專利名稱：一種適用于電荷泵電路的平均模型及其建立方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電路分析和仿真領(lǐng)域，更具體的說，是涉及一種適用于Charge Pump (電荷泵)電路的平均模型及其建立方法。
背景技術(shù)：
Charge Pump (電荷泵)也稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”(flying)或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DC-DC (變換器)。在Charge Pump電路中電荷泵可以使輸入電壓升高或降低，也可以用于產(chǎn)生負電壓，并且，由于其內(nèi)部的FET開關(guān)陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，從而使輸入電壓以一定因數(shù)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調(diào)制過程可以保證高達80%的效率， 而且只需外接陶瓷電容。由于電路是開關(guān)工作的，電荷泵結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定的輸出紋波和 EMI (電磁干擾)?，F(xiàn)有技術(shù)中，對于與Charge Pump電路相關(guān)的數(shù)?；旌想娐分协h(huán)路的穩(wěn)定性分析和模擬，目前的仿真和分析手段多是采用可以被仿真環(huán)境支持的高級語言來實現(xiàn)，例如 MATLAB或VERIL0G-A等。但是，采用上述方法存在以下局限性其一，穩(wěn)定性分析通常需要通過高級語言描述的方式來建立行為級或頻域模型， 而高級語言的編譯或解釋必須可被軟件環(huán)境所支持，不能支持高級語言編譯或解釋的傳統(tǒng)仿真環(huán)境大多只能進行行為級的仿真分析，不能進行頻域分析，所以此種技術(shù)的應(yīng)用具有環(huán)境的依賴性。其二，時域內(nèi)的行為仿真和模擬與頻域內(nèi)的分析需建立不同的模型來解決，且應(yīng)用兩個不同模型產(chǎn)生的分析結(jié)果缺少一致性，即頻域內(nèi)的設(shè)計結(jié)果不能很好的反映到時域內(nèi)的行為上。其三，采用現(xiàn)有技術(shù)的方法搭建模型較復雜，且效率低。由上可知，采用現(xiàn)有技術(shù)中的方法，與Charge Pump電路相關(guān)的數(shù)?；旌想娐分协h(huán)路穩(wěn)定性分析和模擬缺少通用性和有效性，以及分析和建模的過程也相當復雜的問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種適用于Charge Pump電路的平均模型及其建立方法， 以克服現(xiàn)有技術(shù)中與Charge Pump電路相關(guān)的數(shù)?；旌想娐分协h(huán)路穩(wěn)定性分析和模擬缺少通用性和有效性，以及分析和建模過程較復雜的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案一種適用于Charge Pump電荷泵電路的平均模型建立方法，包括獲取預定時間范圍內(nèi)Charge Pump電路的輸入和輸出狀態(tài)變量；獲取所述Charge Pump電路的輸出電壓與平均輸入電壓的比值，所述比值為所述 Charge Pump電路的升壓比；分析并建立所述Charge Pump電路的平均輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系；
分析并建立所述Charge Pump電路的平均輸入電流和輸出負載電流之間的關(guān)系；依據(jù)上述獲取的所述關(guān)系，利用理想受控元件、直流電壓源和寄生電阻建立與所述Charge Pump電路對應(yīng)的平均模型。優(yōu)選的，所述在預定時間范圍內(nèi)設(shè)定所述電路的輸入和輸出狀態(tài)變量之前，包括確定電路中與Charge Pump電路相關(guān)的結(jié)構(gòu)和電路單元。優(yōu)選的，所述建立與所述Charge Pump電路對應(yīng)的平均模型之后，包括利用所述平均模型代替所述電路中的所述Charge Pump電路。優(yōu)選的，所述Charge Pump電路的平均輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系為所述輸出電壓為所述Charge Pump電路的平均輸入電壓乘以升壓比，再減去所述輸出負載電流通過寄生電阻時的電壓所獲取的值；所述寄生電阻與所述電路中功率開關(guān)和振蕩器頻率相關(guān)。優(yōu)選的，所述平均輸入電流和所述輸出負載電流之間的關(guān)系為所述平均輸入電流的值為所述輸出負載電流與所述升壓比的乘積。優(yōu)選的，所述理想受控元件為受控電壓源和受控電流源。優(yōu)選的，所述Charge Pump電路的升壓比取2。優(yōu)選的，所述Charge Pump電路的升壓比取4。一種適用于Charge Pump電荷泵電路的平均模型，包括第一受控電流源，兩端分別與所述第一受控電流源兩端連接的第一受控電壓源；一端與所述第一受控電壓源正極連接，另一端與第二受控電流源相連的寄生電阻；未連接所述寄生電阻的所述第二受控電流源的一端與所述第一受控電壓源負極連接；正極與連接所述寄生電阻的所述第二受控電流源一端相連的直流電壓源；一端與所述直流電壓源的負極連接的阻性負載，所述阻性負載的另一端與所述第二受控電流源未連接寄生電阻和直流電壓源的一端連接。優(yōu)選的，所述第一受控電壓源上的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為輸出電壓為兩倍的輸入電壓。經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開了一種適用于Charge Pump電路的平均模型及其建立方法，通過應(yīng)用狀態(tài)空間分析法推導輸入和輸出狀態(tài)變量的表達式，以及通過應(yīng)用仿真環(huán)境通用的線性理想元件建立Charge Pump電路的平均等效模型，即平均模型。在本發(fā)明中建立的該平均模型為一個時域和頻域通用的模型，在實際電路中可以利用該平均模型完成在頻域或時域的仿真分析工作，并且使時域行為和頻域特性具有較高的一致性，即通用性，并同時降低分析和建模過程的復雜程度。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)
4提供的附圖獲得其他的附圖。圖1為一個由Charge Pump電路構(gòu)成的升壓電路；圖2為本發(fā)明實施例公開的一種適用于Charge Pump電路的平均模型建立的方法流程圖；圖3為本發(fā)明實施例公開的一種適用于Charge Pump電路的平均模型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實施例公開的平均模型在實際電路中用來仿真時域行為和頻域特性的最終電路模型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了引用和清楚起見，下文中使用的技術(shù)名詞的說明、簡寫或縮寫總結(jié)如下Charge Pump 電荷泵；C 電容，單位庫侖(電量)；R 電阻，單位歐姆；Error AMP 誤差放大器或誤差電壓放大器；Oscillatory 振蕩器單元。下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。在本發(fā)明實施例中公開了一種適用于Charge Pump電路的平均模型及其建立方法，其中，在進行建模時，其建立模型的核心思想是通過應(yīng)用狀態(tài)空間分析法推導輸入和輸出狀態(tài)變量的表達式，再通過應(yīng)用仿真環(huán)境通用的線性理想元件建立Charge Pump電路的平均等效模型，即平均模型。建立的該平均模型為一個時域和頻域通用的模型，在實際電路中可以利用該平均模型完成在頻域或時域的仿真分析工作，并且使時域行為和頻域特性具有較高的一致性，即通用性，并同時降低分析和建模過程的復雜程度。具體的技術(shù)方案通過下面本發(fā)明公開的實施例進行詳細的說明。請參閱附圖1和附圖2，為本發(fā)明公開的一種適用于Charge Pump電路的平均模型建立相關(guān)的內(nèi)容以及具體的建立過程。圖1中是一個主要由Charge Pump電路單元(圖1中虛線框內(nèi)的部分)構(gòu)成的升壓電路。其中，Cin和Cott分別表示輸入和輸出去耦電容；COTP為實現(xiàn)升壓用的電容。Ql、Q2、Q3和Q4為功率開關(guān)，用于控制Cpump的沖放電過程。Rl、R2和Rload分別表示分壓電阻網(wǎng)絡(luò)和阻性輸出負載。運算放大器Error AMP，用于比較和放大該升壓電路中輸出電壓Vot反饋信號與參考電壓的差值，并利用其放大輸出來控制輸入電壓Vin與Charge Pump電路單元之間串接的可變電阻R,振蕩器單元Oscillator產(chǎn)生控制Ql Q4功率開關(guān)導通所需的時序控制信號(識1 和識2 )，并且時序控制信號的頻率為Fm。
由上述圖1中的描述可知與Charge Pump電路相關(guān)的結(jié)構(gòu)和電路單元中主要包括升壓用的電容Cotp、控制升壓用電容Cpump充放電過程的Ql Q4功率開關(guān)和輸出去耦電容COT。在上述所舉的電路原理的基礎(chǔ)上，請參閱附圖2，為本發(fā)明公開一種適用于Charge Pump電路的平均模型建立的方法流程圖，主要包括以下步驟步驟S101，確定電路中與Charge Pump電路相關(guān)的結(jié)構(gòu)和電路單元。在執(zhí)行步驟SlOl時，主要是要確定與Charge Pump電路相關(guān)的升壓用電容(例如， 圖1所舉例中的電容CPMP)，以及控制升壓用電容充放電的功率開關(guān)(例如，圖1所舉例中的功率開關(guān)Ql Q4)。步驟S102，獲取預定時間范圍內(nèi)表示平均意義的Charge Pump電路的輸入和輸出
狀態(tài)變量。在執(zhí)行步驟S102時，采用設(shè)定表示平均意義的電路輸入和輸出狀態(tài)變量，這里的平均意義是指電路在一個預定(固定)時間范圍內(nèi)物理量的平均值。例如，一個時鐘周期內(nèi)流入所述電路電流的算術(shù)平均值，或者，該預先設(shè)定的時間范圍也可以是包含有一個或多個Cotp的完整充放電周期。需要說明的是，上述步驟S102中的所述Charge Pump電路的輸入和輸出狀態(tài)變量平均值包括輸入/輸出電壓VIN/VQUT、輸入/輸出電流IIN/IQUT和流過阻性負載Rload的電流Iload0步驟S 103，確定所述Charge Pump電路的升壓比，所述升壓比為所述Charge Pump電路的輸出電壓與平均輸入電壓的比值。在執(zhí)行步驟S 103時，確定所述Charge Pump電路的升壓比，即獲取Charge Pump 電路的輸出電壓(例如，圖1所舉例中的輸出電壓Vott)與Charge Pump電路的的平均輸入電壓的比值。例如，在圖1所舉例中，即是獲取輸出電SVot與可變電阻Rm右端的平均輸入電壓V1的比值。在本發(fā)明所公開的實施例中，該比值D為2，為較佳的選值。但是，本發(fā)明關(guān)于該比值的具體數(shù)值并不僅限于此，根據(jù)Charge Pump電路的不同，該升壓比可能為3、4 或5等N倍的升壓值。步驟S104，分析并建立所述Charge Pump電路的平均輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系式，即所述輸出電壓為所述輸出電壓為所述ChargePump電路的平均輸入電壓乘以升壓比，再減去所述輸出負載電流通過寄生電阻時的電壓所獲取的值。在執(zhí)行步驟S104的過程中，采用圖1中的舉例，以及取較佳的所述Charge Pump 電路的升壓比值(為2)，可以得到步驟S104中的關(guān)系式(1)為Vout = 2V「2IloaA ；(1)式中的&表示與功率開關(guān)和振蕩器頻率相關(guān)的寄生電阻。步驟S105，分析并建立所述Charge Pump電路的平均輸入電流和輸出負載電流之間的關(guān)系，所述Charge Pump電路的平均輸入電流的值為所述輸出負載電流與所述Charge Pump電路的升壓比的乘積。同樣，在執(zhí)行步驟S105的過程中，采用圖1中的舉例，在該實施例中Charge Pump 電路的升壓比取2，所述平均輸入電流和所述輸出負載電流之間的關(guān)系用數(shù)學表達式O) 為Iin = 2Iload ；(2)
步驟S106，依據(jù)上述步驟S103至步驟S105中獲取的各類關(guān)系式，利用理想受控元件、直流電壓源和寄生電阻建立與所述Charge Pump電路對應(yīng)的平均模型，即所述平均模型可代替實際的Charge Pump電路進行仿真。在步驟S106中所利用的理想受控元件為受控電壓源和受控電流源，具體建立的平均模型，請參見附圖3。如圖3所示，理想受控元件之間的關(guān)系為E1為受控電流源，參考量為流過直流電壓源Vs的電流，大小為2IS。E2為受控電壓源，參考量為輸入電壓V1，且輸出電壓V2與V1的關(guān)系為式3 :V2 = 2V1Q(3)&為受控電流源，參考量為流過直流電壓源Vs的電流，大小為Is，而在該平均模型中直流電壓源Vs用于檢測流入負載的電流Iload。如圖3所示，本發(fā)明實施例公開的建模，即建立的平均模型的具體結(jié)構(gòu)為受控電流源E1 (第一受控電流源)的兩端分別與受控電壓源氏(第一受控電壓源) 的兩端連接；所述受控電壓源E2 (第一受控電壓源)的正極一端與電阻&(寄生電阻)的一端相連，所述電阻&(寄生電阻)的另一端與受控電流源&(第二受控電流源)相連；所述受控電壓源E2 (第一受控電壓源)的負極一端與所述受控電流源E3 (第二受控電流源) 未連接電阻&(寄生電阻)的一端連接；所述受控電流源&(第二受控電流源)與所述電阻&(寄生電阻)相連的一端同時與直流電壓源Vs的正極一端相連；所述直流電壓源Vs的負極一端與阻性負載Rload的一端相連，所述阻性負載Rload的另一端與所述受控電流源 E3(第二受控電流源)未連接電阻&(寄生電阻)和直流電壓源Vs的一端連接。需要說明的是，上述平均模型的具體結(jié)構(gòu)基于理想受控元件之間關(guān)系的作用，可以實現(xiàn)時域和頻域通用的模型，來完成在頻域或時域的仿真分析工作。在上述本發(fā)明公開的實施例的基礎(chǔ)上，將上述本發(fā)明實施例中公開的平均模型設(shè)置于實際電路中時，可以在完成對頻域或時域的仿真分析工作的基礎(chǔ)上，使時域行為和頻域特性具有較高的一致性即通用性，并且依據(jù)平均意義的電路輸入、輸出狀態(tài)變量，以及采用理想受控元件建立該平均模型，同時降低了進行分析和建模過程的復雜程度。請參閱附圖4，在圖1所舉例的基礎(chǔ)上，將上述建立的平均模型代入該實際的電路中，并同時去掉時鐘產(chǎn)生電路，即利用建立的平均模型代替實際Charge Pump的電路，可以得到用來仿真時域行為和頻域特性的最終電路模型。該最終電路模型的具體結(jié)構(gòu)為在圖1所述的電路圖的基礎(chǔ)上，使圖3中所示的平均模型代替圖1中虛線框中的電路。其中，圖3中的阻性負載Rload與圖1中的阻性負載 Rload為同一個，圖3中的受控電流源E1 (第一受控電流源)與受控電壓源E2 (第一受控電壓源)負極相連的一端接地，另一端則與圖1中的可變電阻Rw的右端相連。綜上所述在本發(fā)明實施例中進行建模時，其建立模型的核心思想是通過應(yīng)用狀態(tài)空間分析法推導輸入和輸出狀態(tài)變量的表達式，再通過應(yīng)用仿真環(huán)境通用的線性理想元件建立 Charge Pump電路的平均等效模型，即平均模型。建立的該平均模型為一個時域和頻域通用的模型，在實際電路中可以利用該平均模型完成在頻域或時域的仿真分析工作，并且使時域行為和頻域特性具有較高的一致性即通用性，并同時降低分析和建模過程的復雜程度。
本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種適用于Charge Pump電荷泵電路的平均模型建立方法，其特征在于，包括 獲取預定時間范圍內(nèi)Charge Pump電路的輸入和輸出狀態(tài)變量；獲取所述Charge Pump電路的輸出電壓與平均輸入電壓的比值，所述比值為所述 Charge Pump電路的升壓比；分析并建立所述Charge Pump電路的平均輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系； 分析并建立所述Charge Pump電路的平均輸入電流和輸出負載電流之間的關(guān)系； 依據(jù)上述獲取的所述關(guān)系，利用理想受控元件、直流電壓源和寄生電阻建立與所述 Charge Pump電路對應(yīng)的平均模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述在預定時間范圍內(nèi)設(shè)定所述電路的輸入和輸出狀態(tài)變量之前，包括確定電路中與Charge Pump電路相關(guān)的結(jié)構(gòu)和電路單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立與所述ChargePump電路對應(yīng)的平均模型之后，包括利用所述平均模型代替所述電路中的所述Charge Pump電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述ChargePump電路的平均輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系為所述輸出電壓為所述Charge Pump電路的平均輸入電壓乘以升壓比，再減去所述輸出負載電流通過寄生電阻時的電壓所獲取的值；所述寄生電阻與所述電路中功率開關(guān)和振蕩器頻率相關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述平均輸入電流和所述輸出負載電流之間的關(guān)系為所述平均輸入電流的值為所述輸出負載電流與所述升壓比的乘積。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述理想受控元件為受控電壓源和受控電流源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述ChargePump電路的升壓比取2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述ChargePump電路的升壓比取4。
9.一種適用于Charge Pump電荷泵電路的平均模型，其特征在于，包括第一受控電流源，兩端分別與所述第一受控電流源兩端連接的第一受控電壓源； 一端與所述第一受控電壓源正極連接，另一端與第二受控電流源相連的寄生電阻； 未連接所述寄生電阻的所述第二受控電流源的一端與所述第一受控電壓源負極連接；正極與連接所述寄生電阻的所述第二受控電流源一端相連的直流電壓源； 一端與所述直流電壓源的負極連接的阻性負載，所述阻性負載的另一端與所述第二受控電流源未連接寄生電阻和直流電壓源的一端連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的平均模型，其特征在于，所述第一受控電壓源上的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為輸出電壓為兩倍的輸入電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于Charge Pump電路的平均模型及其建立方法，在其建立模型的過程中，通過應(yīng)用狀態(tài)空間分析法推導輸入和輸出狀態(tài)變量的表達式，再通過應(yīng)用仿真環(huán)境通用的線性理想元件建立Charge Pump電路的平均等效模型，即獲取平均模型。通過本發(fā)明建立的平均模型為一個時域和頻域通用的模型，在實際電路中可以利用該平均模型完成在頻域或時域的仿真分析工作，并且使時域行為和頻域特性具有較高的一致性即通用性，并同時降低分析和建模過程的復雜程度。
文檔編號G06F17/50GK102542090SQ20101061243
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者賈云斌 申請人:聯(lián)芯科技有限公司