中国报告大厅网讯，在低碳理念深度渗透的当下，电子设备朝着小型化、轻薄化与节能化方向快速演进，直接推动开关电源市场规模持续扩张。当前，开关电源在便携设备、电动汽车及无线传感器网络等领域的应用需求不断攀升，低功耗设计与高效能量转换成为行业核心追求。传统开关电源设计多依赖设计者经验与试错流程，面对多因素对性能的综合影响时，缺乏系统性分析能力，不仅设计周期长、优化效率低，还难以精准定位关键影响因素。同时，传统方法基于相关性分析的局限，无法明确变量间直接因果关系，导致优化决策缺乏科学支撑，且设计知识难以系统存储与共享，制约行业整体发展效率。在此背景下，融合因果推断与知识图谱的开关电源设计辅助方法应运而生，为解决行业痛点、提升设计智能化水平提供了新路径。以下是2025年开关电源行业技术分析。
因果关系指两个事件间存在的直接诱发联系，若事件 H 发生后事件 h 必然随之出现，且可合理判定 H 是 h 的直接诱因，则二者存在因果关系。在开关电源设计辅助方法中，因果发现、因果推断、知识图谱及开关电源自身理论共同构成核心理论支撑。
因果发现方法按判断依据可分为基于约束、基于函数与基于分数三类。其中，基于约束的方法源于 PC 算法，该算法擅长处理高维数据，能精准识别多变量间直接因果联系并以图形化形式呈现，十分适配开关电源设计中多变量分析场景。其核心原理是通过条件独立性测试构建变量无向图，逐步测试任意一对变量 Ui 和 Uj 在给定条件集合 Q 下是否满足 Ui⊥Uj | Q，若满足则删除二者间的边，再通过识别 V 型结构与应用传递性规则确定边的方向，最终形成反映变量因果关系的有向无环图。借助特定工具包可高效实现 PC 算法，保障因果发现的可靠性与适用性。
因果推断聚焦变量间因果性而非单纯相关性，是确定开关电源设计中变量影响机制的关键。结构方程模型(SEM)作为因果推断的重要工具，融合因果模型与因素分析特点，可同时处理多个因果关系，分为测量模型与结构模型两部分。测量模型描述观测变量与潜变量的关系，结构模型则刻画潜变量间的因果联系，通过特定工具包构建 SEM，可量化开关电源设计中关键变量(如电感磁芯材料与电源性能)的因果效应，为设计优化提供科学依据。
知识图谱以 “实体 - 关系 - 实体” 三元组为基本构成单元，结合属性与属性值补充描述实体或关系特征，通过节点与有向边构建语义网络，高效存储与管理开关电源领域知识。其构建需从多源异构数据中抽取实体与关系，形成三元组表格后，借助图数据库实现存储与可视化。与传统关键字匹配搜索不同，知识图谱基于语义关联匹配用户需求与实体属性，能动态展现实体间丰富语义关系，不仅提升知识管理与利用效率，还为开关电源设计提供全面知识体系支撑。
开关电源行业主要由输入整流滤波电路、功率变换电路、输出整流滤波电路及控制电路组成。输入整流滤波电路将交流输入转换为直流并滤除干扰;功率变换电路作为核心，采用高频开关技术将直流转换为高频脉冲电压，再通过磁性元件实现变压;输出整流滤波电路将高频脉冲电压转换为稳定直流并滤除纹波;控制电路则通过反馈机制调节开关频率、占空比等参数，保障输出稳定与高效运行。在设计中，需合理匹配电感电流纹波、饱和电流与电路工况，选择低等效串联电阻电容，以提升开关电源性能与稳定性。
影响关系指变量变化对另一变量产生的显著作用，是具有方向性的相关关系，满足变量共变与时间先后条件;因果关系则在影响关系基础上进一步排除其他干扰解释，二者与相关关系呈 “相关包含影响、影响包含因果” 的外延包含关系。因此，分析开关电源中电感磁芯材料与性能的关系时，需先明确影响关系，再深入挖掘因果联系，为设计优化提供精准指导。
Buck 电路作为常见的降压式开关电源拓扑，广泛应用于各类电子设备，其电感的储能与滤波作用直接影响开关电源性能，电感磁芯材料选择对开关电源体积、稳定性、损耗等关键指标意义重大。高磁导率磁芯材料可缩小电感体积，助力开关电源小型化;高饱和磁感应强度材料能保障大电流下电感稳定性，适配便携设备需求;低损耗材料可降低高频能量损耗，提升开关电源转换效率并减少发热。
实验选用特定降压型 DC-DC 转换器(支持 3.5V 至 60V 宽输入电压，最大输出电流 1.5A，封装尺寸 3mm×3mm)搭建电路，该转换器采用峰值电流模式控制，集成欠压锁定、过流保护与过温保护功能，支持连续与不连续两种导通模式。实验选取标称电感均为 15μH 的两种常用电感磁芯材料(铁氧体与磁粉芯)，在输入电压 5~36V、稳定输出 3.3V、最大输出电流 1.5A 的条件下，通过仿真平台搭建电路，获取负载电流为 0.15A 和 1.5A 时的电感电流仿真波形。
仿真结果显示，相同标称电感与饱和工况下，负载电流 0.15A 时，铁氧体电感电流纹波 39mA，磁粉芯电感电流纹波 40mA;负载电流 1.5A 时，铁氧体电感电流纹波 57mA，磁粉芯电感电流纹波 55mA。可见，重载电流下磁粉芯电感电流纹波更小，且负载电流增加时，铁氧体电感纹波幅度相对增量更高。
为验证仿真结论，开展实物实验，实验条件与仿真一致，设置两项测试：测试 1 选用标称 15μH 的铁氧体磁芯电感，在负载电流 1A 时测量控制电压、最大限制电流(确保输出稳压的最大负载电流)及对应控制电压、输出电压、输出电压纹波与电感电流纹波，再换用同标称磁粉芯电感或改变输入电压重复测试;测试 2 则更换输出电容与开关频率，重复测试 1 步骤。实物实验现象与仿真结果一致，铁氧体电感在电流增大时更易饱和，导致电流纹波增加，磁粉芯电感饱和程度更低，电流纹波更小，证实磁芯材料类型对开关电源电感电流纹波、输出电压纹波等性能存在显著影响。
实验共收集 162 组数据，其中仿真数据 90 组、实物实验数据 72 组，两种磁芯材料数据各占一半。数据包含电感磁芯材料(X，二分变量，1 代表铁氧体、0 代表磁粉芯)、输入电压(Vin)、最大限制电流(Ioutmax)、控制电压(Vc)、开关频率(fs)、输出电压(Vout)、输出电压纹波(Voutpp)、电感电流纹波(Δipp)、输出电容(Cout)等关键变量，部分数据如下表所示：
采用回归分析方法探究电感磁芯材料对开关电源性能的影响关系，利用特定函数对实验数据进行线性回归拟合，可处理一元与多元线性回归问题。
实验涉及的九个变量中，部分因果关系可通过先验知识明确，但电感磁芯材料与输出电容、输出电压的因果关系，以及开关频率与最大限制电流的因果关系尚不清晰。借助特定工具包中的 PC 算法，基于实验数据对这五个变量进行因果发现，可明确未确定的因果联系。
通过 PC 算法得到的因果关系与先验知识明确的因果关系相结合，形成开关电源变量因果关系总图。其中，黑色虚线箭头代表 PC 算法发现的新因果关系，黑色实线箭头代表先验知识已知的因果关系。因果发现结果清晰呈现了电感磁芯材料与输出电容、输出电压，以及开关频率与最大限制电流之间的潜在因果联系，为后续因果效应量化奠定基础，助力深入理解开关电源各变量间的作用机制。
在明确因果关系结构后，需量化电感磁芯材料与开关电源性能间的因果效应，为设计优化提供具体数据支撑。借助特定工具包中的函数构建结构方程模型(SEM)，该函数适用于复杂多变量关系分析，即便模型不含潜变量也能精准分析。
基于因果关系总图构建 SEM 后，采用 RMSEA、TLI、CFI、NFI、GFI 等指标评价模型拟合效果。运行分析后得到：RMSEA=0.014(小于 0.1，表明模型拟合较好)、TLI=0.892(大于 0.8，模型可接受)、CFI=0.923(大于 0.9，拟合效果好)、NFI=0.931(大于等于 0.9，拟合效果好)、GFI=0.953(大于等于 0.9，拟合效果好)，各项指标均满足要求，证实模型构建合理。
因果效应图显示，输出电压、最大限制电流、电感电流纹波和输出电压纹波受电感磁芯材料影响，控制电压与输出电压受输出电容影响，最大限制电流与输出电压纹波受控制电压影响，电感电流纹波受输入电压影响，电感电流纹波、输出电压纹波和最大限制电流受开关频率影响(“受影响” 为因果关系表述)，且效应值正负代表因果效应方向，“*” 号表示显著性。该结果为开关电源设计提供精细化指导，帮助设计者快速定位性能问题根源并采取针对性优化措施。
知识图谱的存储主要有关系数据库与图数据库两种方式，考虑到开关电源领域知识的复杂性与关联性，选用开源图数据库作为存储与管理工具。该数据库专门用于处理图形式数据，能直观表达实体及关系，高效执行路径搜索、关系模式匹配、子图提取等复杂图查询操作，且支持特定查询语言，方便用户检索与分析知识图谱信息。
含因果关系的开关电源知识图谱构建遵循特定流程，首先进行多源异构数据收集，涵盖结构化、半结构化与非结构化数据;接着开展知识抽取，通过分词与词抽取获取实体，借助特定模型提取关系，形成 “实体 - 关系 - 实体” 三元组;然后将因果图中的变量与因果关系对应转换为知识图谱中的实体与关系，实现因果关系整合;最后将三元组表格导入图数据库，完成知识图谱构建。
以非结构化的实验指导书为数据来源，采用隐马尔可夫模型分词与词抽取，通过特定模型提取关系，共得到 56 个节点和 125 条关系，形成三元组 csv 表格。将因果图中的变量(如电感磁芯材料、输出电压纹波等)转换为知识图谱实体，因果关系转换为实体间关系后，导入图数据库得到含因果关系的开关电源知识图谱。图谱中不同颜色节点代表不同层级类别(红色代表电源领域，绿色代表电源八个子类，蓝色代表子类的小类，紫色代表最小类别)，绿色箭头代表因果关系。
该知识图谱通过图形化方式直观呈现开关电源领域复杂关系，实现特定领域知识的高效管理与利用。设计者可通过查询、匹配等操作获取设计所需信息，不仅促进人机协作，使计算机更易理解开关电源领域知识，还有效解决了行业内知识共享困难、再利用性差及推理能力不足等问题，为开关电源设计提供全面知识支撑。
开关电源设计辅助方法的应用遵循特定流程：首先，设计者明确并详细描述设计场景中的复杂工程问题，结合用户或应用场景需求确定具体设计要求;其次，依据设计经验或领域知识完成开关电源初始设计;然后，对初始设计进行仿真与实物实验测试，判断是否满足设计要求;若不满足，则利用含因果关系的开关电源知识图谱，查询与设计失败相关的因果变量，针对性优化设计方案，迭代测试与优化过程，直至设计满足要求。
《2025-2030年中国开关电源行业运营态势与投资前景调查研究报告》为验证方法可行性与有效性，选用特定电源管理芯片搭建 Buck 电路开展设计，设计任务要求如下表所示，需在输入电压 5V~36V、最大输出电流 1.5A 的约束条件下，实现输出电压纹波≤35mV、输出电流纹波≤400mA 的目标，同时尽量减小开关电源体积与重量，提升转换效率。
设计采用降压型拓扑结构，基于电源管理芯片电气特性参数，通过多目标协同优化达成设计目标。以 “输出电压纹波≤35mV” 要求为例，初始设计选用铁氧体磁芯材料电感，实测输出电压纹波为 40mV，未满足设计要求，需进行优化。
设计者首先通过图数据库查询知识图谱，查找影响输出电压纹波的因果变量，结果显示开关频率、电感磁芯材料、控制电压是关键影响因素，并获取各因素对输出电压纹波的具体因果效应值。进一步查询发现，开关频率与电感磁芯材料还会影响其他开关电源性能指标，调节后可能导致新的指标不合格;而控制电压仅影响最大限制电流，在确保最大限制电流合格的前提下，可优先通过调节控制电压优化输出电压纹波。
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