DE102004002371A1

DE102004002371A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Simulation eines elektronischen Schaltungsnetzwerks

Info

Publication number: DE102004002371A1
Application number: DE200410002371
Authority: DE
Inventors: Christian Meise
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2004-08-05

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Simulation eines elektronischen Schaltungsnetzwerks (2), insbesondere zur Simulation eines Schaltungsnetzwerks (2) einer analogen Leistungselektronik für ein Fahrzeug, vorgesehen, bei dem das Schaltungsnetzwerk (2) partiell linearisiert wird, indem für das Schaltungsnetzwerk (2) in Abhängigkeit von der Gesamtheit aller das Schaltungsnetzwerk (2) repräsentierenden Schaltzustände (S0, S1) eine entsprechende Anzahl von linearen umschaltbaren Teilnetzwerken (T0, T1) ermittelt wird, anhand derer für das Schaltungsnetzwerk (2) mittels Permutation aller Schaltzustände (S0, S1) der linearen umschaltbaren Teilnetzwerke (T0, T1) ein vollständiger Satz von Schaltungslösungen automatisch bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Simulation eines elektronischen Schaltungsnetzwerks, insbesondere eines Schaltungsnetzwerks einer analogen Leistungselektronik, z. B. eines Motor- oder Batterie-Steuergeräts für ein Fahrzeug.
Es ist bekannt, zur numerischen Simulation von analogen elektronischen Schaltungsnetzwerken Simulationsprogramme, wie etwa SPICE (= Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) oder SABER (= PC- oder Workstationprogramm als Programm zur Simulation einer integrierten Schaltung auf Basis eines SPICE-ähnlichen Verfahrens) einzusetzen. Ziel dieser auf Mikrocomputern lauffähigen Simulationsprogramme (auch Simulatoren genannt) ist es, den Zustand eines anlogen Schaltungsnetzwerks zu in der Zukunft liegenden Zeitpunkten zu berechnen. Bei der Verwendung von solchen auch als Analogsimulatoren bezeichneten Simulatoren werden zur Simulation des Schaltungsnetzwerks in der Regel zumindest für einen Teil der einzelnen Maschen oder Knoten des zu simulierenden Schaltungsnetzwerks nichtlineare Differentialgleichungen (kurz DGL genannt) aufgestellt, die zur Laufzeit des Simulators gelöst werden.
Ein Problem ergibt sich dabei, wenn eine Kopplung mehrer Maschen oder Knoten während der Berechnung einer vorgegebenen Masche zu berücksichtigen ist. Hierzu wird beispielsweise eine laufzeitabhängige Lösung der Differentialgleichungen durch numerische Integration in verhältnismäßig kleinen Zeitschritten ausgeführt. Diese Methode ist jedoch ausgesprochen rechenintensiv.
Mit anderen Worten: Will man auf den aufwendigen und kostenintensiven Aufbau von Hardware-Prototypen verzichten und die Entwicklung auf simulationsbasierenden Verfahren (= Virtual Prototyping) durchführen, so stellt man recht schnell fest, dass herkömmliche Simulatoren für analoge oder hybride (= analoge/digitale) Systeme zu langsam sind, um eine komplette Produktentwicklung auf ihnen durchführen zu können. So benötigt man für die Simulation eines elektronischen Reglers für ein zwei Sekunden dauerndes Bremsmanöver circa 35 Tage Rechenzeit, wobei die Simulation auf Transistorlevel (analog) und RTL-Level (digital) durchgeführt wurde. Eine derartige zeitintensive Simulation ist für viele technische Anwendungsfälle, z. B. für die Simulation eines Schaltungsnetzwerks einer analogen Leistungselektronik für Kraftfahrzeuge, zu kosten- und rechenintensiv.
Des Weiteren sind zur Simulation von digitalen Netzwerken Simulationsverfahren bekannt, die nach dem Prinzip der schaltenden Niveaus (= Switch-Level) arbeiten. Bei dieser Art der Simulation, wie sie beispielsweise in der Doktorarbeit „Piecewise Linear Models for Switch-Level Simulation, Rusell Kao, Western Research Laboratory, 250 University Avenue, Palo Alto, California, 94301 USA, September 1992 beschrieben ist, wird eine Aufteilung des zu simulierenden digitalen Gesamt-Netzwerks in kleinere, getrennt simulierbare Teilnetzwerke (auch Maschen genannt) vorgenommen, die ein oder mehrere elektronische Bauelemente enthalten können. Be kannte „Switch-Level„-Simulatoren sind jedoch zur Simulation von analogen Schaltungen, insbesondere von nichtlinearen Schaltungen, die Spulen umfassen, nicht ohne weiteres einsetzbar.
Aus der DE-A-101 062 47 ist ein Verfahren bekannt, welches das Prinzip der „Switch-Level„-Simulation auch für analoge Schaltungen einsetzbar macht. Im Vergleich zu den weiter oben erwähnten analogen Simulatoren wird eine verringerte Anzahl von Berechnungsschritten zur Simulation benötigt. Der Grad der Übereinstimmung des Modells mit der zu simulierenden Schaltung ist dabei praktisch nicht ver-ringert.
Das bekannte Verfahren ist zur Simulation von numerischen Verfahren elektronischer Schaltungsnetzwerke, insbesondere Schaltungsnetzwerken in einer analogen Leistungselektronik für Kraftfahrzeuge, vorgesehen. Die vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, das aus der DE-A-101 062 47 bekannte Verfahren noch weiter zu verbessern und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt anzugeben.
Die bezüglich des Verfahrens gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei wird zur Simulation eines elektronischen Schaltungsnetzwerks, insbesondere zur Simulation eines Schaltungsnetzwerks einer analogen Leistungselektronik für ein Fahrzeug, das Schaltungsnetzwerk partiell linearisiert, indem für das Schaltungsnetzwerk in Abhängigkeit von der Gesamtheit aller das Schaltungsnetzwerk repräsentierenden Schaltzustände eine entsprechende Anzahl von linearen umschaltbaren Teilnetzwerken ermittelt und ggf. generiert wird, anhand derer für das Schaltungsnetzwerk mittels Permutation aller möglichen Schaltzustände der linearen umschaltbaren Teilnetzwerke ein vollständiger Satz von Schaltungslösungen bestimmt wird.
Mit anderen Worten: Entsprechend dem bekannten Verfahren wird mittels eines Rechenwerks ein elektronisches Schaltungsnetzwerk in Teilnetzwerke und/oder elektrische Komponenten eingeteilt und jedes Teilnetzwerk und/oder jede elektrische Komponente getrennt simuliert. Dabei wird mindestens ein Teilnetzwerk und/oder eine elektrische Komponente mittels einer oder mehrerer linearer oder nichtlinearer Differentialgleichungen simuliert, wobei die Differentialgleichungen explizit gelöst und parametri-sierbar sind. Unter Teilnetzwerk (auch Masche genannt) und/oder elektrischer Komponente wird insbesondere ein das Teilnetzwerk bzw. die elektrische Komponente repräsentieren-des Ersatzschaltbild verstanden.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird angenommen, dass bei der Berechnung des jeweiligen simulierten Teilnetzwerks während des Schaltens einer Spule bzw. eines Kondensators in der Regel genau ein treibender Pfad zu einer Strom-/Spannungsquelle aktiv ist.
Die vorliegende Erfindung löst sich von diesem Ansatz und gibt ein Verfahren an, mit dem anhand aller möglichen Schaltzustände alle durch die umschaltbaren Teilnetzwerke vorgegebenen Schaltungslösungen zunächst durch Permutation vollständig berechnet werden. Während der Simulation werden dann die ermittelten Schaltungslösungen unter Berücksichtiqung der zugehörigen aktueller. Schalt- oder Signalzustände des Schaltungsnetzwerks verwendet. Das heißt, die Simulation des Schaltungsnetzwerks wird in Abhängigkeit des jeweiligen Schaltzustandes des zugehörigen Teilnetzwerks simuliert.
Das hier beschriebene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung dienen zur Erstellung von Verhaltens- oder Schaltfunktionsmodellen für eine Elektronik, insbesondere für eine Leistungselektronik gemäß dem Prinzip des „Virtual Prototypings„, welche auf einem speziellen Simulator in Form eines Computerprogrammprodukts simuliert werden.
Zur Simulation der Leistungselektronik wird das betreffende analoge Schaltungsnetzwerk in Form eines allgemein üblichen Schaltplans oder eines elektronischen Schaltungsnetzwerks vorgegeben.
Bei. der Nachbildung oder Simulation des analogen Schaltungsnetzwerks, insbesondere bei einer abstrakten Nachbildung oder Simulation ist darauf zu achten, dass die so genannte Abstraktionsabweichung (auch „Gap of Abstraction„ genannt) nicht zum Verlust von systemrelevanten Eigenschaften führt. Zur Auslegung einer einzelnen analogen Schaltung oder eines analogen Schaltungsnetzwerks wird vorzugsweise nach einer abgeschlossenen Dimensionierungsphase ein Modell des betreffenden Schaltungsnetzwerks anhand von Teilnetzwerken automatisch generiert, welches anschließend für eine schnelle Simulation auf der Ebene des Schaltungsnetzwerks (auch Systemebene genannt) verwendet wird.
Zur Vereinfachung des zu simulierenden Schaltungsnetzwerks für eine schnelle Simulation werden für den Fall, dass das Schaltungsnetzwerk ein nichtlineares Teilnetzwerk umfasst, für dieses wiederum lineare umschaltbare Teilnetzwerke er mittelt, wobei mittels Permutation aller möglichen Schaltzustände der linearen umschaltbaren Teilnetzwerke ein vollständiger Satz von Schaltungslösungen für das nichtlineare Teilnetzwerk automatisch bestimmt wird. Mit anderen Worten: Je nach Grad der Komplexität sowie Art des analogen Schaltungsnetzwerks und der dieses beschreibenden Teilnetzwerke werden das analoge Schaltungsnetzwerk und ebenso die Teilnetzwerke linearisiert, indem nichtlineare Komponenten des Schaltungsnetzwerks oder der Teilnetzwerke anhand der zugrunde liegenden Kombination von Schaltzuständen beschrieben und modelliert werden. Vorteilhafterweise wird zur Modellierung der Teilnetzwerke aus einem vorherigen Schaltzustand automatisch durch Permutation ein nachfolgender Schaltzustand bestimmt. Dabei kann der nachfolgende Schaltzustand ein das selbe Teilnetzwerk repräsentierender Schaltzuzstand oder ein Schaltzustand eines anderen, z. B. verknüpften Teilnetzwerks sein.
Zweckmäßigerweise wird dabei ein dem linearen Teilnetzwerk zugrunde liegender diskreter Schaltzustand anhand einer linearen Differentialgleichung und einer Übertragungsfunktion auatomatisch bestimmt. Beispielsweise wird ein Zustandsübergang von einem Schaltzustand eines der Teilnetzwerke in einen anderen Schaltzustand eines anderen Teilnetzwerks anhand der Null- und/oder Polstellenlösung der Übertragungsfunktion bestimmt. Des Weiteren wird ein dem Zustandsübergang zugrunde liegender Übergangszeitpunkt ta bestimmt. Alternativ oder zusätzlich wird der Übergangszeitpunkt durch ein externes Ereignis ausgelöst.
In einer einfachen Ausführungsform wird jedes Teilnetzwerk separat bestimmt und insbesondere anhand der zugehörigen Schaltzustände gelöst. Zweckmäßigerweise wird das jeweilige lineare Teilnetzwerk anhand einer vorgegebenen Anzahl von elektrischen Grundbauelementen, insbesondere Spule, Kondensator, Widerstand und Diode, bestimmt. Diese anhand von elektrischen Grundbauelementen beschriebenen Teilnetzwerke sind vorzugsweise als Standard-Teilnetzwerke hinterlegt. Für eine Vereinfachung und insbesondere für eine schnelle Simulation des analogen Schaltungsnetzwerks wird das momentan zu bestimmende Teilnetzwerk als Standard-Teilnetzwerk identifiziert und bei der Simulation berücksichtigt. Für den Fall, dass als Teilnetzwerke des analogen Schaltungsnetzwerks Standard-Teilnetzwerke verwendet werden, kann das Schaltungsnetzwerk automatisch anhand der für diese Standard-Teilnetzwerke bereits vorhandenen Modelle simuliert werden.
Das beschriebene Simulationsverfahren (auch BeCom-System genannt, mit BeCom = Behavior Component Level zur Erstellung von Verhaltensmodellen einer elektronischen Schaltung), welches als ein Simulationsprogramm in einem Simulator (auch BeCom-Sim genannt, mit BeCom = Behavior Component Level und Sim = Simulator) implementiert ist, ermöglicht den Aufbau eines alternativen Entwurfsprozesses, der in den Punkten Zeitaufwand, Entwicklungskosten, Qualität gegenüber bekannten Hardware-Entwicklungsverfahren verbessert ist, indem der aufwendige Hardware-Testaufbau eines komplexen analogen Schaltungsnetzwerks ersetzt wird durch eine Simulation und einen virtuellen Aufbau.
Das Verfahren ermöglicht die Entwicklung von Schaltkreisen nach einem optimierten Entwicklungsprozess beispielsweise mit folgenden Schritten:

1. Konzeptionierung des analogen Schaltungsnetzwerks oder Systems;
2. Partitionierung in einzelne vorgebbare Teilnetzwerke oder Module;
3. Dimensionierung der einzelnen Teilnetzwerke oder Module aufgrund von Expertenwissen; – Ggf. Beweis der Funktionalität und Auslegung durch Simulation der einzelnen Teilnetzwerke oder Module mit konventioneller Simulationstechnologie;
4. Generierung von schnellen Simulationsmodellen auf Basis der vorgegebenen oder richtig dimensionierten Teilnetzwerke oder Module;
5. Aufbau einer virtuellen Testschaltung anhand eines selbsttestenden Programms oder Suite, basierend auf einem virtuellen Prototypen (= „Virtual Prototype„);
6. Beweis der Funktionalität und Auslegung durch Simulation des dynamischen Verhaltens der verknüpften oder interagierenden Teilnetzwerke oder Module auf Systemebene (= Ebene des analogen Schaltungsnetzwerks).
7. Test, ob Freigabe der Parametrisierung und des Aufbaus des analogen Schaltungsnetzwerks, z. B. eines integrierten Schaltkreises (= Ics) aufgrund der Simulation erfolgen kann;
8. Bei Nichtfreigabe: Änderung des Verhaltens oder der Parametrisierung der Teilnetzwerke oder des analogen Schaltungsnetzwerks, wobei identifizierte Fehler behoben werden und nochmalige Durchführung des Verfahrens ab Schritt 3.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass, um den Anforderungen einer modernen Produktentwicklung gerecht zu werden, in der immer komplexere Schaltungsnetzwerke in immer kürzeren Entwicklungszeiten mit immer höherer Qualität entwickelt werden, sequentielle Prozesse parallelisiert werden. Insbesondere werden durch die Simulation des Hardware-Aufbaus eines analogen Schaltungsnetzwerks durch Linearisierung und Bestimmung sämtlicher Schaltungslösungen von linearen umschaltbaren Teilnetzwerken eine zeitaufwendige Anfertigung von Hardware und zeitaufwendige, nichtreplizierbare Messreihen vermieden.
Bei der heutigen Komplexität von elektronischen Schaltungen und den immer kürzeren Entwicklungszeiten werden durch eine simulationsbasierte Entwicklung der elektronischen Schaltung gegenüber dem noch gebräuchlichen Aufbau von hardwarebasierenden Prototypen die Produktentwicklungszeiten deutlich gesenkt, wobei die Produktqualität gleichzeitig gesteigert wird. Daraus resultiert eine deutliche Senkung der Entwicklungskosten.
Durch die Verwendung von Simulatoren kann der Aufbau von Hardwaremustern vermieden werden. So kann in erheblich kürzerer Zeit ein virtueller Prototyp für eine integrierte Schaltung oder für ein elektronisches Steuergerät erstellt werden. Dieser virtuelle Prototyp wird als Basis für die Softwareentwicklung herangezogen. Dies führt zu einer Parallelisierung der Entwurfsprozesse zwischen Hardware- und Softwareentwicklung und somit zu einer deutlichen Zeitersparnis.
Weiterhin lassen sich Simulationsszenarien in der Regel replizieren. So lässt sich auf einfache Art ein Programm oder eine Suite aufbauen, in der verschiedene Tests auf einer kompletten virtuellen Schaltung durchgeführt werden. An schließend werden die Ergebnisse der Simulation mit den Erwartungswerten verglichen. Dieses Verfahren ist Bestandteil des Entwurfsprozesses und führt zu einer erheblichen Steigerung der späteren Produktqualität und somit zur Senkung der Entwicklungskosten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1a bis 1d schematisch ein Funktionsdiagramm, eine analoge Schaltung sowie zugehörige Teilnetzwerke für verschiedene Schaltzustände einer Diode,
2 schematisch die Permutation der Schaltzustände der Teilnetzwerke für die Diode gemäß 1c und 1d,
Fig. 3 ein Zeitdiagramm der verschiedenen Schaltzustände der Diode,
4 schematisch den Algorithmus zur Bestimmung des Zeitpunkts eines Zustandsübergangs von einem Schaltzustand eines Teilnetzwerks in den Schaltzustand eines anderen Teilnetzwerks, und
5 schematisch ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Simulation eines analogen Schaltungsnetzwerks.
Eeinander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1a bis 1d zeigen anhand eines Beispiels für eine elektronische Komponente 1 die Simulation eines analogen oder elektronischen Schaltungsnetzwerks 2. Unter analogem Schaltungsnetzwerk 2 wird eine analoge Schaltung mit mindestens einer elektronischen Komponente 1 verstanden, welche ggf. Nichtlinearitäten im Schaltverhalten aufweisen, dem Schalten, Überwachen sowie Einstellen von Strom und Spannung dienen und/oder Energie speichern können, etc.
Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren zur Simulation des elektronischen oder analogen Schaltungsnetzwerks 2 werden elektrische Grundbauelemente G verwendet, die beispielsweise als schaltende und nicht schaltende Elemente sowie als Elemente ausgebildet sind, die Energie speichern können oder nicht. Diese Grundbauelemente G weisen ein nichtlineares Verhalten auf. Dabei sind die jeweiligen Bauteileigenschaften von der zugrunde liegenden Technologie abhängig. Die Grundelemente G für eine Leistungselektronik umfassen beispielsweise folgende elektrische Komponenten 1: Tabelle 1
Um das elektronische Schaltungsnetzwerk 2 oder die elektronische Schaltung zu abstrahieren und zu modellieren, werden die Nichtlinearitäten des Schaltungsnetzwerks 2 abschnittsweise oder partiell linear beschrieben und ausgegeben. Dabei werden die Bereiche um die jeweiligen Arbeitspunkte der Grundbauelemente G linearisiert. Diese Methode ist unter dem Namen „Piecewise Linear„ (kurz PWL genannt) bekannt. Ein klassischer Einsatzpunkt dieses Verfahrens sind Linearisierungen von Schaltungen der Nachrichtentechnik, wie z. B. Verstärkerschaltungen. Diese linearisierten Schaltungen können dann auf herkömmlichen, an sich bekannten Simula-toren wie Saber und Spice berechnet werden. Es zeigt sich in der Praxis, dass der resultierende Geschwindigkeitsgewinn in dieser Kombination allerdings nicht besonders groß ist. Daher wird beim vorliegenden Verfahren zur Vereinfachung der Simulation zusätzlich zur abschnittsweisen Linearisierung der Arbeitspunkte des jeweiligen Grundbauelements G ein diesem zugrunde liegender Schaltungspfad, d. h. der Übergang von einem Schaltzustand S0 in einen anderen Schaltzustand S1, herangezogen.
Am Beispiel eines als Diode D ausgebildeten Grundbauelements G wird nachfolgend das Simulationsverfahren näher beschrieben. 1a zeigt die Funktion f(D) einer Diode D anhand einer Strom-Spannungs-Kennlinie, wobei für die Simulation die betreffenden Schaltzustände S0 (= „nicht leitend„) und S1 (= „leitend„) der Diode D berücksichtigt werden. 1b zeigt, als elektronisches Schaltungsnetzwerk 2 eine einfache Dindenschaltung, die durch zwei Schaltzustände S0 und S1 gemäß, Fig. 1c bzw. 1d anhand zugehöriger Ersatzschaltungen oder Teilnetzwerke T0 bzw. T1 beschreiben wird. Das Schaltungsnetzwerk 2 umfasst die Bauteile oder Komponenten 1 (auch Bauelemente genannt), die anhand von Kanten oder Linien L schaltungstechnisch verbunden sind.
In einer möglichen Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass der Kondensator C für t < 0 entladen ist und für t >= 0 mit einem Rechteckgenerator 4 beschaltet wird.
Im ersten Schaltungszustand S0 gemäß 1c, wenn die Diode D nicht leitend ist, sind nur der linke Widerstand R1 und der Kondensator C aktiv. Ab dem Zeitpunkt, wenn die Spannung über dem Kondensator C größer oder gleich der Schwellspannung Ud ist, wird der zweite Widerstand R1 aktiv. Das analoge Schaltungsnetzwerk 2 oder die Schaltung nach 1b zerfällt somit durch die schaltende Funktion der Diode D in die zwei Ersatzschaltungen oder Teilnetzwerke T0 und T1 gemäß der 1c bzw. 1d.
Dieses einfache Beispiel für ein elektronisches Schaltungsnetzwerk 2 mit den linearen Teilnetzwerken T0 und T1 wird, wie in 2 dargestellt, anhand der Schaltzustände S0 und S1 mittels Permutation der Schaltzustände S0 und S1 ein vollständiger Satz von Schaltungslösungen in Form einer Systemfunktion bestimmt. Der vollständige Satz von Schaltungslösungen beschreibt einen so genannten hybriden Automaten, welcher das Verhalten des Schaltungsnetzwerks 2 in den zwei diskreten Schaltungszuständen S = {s0, s1} durch lineare Differentialgleichungen (kurz DGL genannt) und anhand der Übertragungsfunktion H0(s), H1(s) näher beschreibt.
Selbstverständlich können auch Komponenten 1, Teilnetzwerke T0, T1 oder. Systeme mit mehreren Ein- und Ausgängen betrachtet. werden; hier werden zunächst nur Komponenten 1, Teilnetzwerke T0, T1 oder Systeme mit einem Ein- bzw. Ausgang betrachtet. Jede Kante K des hybriden Automaten ist mit einer Wechselbedingung, beispielsweise mit einem ersten Zustandsübergang Z0 mit Uc < Ud vom Schaltzustand S1 in den Schaltzustand S0 der Diode D bzw. mit einem zweiten Zustandsübergang Z1 mit Uc >= Ud von einem Schaltzustand S0 in den anderen Schaltzustand S1 assoziiert. Eine Wechselbedingung ist eine Ungleichung, bei deren Erfüllung der diskrete Schaltzustand S0 oder S1 entsprechend der Kante K gewechselt wird.
Zur Simulation, insbesondere zur abschnittsweisen Simulation der ermittelten linearen Teilnetzwerke T0, T1 für das analoge Schaltungsnetzwerk 2, wird vor der Simulation für die ermittelten linearen Differentialgleichungen bzw. Übertragungsfunktionen der linearen Teilnetzwerke T0, T1 eine geschlossene Darstellung ermittelt. Hierzu werden die Übertragungsfunktionen Hi(s) der Teilnetzwerke T0, T1 in den diskreten Zuständen Si, insbesondere in den Schaltzuständen S0, S1, ermittelt und im Gegensatz zu bekannten Verfahren bereits vor der Simulation in eine Partialbruchdarstellung umgewandelt. Diese Darstellung kann in den Zeitbereich zurücktransformiert werden, wo sie als eine Summe von komplexen e-Funktionen darstellt wird, gemäß:
Diese Darstellungsform bietet den Vorteil, die gesuchten Größen direkt algebraisch berechnen zu können. Im Unterschied zu numerischen Verfahren können insbesondere die Schrittweiten beliebig groß gewählt werden. Dies ist insbesondere in Schaltungsnetzwerken 2 von Vorteil, in denen auch digitale Teile auf einer hohen Abstraktionsebene (z. B. Transactionlevel) modelliert werden. Bei diesen Modellen ist eine Synchronisation analoger und digitaler Simulatoren (und damit eine Lösung des analogen Gleichungssystems) nur zu wenigen, aber so gut wie nie äquidistanten Zeitpunkten notwendig.
Die oben genannte Übertragungsfunktion Hi(s) bzw. hi(t) ist nur gültig, solange keine Wechselbedingung erfüllt ist. Um zu bestimmen ob die Übertragungsfunktion Hi(s) bzw. hi(t) gültig ist, wird die Pol- oder Nullstelle der Übertragungsfunktion Hi(s) bzw. hi(t) bestimmt. Mit anderen Worten: Es ist der Zeitpunkt ta zu bestimmen, zu dem ein diskreter Zustandswechsel oder Zustandsübergang Z0 oder Z1 ausgeführt wird, z. B. bei Über- oder Unterschreiten einer Bedingung (auch Schranke oder Border, nextBorder genannt), wie in Fig. 3 dargestellt. Dabei gelten folgende Bedingungen:
h_i(t) <= border
bzw.
h_i (t) > border
Eine Darstellung einer Systemantwort einer abschnittsweise definierten Funktion für das Schaltungsnetzwerk 2 anhand der Zustandsübergänge Z0, Z1 der Teilnetzwerke T1, T2 mit den Gültigkeitsbereichen der jeweiligen Übertragungsfunktionen H0(s), H1(s), H2(s) ist in 3 dargestellt. Mit Hilfe einer Nullstellensuche („getNextBorder„) für die Übertragungsfunktionen H0(s), H1(s), H2(s) wird der Zeitpunkt tai gemäß des in Fig. 4 dargestellten Algorithmus ermittelt, zu dem eine Wechselbedingung bzw. ein Zustandsübergang Z0, Z1, Z2 gültig wird („nextBorderTime„).
Fig. 5 zeigt beispielhaft ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Simulation eines analogen Schaltungsnetzwerks 2. Das Simulationsverfahren wird auf einer Vorrichtung zur Datenverarbeitung, insbesondere auf einem programmierbaren Simulator ausgeführt. Der Simulator umfasst ein Rechenwerk, welches das vorstehend beschriebene Verfahren in Form eines Computerprogramms abarbeitet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Programm um eine Klassenbibliothek in einer objektorientierten Programmiersprache, wie zum Beispiel C++.
Das Simulationsverfahren wird anhand der nachfolgenden Schritte näher beschrieben:

1.) Netzliste für ein zu simulierendes Schaltungsnetzwerk vorgeben,
2.) Topologiegraph erzegen (= Schaltungsnetzwerk erzeugen),
3.) Strukturerkennung (= Identifizierung von Bauelementen und Komponenten) und Substitution von erkannten Strukturen oder Modellen als Grundbauelemente,
4.) Partitionierung in Teilgraphen (= lineare Teilnetzwerke) entlang schaltender Elemente (= Bauelemente, Komponenten, Grundbauelemente),
5.) Aufstellen von Differentialgleichungen für Teilgraphen (= lineare Teilnetzwerke), z. B. mittels so genannter „Modified Node Analysis„ (kurz MNA),
6.) Reduktion des Gleichungssystems,
7.) Lösung des Gleichungssystems durch Partialbruchzerlegung im Frequenzbereich,
8.) Rücktransformation in den Zeitbereich,
9.) Erzeugen eines Simulationsmodells (= MoC) basierend auf einem hybriden Automaten,
10.) Ausgabe des Simulationsmodells.

Im Verfahrensschritt 1.) (= Netzliste vorgeben) wird das analoge Schaltungsnetzwerk 2 oder die analoge Schaltung anhand eines Schaltplanes entwickelt. Dazu werden so genannte Netzlisten, z. B. Listen aller Bauelemente, Listen der Verschaltungen, etc., vorgeben und einem Schaltplaneditor als Eingabemedium zugeführt. Dabei werden im Verfahrensschritt 1.) Netzlisten von bekannten EDA-Herstellern, wie beispielsweise Synopsys, Cadence, Mentor, vorgegeben.
Je nach Art und Ausführung des Schaltplaneditors, z. B. in Form eines Scanners, wird aus den Daten der Netzliste im Verfahrensschritt 2.) ein so genannter Topologiegraph gebildet, der das vorgegebene Schaltungsnetzwerk 2 beschreibt und in einem vorgebbaren genormten Format, z. B. GML (= Graph Mndelling Language), erzeugt und abspeichert.
Der Topnlogiegraph bildet das Schaltungsnetzwerk 2, wobei die Bauteile oder Komponenten 1 (= Bauelemente) durch Knoten und die Verbindungen zwischen den Komponenten 1 durch Kanten und oder durch weitere Knoten, wie z. B. bipartite Graphen, oder Linien L dargestellt werden. Bauteilspezifische Eigenschaften werden als so genannte Attribute in den Knoten gespeichert. Die bauteilspezifischen Eigenschafen (= Attribute) beschreiben zum einen Verwaltungsinformationen wie die Bauteilart, z. B. Spule, Widerstand, Kondensator, und den Instanznamen, welcher die jeweilige Komponente 1 eindeutig kennzeichnet. Zum anderen werden bauteilspezifische Informationen in den Attributen gespeichert. Diese Informationen sind z. B. die Kapazität für Kondensatoren oder die Induktivität für Spulen. Weiterhin enthält jeder Knoten Informationen über den Namen des Anschlusses (= Pin), der über eine Kante oder Linie L zu einen weiteren Knoten führt.
Im Verfahrensschritt 3.) wird für das Schaltungsnetzwerk 2 eine Strukturerkennung (= Identifizierung von Bauelementen und Komponenten) ausgeführt, wobei beispielsweise durch Vergleich identifizierte Strukturen oder Modelle als Grundbauelemente G, wie z. B. Spule, Widerstand, Kondensator, Diode, zur weiteren Verarbeitung und Simulation herangezogen werden. Anhand der identifizierten Grundbauelemente G und des vorgegebenen Schaltungsnetzwerks 2 wird dieses partiell linearisiert, indem das Schaltungsnetzwerk 2 im Verfahrensschritt 9.) entlang schaltender Grundbauelemente G in Teilgraphen oder Teilnetzwerke T0, T1 unterteilt wird.
Mit anderen Worten: Um die Differentialgleichungssysteme auf Basis des Topolngiegraphen erstellen zu können, müssen schaltende Bauelemente wie Dioden D zuvor nachgebildet und somit aus dem Schaltungsnetzwerk 2 entfernt werden. Dies geschieht durch Partitionierung in Teilgraphen oder Teilnetz werke T0, T1, welche die einzelnen Schaltzustände S0 bzw. S1 der. Diode D beschreiben. Die einzelnen Schaltbedingungen bleiben dabei erhalten.
Mittels der identifizierten Grundbauelemente G sowie anhand der nachgebildeten linearen umschaltbaren Teilnetzwerke T0, T1 wird für diese im Verfahrensschritt 5.) jeweils eine repräsentierende Differentialgleichung, z. B. mittels so genannter „Modified Node Analysis„, bestimmt. Werden anstelle der einfachen Grundbauelemente G komplexere Bauteile wie Transistoren verwendet und identifiziert, so erfolgt die Substitution anhand von Ersatzschaltbildern, z. B. dem so genannten Ebers-Moll für Bipolartransistoren.
Da der Simulator mit schrittweise linearen Modellen arbeitet, kann es bei bestimmten Schaltungsarten, wie z. B. Verzerrerschaltungen, zu einer starken Beeinträchtigung der Gesamtperformance kommen. In einer Analysephase werden derartige Teilnetzwerke oder Schaltungsstrukturen erkannt und durch geeignete Makromodelle ersetzt. Dieser Austausch geschieht beispielsweise durch Umwandlung erkannter Graphenteile in so genannte Superknoten, welche die erkannten Schaltungen repräsentieren.
Im Verfahrensschritt 6.) werden für die ermittelten Gleichuangssysteme der Teilnetzwerke T0, T1 die Pol- und Nullstellen ermittelt. Die Ermittlung der Pol- und Nullstellen kann schon bei relativ kleinen Schaltungen zu einer großen Anzahl von Gleichungstermen führen. Daher werden verschiedene Verfahren zur Vereinfachung der Gleichungssysteme verwendet, beispielsweise folgende Verfahren:

– SAG-Verfahren (= Simplification After Generation),
– SBG-Verfahren (= Simplification Before Generation), oder
– SDG-Verfahren (= Simplification During Generation).

Im Verfahrensschritt 7.) wird das Gleichungssystem durch Partialbruchzerlegung im Frequenzbereich gelöst. Das Lösen der Differentialgleichungssysteme geschieht durch Partialbruchzerlegung, wobei die zu zerlegenden Terme die polynomiale Darstellung der Differentialgleichungen im Frequenzbereich sind. Aus den zerlegten Darstellungen lassen sich dann die Pol- und Nullstellen durch Rücktransformation in den Zeitbereich gemäß Verfahrensschritt 8.) extrahieren, welche das Verhalten der jeweiligen Teilschaltung oder des Teilnetzwerks T0, T1 beschreiben.
Prototypisch wurde die Partialbruchzerlegung und die Extraktion der Pol- und Nullstellen mit dem so genannten Programm „Maple„ durchgeführt. Dabei wurde beispielhaft eine Maschine (= „Symbolic Engine„) unter Maple entwickelt, welche als Eingabe ein Gleichungssystem umfasst und als Ausgabe eine Datei oder ein File mit Pol- und Nullstellen liefert.
Anhand der Übertragungsfunktion Hi(s), hi(t) und den ermittelten Pol- und Nullstellen wird dann im Verfahrensschritt 8.) ein Simulationsmodell (= MoC) basierend auf einem hybriden Automaten erzeugt und im Verfahrensschritt 9.) ausgegeben. Das Simulationsmodell (auch kurz MoC genannt) umfasst im Kern eine Abbildung, welche die diskreten Zustände (Schaltzustände S0, S1) der Schaltungen (= Teilnetzwerke T0;, T1) mit den jeweiligen Mengen von Pol- und Nullstellen assoziiert. Diese Schaltzustände S0, S1 der Teilnetzwerke T0, T1 werden dann beim Erreichen einer Wechselbedingung (engl. Condition) gewechselt, wobei die aktiven Pol- und Nullllstellen des betreffenden Teilnetzwerks T0, T1 dem Schaltzustand S0, S1 angepasst werden.
Als Grundlage der Implementierung kann entweder eine assoziative Bindung der Schaltschwellen mit den Mengen der Pole und Nullstellen dienen, oder man implementiert einen hybriden Automaten, der diskrete Zustände umfasst und beim Erreichen einer Wechselbedingung den Zustand und den damit assoziierten Pol und die Nullstellen aktiviert.
Das erzeugte Simulationsmodell kann unter Verwendung eines im Simulator implementierten Algorithmus simuliert werden. Dieser Algorithmus kann auf jeden ereignisgetriebenen Simulator implementiert werden, der Fließkommazahlen und das Auslösen eines Ereignisses zu einem angegebenen Zeitpunkt unterstützt.
Das beschriebene Simulationsverfahren unterscheidet sich vorzugsweise dadurch von bekannten „Switch-Level„-Simulationsverfahren, dass analoge Schaltungen simuliert werden können und keine Gleichungssysteme zur Laufzeit aufgestellt und gelöst werden müssen. Vorzugsweise werden mittels des Simulatinnoverfahrens elektrische Schaltungsnetzwerke 2 mit analogen Bauelementen oder Komponenten 1, z. B. für elektronische Bremssysteme (z. B. blockiergeschützte Bremsen wie ABS) oder Systeme zur Regelung der Fahrdynamik (z. B. Gierratenregelunqen wie ESP) in Kraftfahrzeugen simuliert.

1: elektrische Komponente/Bauteile/Bauelemente
2: analoges oder elektrisches Schaltungsnetzwerk
4: Rechteckgenerator
C: Kondensator
D: Dioden
(f) D: Funktion
G: Grundelemente
Hi(s), hi(t),
H0(s), H1(s),
H2(s): Übertragungsfunktionen
K: Kante des hybriden Automaten
L: Kanten oder Linien
R1, R2: Widerstände
Si: diskrete Zustände
S0: nicht leitender Schaltzustand
S1: leitender Schaltzustand
ta, tai: (Übertragungs-)Zeitpunkte
T0, T1, T2: Ersatzschaltungen oder Teilnetzwerke
Ud: Schwellspannung
Uc: Kondensatorspannung
Z0 bis Z2: Zustandsübergänge

Claims

Verfahren zur Simulation eines elektronischen Schaltungsnetzwerks (2), insbesondere zur Simulation eines Schaltungsnetzwerks (2) einer analogen Leistungselektronik für ein Fahrzeug, bei dem das Schaltungsnetzwerk (2) partiell linearisiert wird, indem für das Schaltungsnetzwerk (2) in Abhängigkeit von der Gesamtheit aller das Schaltungsnetzwerk (2) repräsentierenden Schaltzustände (S0, S1) eine entsprechende Anzahl von linearen umschaltbaren Teilnetzwerken (T0, T1, T2) ermittelt wird, anhand derer für das Schaltungsnetzwerk (2) mittels Permutation aller Schaltzustände (S0, S1) der linearen umschaltbaren Teilnetzwerke (T0, T1, T2) ein vollständiger Satz von Schaltungslösungen automatisch bestimmt wird.
verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schaltungsnetzwerk (2) ein nichtlineares Teilnetzwerk (T0, T1, T2) umfasst, für das wiederum lineare umschaltbare Teilnetzwerke (T0, T1, T2) ermittelt werden, wobei mittels Permutation aller möglichen Schaltzustände (S0, S1) der linearen umschaltbaren Teilnetzwerke (T0, T1, T2) ein vollständiger Satz von Schaltungslösungen für das nichtlineare Teilnetzwerk (T0, T1, T2) automatisch bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem aus einem vorherigen Schaltzustand (S0) ein nachfolgender Schaltzustand (S1) automatisch durch Permutation bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Teilnetzwerk (T0, T1, T2) separat bestimmt und gelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das jeweilige lineare Teilnetzwerk (T0, T1, T2) anhand einer vorgegebenen Anzahl von elektrischen Grundbauelementen (1), insbesondere Spule, Kondensator, Widerstand und Diode, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Anzahl von linearen Teilnetzwerken (T0, T1, T2) als Standard-Teilnetzwerke hinterlegt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das momentan zu bestimmende Teilnetzwerk (T0, T1, T2) als Standard-Teilnetzwerk identifiziert und bei der Simulation das betreffende Standard-Teilnetzwerk berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Schaltungsnetzwerk (2) anhand von Standard-Teilnetzwerke automatisch simuliert wird.
verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein dem linearen Teilnetzwerk (T0, T1, T2) zugrunde liegender diskreter Schaltzustand (Si) anhand einer linearen Differentialgleichung und einer Übertragungsfunktion (Hi(s), hi(t), H0(s), H1(s), H2(s)) automatisch bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Zustandsübergang (Z0, Z1, Z2) von einem Schaltzustand (S0, S1) eines der Teilnetzwerke (T0, T1, T2) in einen anderen Schaltzustand (S0, S1) eines anderen Teilnetzwerks (T0, T1, T2) anhand der Null- und/oder Polstellenlösung der Übertragungsfunktion (Hi(s), hi(t), H0(s), H1(s), H2(s)) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein dem Zustandsübergang (Z0, Z1, Z2) zugrunde liegender Übergangszeitpunkt (ta) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Übergangszeitpunkt (tai) durch ein externes Ereignis ausgelöst wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein elektronisches Schaltungsnetzwerk (2), insbescndere ein Schaltungsnetzwerk (2) einer analogen Leistungselektronik für ein Fahrzeug partiell linearisiert wird, indem für das Schaltungsnetzwerk (2) in Abhängigkeit von der Gesamtheit aller das Schaltungsnetzwerk (2) repräsentierenden Schaltzustände (S0, S1) eine entsprechende Anzahl von linearen umschaltbaren Teilnetzwerken (T0, T1) ermittelt wird, anhand derer für das Schaltungsnetzwerk (2) mittels Permutation aller möglichen Schaltzustände (S0, S1) der linearen umschaltbaren Teilnetzwerke (T0, T1, T2) ein vollständiger Satz von Schaltungslösungen bestimmt wird.
4. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein elektronisches Schaltungsnetzwerk (2), insbesondere ein Schaltungsnetzwerk (2) einer analogen Leistungselektronik für ein Fahrzeug, partiell linearisiert wird, indem für das Schaltungsnetzwerk (2) in Abhängigkeit von der Gesamtheit aller das Schaltungsnetzwerk (2) repräsentierenden Schaltzustände (S0, S1) eine entsprechende Anzahl von linearen umschaltbaren Teilnetzwerken (T0, T1, T2) ermittelt wird, anhand derer für das Schaltungsnetzwerk (2) mittels Permutation aller möglichen Schaltzustände (S0, S1) der linearen umschaltbaren Teilnetzwerke (T0, T1, T2) ein vollständiger Satz von Schaltungslösungen bestimmt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Entwicklung einer elektronischen Schaltung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Konzeptionierung eines elektronischen Schaltungsnetzwerks (2), b) Partitionierung des elektronischen Schaltungsnetzwerks (2) in einzelne Teilnetzwerke (T0, T1, T2), insbesondere anhand von Standard-Teilnetzwerken, c) Dimensionierung der einzelnen Teilnetzwerke (T0, T1, T2) aufgrund von Expertenwissen, d) Generierung von schnellen Simulationsmodellen auf Basis der dimensionierten Teilnetzwerke (T0, T1, T2), e) Aufbau einer virtuellen Testschaltung anhand einer selbsttestenden Suite, basierend auf einem „Virtual Prototype, f) Analyse der Funktionalität und Auslegung durch Simulation des dynamischen Verhaltens der umschaltbaren (= interagierenden) Teilnetzwerke (T0, T1, T2) auf Systemebene, g) Test, ob Freigabe der Parametrisierung des elektronischen Schaltungsnetzwerks (= ICs) (2) aufgrund der Simulation erfolgen kann.
Verwendung nach Anspruch 15, wobei bei Nichtfreigabe das Verhalten des elektronischen Schaltungsnetzwerks (2) geändert, insbesondere mindestens ein Parameter eines der Teilnetzwerke (T0, T1, T2) geändert wird und das Verfahren ab dem Verfahrensschritt c) iterativ ausgeführt wird.
Verwendung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Funktionalität und Auslegung des elektronischen Schaltungsnetzwerks (2) gemäß dem Verfahren zur Simulation nach Anspruch 1 bis 12 auf Plausibilität durch Simulation der einzelnen Teilnetzwerke (T0, T1, T2) oder Standard-Teilnetzwerke mit konventioneiler Simulationstechnologie geprüft wird.