,在进行建模时,其建立模型的核心思想是通过应用状态空间分析法推导输入和输出状态变量的表达式,再通过应用仿真环境通用的线性理想元件建立Chargexa0Pump电路的平均等效模型,即平均模型。建立的该平均模型为一个时域和频域通用的模型,在实际电路中可以利用该平均模型完成在频域或时域的仿真分析工作,并且使时域行为和频域特性具有较高的一致性,即通用性,并同时降低分析和建模过程的复杂程度。具体的技术方案通过下面本发明公开的实施例进行详细的说明。请参阅附图1和附图2,为本发明公开的一种适用于Chargexa0Pump电路的平均模型建立相关的内容以及具体的建立过程。图1中是一个主要由Chargexa0Pump电路单元(图1中虚线框内的部分)构成的升压电路。其中,C_IN和C_OUT分别表示输入和输出去耦电容;C_PUMP为实现升压用的电容。Q1、Q2、Q3和Q4为功率开关,用于控制C_PUMP的冲放电过程。R1、R2和Rload分别表示分压电阻网络和阻性输出负载。运算放大器Errorxa0AMP,用于比较和放大该升压电路中输出电压V_OUT反馈信号与参考电压V_ref的差值,并利用其放大输出来控制输入电压V_IN与Chargexa0Pump电路单元之间串接的可变电阻R_ON。振荡器单元Oscillator产生控制Q1~Q4功率开关导通所需的时序控制信号(ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="61"/>和ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="65"/>),并且时序控制信号的频率为F_OSC。由上述图1中的描述可知:与Chargexa0Pump电路相关的结构和电路单元中主要包括:升压用的电容C_PUMP、控制升压用电容C_PUMP充放电过程的Q1~Q4功率开关和输出去耦电容C_OUT。在上述所举的电路原理的基础上,请参阅附图2,为本发明公开一种适用于Chargexa0Pump电路的平均模型建立的方法流程图,主要包括以下步骤:步骤S101,确定电路中与Chargexa0Pump电路相关的结构和电路单元。在执行步骤S101时,主要是要确定与Chargexa0Pump电路相关的升压用电容(例如,图1所举例中的电容C_PUMP),以及控制升压用电容充放电的功率开关(例如,图1所举例中的功率开关Q1~Q4)。步骤S102,获取预定时间范围内表示平均意义的Chargexa0Pump电路的输入和输出状态变量。在执行步骤S102时,采用设定表示平均意义的电路输入和输出状态变量,这里的平均意义是指电路在一个预定(固定)时间范围内物理量的平均值。例如,一个时钟周期内流入所述电路电流的算术平均值,或者,该预先设定的时间范围也可以是包含有一个或多个C_PUMP的完整充放电周期。需要说明的是,上述步骤S102中的所述Chargexa0Pump电路的输入和输出状态变量平均值包括:输入/输出电压:V_IN/V_OUT、输入/输出电流:I_IN/I_OUT和流过阻性负载Rload的电流Iload。步骤Sxa0103,确定所述Chargexa0Pump电路的升压比,所述升压比为所述Chargexa0Pump电路的输出电压与平均输入电压的比值。在执行步骤Sxa0103时,确定所述Chargexa0Pump电路的升压比,即获取Chargexa0Pump电路的输出电压(例如,图1所举例中的输出电压V_OUT)与Chargexa0Pump电路的的平均输入电压的比值。例如,在图1所举例中,即是获取输出电压V_OUT与可变电阻R_ON右端的平均输入电压V₁的比值。在本发明所公开的实施例中,该比值D为2,为较佳的选值。但是,本发明关于该比值的具体数值并不仅限于此,根据Chargexa0Pump电路的不同,该升压比可能为3、4或5等N倍的升压值。步骤S104,分析并建立所述Chargexa0Pump电路的平均输入电压与输出电压之间的关系式,即所述输出电压为:所述输出电压为所述ChargePump电路的平均输入电压乘以升压比,再减去所述输出负载电流通过寄生电阻时的电压所获取的值。在执行步骤S104的过程中,采用图1中的举例,以及取较佳的所述Chargexa0Pump电路的升压比值(为2),可以得到步骤S104中的关系式(1)为:V_OUT=2V₁-2I_LOADR_P;xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(1)式中的R_P表示与功率开关和振荡器频率相关的寄生电阻。步骤S105,分析并建立所述Chargexa0Pump电路的平均输入电流和输出负载电流之间的关系,所述Chargexa0Pump电路的平均输入电流的值为所述输出负载电流与所述Chargexa0Pump电路的升压比的乘积。同样,在执行步骤S105的过程中,采用图1中的举例,在该实施例中Chargexa0Pump电路的升压比取2,所述平均输入电流和所述输出负载电流之间的关系用数学表达式(2)为:I_IN=2I_LOAD;xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(2)步骤S106,依据上述步骤S103至步骤S105中获取的各类关系式,利用理想受控元件、直流电压源和寄生电阻建立与所述Chargexa0Pump电路对应的平均模型,即所述平均模型可代替实际的Chargexa0Pump电路进行仿真。在步骤S106中所利用的理想受控元件为受控电压源和受控电流源,具体建立的平均模型,请参见附图3。如图3所示,理想受控元件之间的关系为:E₁为受控电流源,参考量为流过直流电压源V_S的电流,大小为2I_S。E₂为受控电压源,参考量为输入电压V₁,且输出电压V₂与V₁的关系为式3:V₂=2V₁。xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(3)E₃为受控电流源,参考量为流过直流电压源V_S的电流,大小为I_S,而在该平均模型中直流电压源V_S用于检测流入负载的电流Iload。如图3所示,本发明实施例公开的建模,即建立的平均模型的具体结构为:受控电流源E₁(第一受控电流源)的两端分别与受控电压源E₂(第一受控电压源)的两端连接;所述受控电压源E₂(第一受控电压源)的正极一端与电阻R_P(寄生电阻)的一端相连,所述电阻R_P(寄生电阻)的另一端与受控电流源E₃(第二受控电流源)相连;所述受控电压源E₂(第一受控电压源)的负极一端与所述受控电流源E₃(第二受控电流源)未连接电阻R_P(寄生电阻)的一端连接;所述受控电流源E₃(第二受控电流源)与所述电阻R_P(寄生电阻)相连的一端同时与直流电压源V_S的正极一端相连;所述直流电压源V_S的负极一端与阻性负载Rload的一端相连,所述阻性负载Rload的另一端与所述受控电流源E₃(第二受控电流源)未连接电阻R_P(寄生电阻)和直流电压源V_S的一端连接。需要说明的是,上述平均模型的具体结构基于理想受控元件之间关系的作用,可以实现时域和频域通用的模型,来完成在频域或时域的仿真分析工作。在上述本发明公开的实施例的基础上,将上述本发明实施例中公开的平均模型设置于实际电路中时,可以在完成对频域或时域的仿真分析工作的基础上,使时域行为和频域特性具有较高的一致性即通用性,并且依据平均意义的电路输入、输出状态变量,以及采用理想受控元件建立该平均模型,同时降低了进行分析和建模过程的复杂程度。请参阅附图4,在图1所举例的基础上,将上述建立的平均模型代入该实际的电路中,并同时去掉时钟产生电路,即利用建立的平均模型代替实际Chargexa0Pump的电路,可以得到用来仿真时域行为和频域特性的最终电路模型。该最终电路模型的具体结构为:在图1所述的电路图的基础上,使图3中所示的平均模型代替图1中虚线框中的电路。其中,图3中的阻性负载Rload与图1中的阻性负载Rload为同一个,图3中的受控电流源E₁(第一受控电流源)与受控电压源E₂(第一受控电压源)负极相连的一端接地,另一端则与图1中的可变电阻R_ON的右端相连。综上所述:在本发明实施例中进行建模时,其建立模型的核心思想是通过应用状态空间分析法推导输入和输出状态变量的表达式,再通过应用仿真环境通用的线性理想元件建立Chargexa0Pump电路的平均等效模型,即平均模型。建立的该平均模型为一个时域和频域通用的模型,在实际电路中可以利用该平均模型完成在频域或时域的仿真分析工作,并且使时域行为和频域特性具有较高的一致性即通用性,并同时降低分析和建模过程的复杂程度。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。