一種基于知識(shí)圖譜技術(shù)的輔助電源調(diào)試方法

呂夢(mèng)平,段 斌,周志剛,曠 怡

(湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院,湖南 湘潭 411105)

在開關(guān)電源設(shè)計(jì)過程中,為了設(shè)計(jì)出一款性能指標(biāo)合格的電源,調(diào)試是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。但開關(guān)電源本身是一個(gè)復(fù)雜工程問題,涉及到多方面的技術(shù)、工程和其他因素,包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題,并可能相互之間有一定的沖突[1]。所以電源調(diào)試就變成了一個(gè)非常復(fù)雜的過程[2]。普通設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)好電路后,由于經(jīng)驗(yàn)不足,無法周全考慮到各因素對(duì)電源指標(biāo)的影響,不得不花很長時(shí)間進(jìn)行調(diào)試,導(dǎo)致效率低下。而且看似已調(diào)試好的電源,實(shí)則存在一些潛在的隱患,這些隱患在特殊情況下就會(huì)體現(xiàn)出來[3]。文獻(xiàn)[4]提出了“流程式”的電源調(diào)試方法,但此方法要求設(shè)計(jì)者具有一定的調(diào)試經(jīng)驗(yàn),而且需要對(duì)影響因素逐一排查,調(diào)試時(shí)間長,效率低下。文獻(xiàn)[5]使用了反推的方法,雖然調(diào)試時(shí)間減短,但僅適用于反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),靈活性受到很大限制。因此,迫切需求一種高效率且靈活的電源調(diào)試方法。知識(shí)圖譜作為一種新興技術(shù),其最大的特點(diǎn)在于能夠清晰地將實(shí)體間的關(guān)系以圖模型表示出來[6]。而在電源問題中,性能指標(biāo)與影響因素存在錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系[7]。通過構(gòu)建開關(guān)電源知識(shí)圖譜,可將影響因素與各性能指標(biāo)間的關(guān)系顯性化表達(dá),反映電源領(lǐng)域中某些問題的真實(shí)認(rèn)知,以幫助設(shè)計(jì)者準(zhǔn)確、快速地找到問題并進(jìn)行解決。

目前,知識(shí)圖譜技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]將電力網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆成涞街R(shí)圖譜中并以圖形數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行存儲(chǔ),再基于圖形數(shù)據(jù)庫開發(fā)了停電范圍檢測(cè)算法,取得了良好的效果。文獻(xiàn)[9]提出了利用現(xiàn)有電力設(shè)備缺陷記錄語料構(gòu)建出電力設(shè)備缺陷知識(shí)圖譜,基于知識(shí)圖譜進(jìn)行電力設(shè)備缺陷檢索,相比于其他傳統(tǒng)的方法具有更高的準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[10]基于知識(shí)圖譜構(gòu)建知識(shí)庫的方法,結(jié)合客服知識(shí)庫與知識(shí)圖譜檢索技術(shù),設(shè)計(jì)了智能客服系統(tǒng)技術(shù)方案。通過分析該系統(tǒng)與傳統(tǒng)客服系統(tǒng)的差異,論證了該系統(tǒng)在企業(yè)中的應(yīng)用前景和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

本文通過在圖形數(shù)據(jù)庫Neo4j中構(gòu)建電源知識(shí)圖譜,在知識(shí)圖譜中不僅可以將影響電源性能指標(biāo)的因素顯示化表達(dá),還可以基于知識(shí)圖譜進(jìn)行查詢、篩選、匹配等操作。當(dāng)設(shè)計(jì)者在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)某些性能指標(biāo)不合格時(shí),可以在Neo4j中查詢,快速找出可能的影響因素,為設(shè)計(jì)者提供參考,提高調(diào)試效率。

1 電源知識(shí)圖譜構(gòu)建

1.1 知識(shí)圖譜概念

知識(shí)圖譜本質(zhì)上是一個(gè)知識(shí)庫,它由節(jié)點(diǎn)和有向邊構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)一般表示實(shí)體或者概念,有向邊連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn),表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系。知識(shí)圖譜旨在描述真實(shí)世界中存在的各種實(shí)體或概念,以及實(shí)體或概念間的關(guān)系,其構(gòu)成一張巨大的語義網(wǎng)絡(luò)圖[11]。與傳統(tǒng)的基于關(guān)鍵字匹配的搜索引擎工作原理不同的是,知識(shí)圖譜利用概念、實(shí)體的匹配度返回給用戶與搜索相關(guān)的更全面的知識(shí)體系,其工作原理如圖1所示。整體分兩個(gè)過程:構(gòu)建和查詢[12]。首先,構(gòu)建知識(shí)圖譜,在數(shù)據(jù)源中抽取出實(shí)體、屬性,以及實(shí)體之間的關(guān)系。其中,數(shù)據(jù)源可以是領(lǐng)域知識(shí)庫,萬維網(wǎng)等。以實(shí)體為節(jié)點(diǎn),關(guān)系作為連接實(shí)體的有向邊,屬性表示實(shí)體或者關(guān)系的一些特征,將節(jié)點(diǎn)與關(guān)系用圖的形式展現(xiàn)出來,便構(gòu)建出了知識(shí)圖譜。然后,基于知識(shí)圖譜查詢。在用戶的輸入的內(nèi)容中提取實(shí)體與屬性,與知識(shí)圖譜做匹配,將匹配到的實(shí)體與屬性返回給用戶,同時(shí)將該實(shí)體的其他屬性以及周邊的有關(guān)系的實(shí)體作為推薦一并返回。

1.2 電源知識(shí)圖譜節(jié)點(diǎn)實(shí)體抽取

本文以TI-PMLK為研究工具,它是斯坦福大學(xué)為德州儀器公司設(shè)計(jì)的一款電源管理實(shí)驗(yàn)套件,目的是幫助設(shè)計(jì)者研究電源內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)理及復(fù)雜聯(lián)系。它由BUCK、BOOST和LDO 3套電路拓?fù)浣M成,實(shí)物套件如圖2所示。

每套電路拓?fù)浒?個(gè)實(shí)驗(yàn),代表著電源領(lǐng)域的專家知識(shí),本身也是一個(gè)典型的復(fù)雜工程問題[13]。首先,通過分析這些實(shí)驗(yàn)可以幫助抽取電源主要包含的性能指標(biāo)、影響因素以及兩者之間的約束關(guān)系。再把性能指標(biāo)與影響因素作為知識(shí)圖譜中的實(shí)體節(jié)點(diǎn),關(guān)系作為邊把節(jié)點(diǎn)連接起來,從而構(gòu)建出一張電源知識(shí)圖譜。最后,需要給電源知識(shí)圖譜的邊添加屬性,即相關(guān)性系數(shù),以表示節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度。

1.3 相關(guān)性系數(shù)矩陣構(gòu)建

在電源中,為了研究單個(gè)影響因素如何對(duì)性能指標(biāo)造成影響。首先,對(duì)各個(gè)影響因素設(shè)置一組初始條件如下:負(fù)載電流:0.3 A,開關(guān)頻率:200 kHz,輸入電壓:6 V,輸入電容:10 μF,輸出電容:100 μF,輸入電容ESR:1 mΩ,輸出電容ESR:15 mΩ。然后保持其他條件不變,改變其中一個(gè)因素條件,觀察每個(gè)性能指標(biāo)的變化。為提高工作效率,使用德州儀器(TI)公司提供的Webench在線仿真系統(tǒng)仿真,它可以在線修改電路參數(shù),并實(shí)時(shí)返回電路運(yùn)行情況。這里基于TPS54160電源管理芯片搭建仿真電路模型,仿真電路模型如圖3所示。

通過在電路模型中修改單個(gè)因素條件,可以在Webench中得到電源性能指標(biāo)在不同因素條件下的變化情況。部分仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 Webench仿真數(shù)據(jù)(部分)

根據(jù)表1可以觀察出影響因素對(duì)每個(gè)性能指標(biāo)的影響程度不同,為了清晰地表達(dá)出它們之間的關(guān)聯(lián)程度,將Webench仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入到統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS中進(jìn)行相關(guān)性分析得到電源性能指標(biāo)與影響因素間的相關(guān)性系數(shù)矩陣,將系數(shù)矩陣可視化為熱力圖形式如圖4所示。圖中的數(shù)字為皮爾遜系數(shù),表示性能指標(biāo)與影響因素間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度。一般地,0.8

圖4中:IV為輸入電壓;LC為負(fù)載電流;SF為開關(guān)頻率;IC為輸入電容;ESRIC為輸入電容等效電阻;OC為輸出電容;ESROC為輸出電容等效電阻;SCOI為電感飽和特性;E為效率;OVR為輸出電壓紋波;ICR為電感電流紋波;TL為總損耗;CF為穿越頻率;PM為相位裕度;LFG為低頻增益;TSA為暫態(tài)浪涌幅度。

1.4 電源知識(shí)圖譜

本文利用Neo4j作為構(gòu)建電源知識(shí)圖譜的工具,它是基于Java的高性能、高可靠性、可擴(kuò)展性強(qiáng)的開源圖數(shù)據(jù)庫。作為一種新興的數(shù)據(jù)庫技術(shù),其內(nèi)核是一種極快的拓?fù)湟?能夠處理大數(shù)據(jù)內(nèi)部復(fù)雜的依賴關(guān)系[15]。根據(jù)以上的工作,抽取出電源主要包含的性能指標(biāo)有8個(gè):效率、輸出電壓紋波、電感電流紋波、總損耗、穿越頻率、相位裕度、低頻增益、暫態(tài)浪涌幅度。影響因素主要也有8個(gè):輸入電壓、負(fù)載電流、開關(guān)頻率、輸入電容、輸入電容ESR、輸出電容、輸出電容ESR、電感飽和特性。將電源性能指標(biāo)和影響因素作為節(jié)點(diǎn),兩者之間的關(guān)系作為邊,相關(guān)性系數(shù)作為邊的屬性,在Neo4j中可以構(gòu)建出的電源知識(shí)圖譜如圖5所示?；陔娫粗R(shí)圖譜,可以做一些查詢,匹配等操作,以輔助工程師進(jìn)行調(diào)試。圖中的重量、體積、電容、電感、變壓器、PCB面積、其他等節(jié)點(diǎn)都可以作為衡量一款電源的指標(biāo),但這些節(jié)點(diǎn)的邊沒有屬性,即不存在相關(guān)性系數(shù)。在一些特殊情況下,這些節(jié)點(diǎn)可以為電源工程師提供參考。

2 案例分析

2.1 電源知識(shí)圖的操作方法

為驗(yàn)證本文方法的優(yōu)越性,本文針對(duì)同一個(gè)電路設(shè)計(jì)了兩組調(diào)試任務(wù),并邀請(qǐng)兩位電源工程師甲和乙完成。具體調(diào)試任務(wù)如表2所示。

表2 調(diào)試任務(wù)

以表2中的調(diào)試任務(wù)“輸出電壓紋波≤50 mV”為例,工程師在進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試時(shí),發(fā)現(xiàn)實(shí)際的輸出電壓紋波達(dá)65 mV。顯然,實(shí)際情況達(dá)不到理想目標(biāo),這就需要對(duì)電源進(jìn)行調(diào)試。

基于知識(shí)圖譜的調(diào)試方法如下:

首先,工程師在Neo4j中查詢哪些因素對(duì)輸出電壓紋波影響較大,至于這個(gè)影響程度,工程師可以自行設(shè)定一個(gè)閾值,這里將閾值設(shè)置為0.8,則查詢語句為

MATCH path=(m)-[n:影響]-(:Indication

{name:"輸出電壓紋波"})

WHEREn.Correlation>0.8 orn.Correlation<-0.8

RETURN path,n

然后,可以得到強(qiáng)烈影響輸出電壓紋波的因素如圖6所示。

通過查看圖6可知,強(qiáng)烈影響輸出電壓紋波的因素是輸出電容、輸出電容ESR和開關(guān)頻率。所以,首先考慮調(diào)整這3個(gè)因素來降低輸出電壓紋波。但是,由于電源的復(fù)雜性,這3個(gè)因素可能還會(huì)強(qiáng)烈影響其他性能指標(biāo),調(diào)整這些因素的同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致其他性能指標(biāo)不合格。因此,工程師還需在Neo4j中查詢這3個(gè)因素除了影響輸出電壓紋波之外,各自還會(huì)影響其他哪些性能指標(biāo)。這里同樣將閾值設(shè)為0.8,通過查詢可以得出這些因素對(duì)其他性能指標(biāo)的影響如圖7所示。

根據(jù)圖7(a)可知,開關(guān)頻率對(duì)較多的指標(biāo)有影響,若通過調(diào)整開關(guān)頻率來達(dá)到降低輸出電壓紋波的目的,則同時(shí)很有可能導(dǎo)致效率、相位裕度、低頻增益等指標(biāo)不合格。但是除了強(qiáng)烈影響輸出電壓紋波之外,圖7(b)和(c)中輸出電容和輸出電容ESR只影響相位裕度,所以在保證相位裕度合格的條件下首先調(diào)整輸出電容和輸出電容ESR來降低輸出電壓紋波,而不去調(diào)整開關(guān)頻率。此處需要注意,相關(guān)性系數(shù)是正/負(fù)數(shù)的說明因素與性能指標(biāo)呈正/負(fù)相關(guān),因此,依據(jù)系數(shù)的符號(hào)可以確定影響因數(shù)的調(diào)整方向。例如,輸出電壓紋波與輸出電容之間的相關(guān)性系數(shù)是負(fù)數(shù),為減小輸出電壓紋波,則要增大輸出電容,而減小輸出電容ESR。

最終,將輸出電容增大到220 μF,輸出電容ESR減小到2 mΩ。輸出電源紋波被降低到了43 mV,說明目標(biāo)完成。其他的調(diào)試任務(wù)也是用相同的方法。

2.2 結(jié)果分析

在表2中,任務(wù)B提出的要求涉及到很多復(fù)雜的影響因素,調(diào)試難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任務(wù)A。現(xiàn)要求工程師甲和乙分別用傳統(tǒng)的“流程法”[4]和本文的“知識(shí)圖譜法”完成調(diào)試任務(wù)A和B,其中甲是初級(jí)工程師,乙是高級(jí)工程師。因在電源調(diào)試這個(gè)過程中,只會(huì)存在兩種結(jié)果,即達(dá)成目標(biāo)或者不達(dá)成。所以,兩位工程師只有將表2中的所有任務(wù)完成,才算是達(dá)成最終的目標(biāo)。兩位工程師分別用兩種方法完成調(diào)試任務(wù),通過在完成時(shí)間上將兩種方法作對(duì)比得到如圖8所示。

根據(jù)圖8(a)和(b)可知,在兩個(gè)任務(wù)中工程師甲和乙在“知識(shí)圖譜法”所用時(shí)間均遠(yuǎn)小于“流程法”所用時(shí)間,說明不管調(diào)試任務(wù)難度如何,基于知識(shí)圖譜的調(diào)試方法都可以節(jié)省很多時(shí)間,大大提高了調(diào)試效率。而且,隨著調(diào)試任務(wù)的難度增加,兩種方法在時(shí)間上的差距更加顯著。再分別觀察圖8(a)和(b)兩圖發(fā)現(xiàn),在同一個(gè)任務(wù)中,兩位工程師基于“流程法”的調(diào)試時(shí)間相差很大。但基于“知識(shí)圖譜法”的調(diào)試時(shí)間幾乎相同,僅有較小的差距,這部分差距主要由兩位工程師對(duì)儀器操作的熟練程度決定。這說明“知識(shí)圖譜法”可以在很大程度上減少對(duì)工程師自身經(jīng)驗(yàn)、能力的依賴。因此,該方法適用范圍更廣,操作更靈活。

3 結(jié)論

本文將知識(shí)圖譜技術(shù)應(yīng)用到電源調(diào)試中,利用知識(shí)圖譜的優(yōu)勢(shì),將電源中各因素與性能指標(biāo)間的復(fù)雜關(guān)系用圖模型在Neo4j中表示出來,通過查詢知識(shí)圖譜,設(shè)計(jì)者可以快速找到導(dǎo)致性能指標(biāo)不合格的原因,為其調(diào)試提供參考,從而減輕電源設(shè)計(jì)者的認(rèn)知負(fù)荷,提高調(diào)試效率。最后,通過案例分析,具體介紹了如何利用知識(shí)圖譜進(jìn)行調(diào)試,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性。

本文只抽取了電源中主要的性能指標(biāo)和影響因素,實(shí)際上電源在一些特殊條件或場景下,還需考慮有很多其他的性能指標(biāo)和影響因素?？梢酝ㄟ^爬蟲、知識(shí)抽取等技術(shù)進(jìn)行深入挖掘,使得電源知識(shí)圖譜更加精確和完善,以便幫助工程師更準(zhǔn)確地分析電源,這也是后續(xù)研究中的重要工作。