曠 怡， 段 斌， 李鴻儒， 章 兢

(1. 湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819)

實(shí)驗(yàn)課程是高校培養(yǎng)學(xué)生達(dá)到畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的重要途徑，在培養(yǎng)學(xué)生熟練運(yùn)用理論知識(shí)能力、問題解決能力、動(dòng)手能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力等方面起著關(guān)鍵且不可替代的作用[1-2].傳統(tǒng)上，電力電子實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)存在目標(biāo)內(nèi)容不完善、評(píng)估過程過于主觀等弊端，使得評(píng)估結(jié)果較為片面，不能反映課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)估的科學(xué)性和合理性.

因電力電子開關(guān)電源本身是一個(gè)復(fù)雜工程問題，涉及多方面的技術(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.在開關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)中，需考慮電感、電容等元器件對(duì)電路紋波、效率、負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)的影響[3].因此，需構(gòu)建開關(guān)電源認(rèn)知圖譜，將多因素與各性能指標(biāo)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.

在認(rèn)知診斷能力評(píng)估中，許多心理學(xué)家和教育學(xué)者提出了約100種認(rèn)知診斷模型[4].根據(jù)理論基礎(chǔ)，可將已有的認(rèn)知測(cè)量模型分成4類[5]：潛在特質(zhì)模型[6]、基于非參數(shù)人工智能的方法、潛在分類模型和證據(jù)中心設(shè)計(jì)[7].其中，DINA模型是潛在分類模型中的一種，是一個(gè)簡單的隨機(jī)連接模型，由于該模型中只包含失誤系數(shù)和猜測(cè)系數(shù)，不僅簡潔、靈活和易于解釋，而且判準(zhǔn)率較高，因此得到了廣泛的理論和應(yīng)用研究.

本文經(jīng)深入研究學(xué)習(xí)德州儀器電源管理實(shí)驗(yàn)室套件降壓穩(wěn)壓器實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，電源領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)，研究了運(yùn)行條件對(duì)效率的影響、無源器件和開關(guān)頻率對(duì)電流和電壓紋波的影響、穿越頻率和無源器件對(duì)負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)的影響、電感飽和對(duì)電流和電壓紋波的影響、電感特性對(duì)限流操作的影響、滯環(huán)控制的開關(guān)頻率、紋波、偏移和抗擾能力等，構(gòu)建了開關(guān)電源認(rèn)知圖譜；然后，研究與分析了基于開關(guān)電源特定領(lǐng)域知識(shí)的認(rèn)知測(cè)量模型，構(gòu)建了開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)的關(guān)聯(lián)矩陣；最后，對(duì)被測(cè)者進(jìn)行降壓穩(wěn)壓器認(rèn)知能力評(píng)測(cè).通過分析被測(cè)者試題作答反應(yīng)，得到開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的失誤系數(shù)和猜測(cè)系數(shù)，經(jīng)期望后驗(yàn)估計(jì)和最大后驗(yàn)估計(jì)方法，分析并得到了被測(cè)者的電力電子實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)達(dá)成度.

1 開關(guān)電源認(rèn)知圖譜的構(gòu)建

德州儀器大學(xué)計(jì)劃推出了電源教學(xué)的電源管理實(shí)驗(yàn)室套件(power management lab kit, PMLK), 分別針對(duì)LDO、Buck、Boost、Buck-Boost等4種常用的電源拓?fù)?，設(shè)計(jì)了多個(gè)由淺入深的實(shí)驗(yàn).TI-PMLK Buck涵蓋了低功率DC-DC電源設(shè)計(jì)中的一些基本問題，如電源拓?fù)涮匦浴⒐ぷ髂Ｊ?、效率、控制策略、精度、暫態(tài)響應(yīng)、噪聲、磁性元件等[8].降壓穩(wěn)壓器中涉及TPS54160和LM3475兩款電源管理芯片.其中，TPS54160器件是帶有集成型高側(cè)MOSFET的60 V、1.5 A降壓穩(wěn)壓器.采用電流模式控制，提供了簡單的外部補(bǔ)償和靈活的元件選擇；LM3475是一個(gè)磁滯P-FET降壓控制器.滯環(huán)控制擁有系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、無外部補(bǔ)償、運(yùn)行穩(wěn)定、暫態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，即使在輕負(fù)載條件下，磁滯控制也可提供高效運(yùn)行.

TI-PMLK Buck穩(wěn)壓器提供的6個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景分別為：運(yùn)行條件對(duì)效率的影響；無源器件和開關(guān)頻率對(duì)電流和電壓紋波的影響；穿越頻率和無源器件對(duì)負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)的影響；電感飽和對(duì)電流和電壓紋波的影響；電感特性對(duì)限流操作的影響；滯環(huán)控制的開關(guān)頻率、紋波、偏移和抗擾能力等.

1.1 運(yùn)行條件對(duì)效率的影響

降壓穩(wěn)壓器的損耗主要來自MOSFET、二極管等開關(guān)器件和電感、電容等儲(chǔ)能元件.

(1) MOSFET的損耗有傳導(dǎo)損耗PMOSp、開關(guān)損耗PMOS,SW、柵極驅(qū)動(dòng)損耗PMOS,g，如式(1)所示.

PMOS=PMOSp+PMOS,SW+PMOS,g

(1)

式中：Rds為MOSFET 導(dǎo)通電阻；Qg為MOSFET 柵極電荷；Vdr為MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器電壓；tsw為MOSFET開關(guān)時(shí)間；fs為開關(guān)頻率；αpp為電感紋波系數(shù)；Δipp為電感電流紋波；D為MOSFET的占空比.

D=tON/Ts=Vout/Vin.

(2)

(2) 二極管的傳導(dǎo)損耗計(jì)算公式為

P二極管=Vf(1-D)Iout,

(3)

式中：Vf為二極管正向壓降.

(3) 電感元件的繞組損耗PL,W和磁芯損耗PL,C分別為

(4)

式中，ESRL為電感等效串聯(lián)電阻.

(4) 輸入電容損耗PCin和輸出電容損耗PCout計(jì)算公式如式(5)和式(6)所示.

(5)

(6)

式中:ESRCin為輸入電容等效串聯(lián)電阻，ESRCout為輸出電容等效串聯(lián)電阻.

由式(1)～(6)可知，電源損耗與電感電流紋波、輸入電壓、負(fù)載電流和開關(guān)頻率等可觀測(cè)量相關(guān).

1.2 無源器件和開關(guān)頻率對(duì)電流和電壓紋波的影響

(1) 對(duì)于不飽和的電感，其紋波電流峰-峰值計(jì)算如式(7)所示.

Δipp=Vout(1-D)/(fsL).

(7)

由式(2)和式(7)可知，輸入電壓和開關(guān)頻率對(duì)電感電流紋波有很大影響.當(dāng)輸入電壓增大和開關(guān)頻率減小時(shí)，紋波將增加.

(2) 對(duì)于飽和的電感，其紋波電流峰值會(huì)比不飽和電感情況下要大，

Δipp>Vout(1-D)/(fsL).

(8)

(3) 對(duì)于高ESR濾波電容(電解電容)，電壓紋波取決于ESR和電流紋波Δipp，

ΔVoutpp=ESRΔipp.

(9)

由式(9)可知，電解電容的電壓紋波僅與電感紋波成正比.

(4) 對(duì)于低ESR濾波電容(陶瓷電容)，輸出電壓紋波為

ΔVoutpp=Δipp/(8fsCout).

(10)

式(9)和式(10)表明，陶瓷電容對(duì)于開關(guān)頻率呈現(xiàn)出強(qiáng)得多的敏感性：如果我們將開關(guān)頻率加倍，則紋波變?yōu)樗姆种?，而若是電解電容則變?yōu)橐话?

(5) 當(dāng)輸入電容足夠大時(shí)，輸入電流紋波為：

Δiinpp=IoutD(1-D)/(fsCin).

(11)

由式(11)可得，輸入電流紋波與負(fù)載電流成正比，與開關(guān)頻率成反比，并在占空比D為0.5，即輸入電壓高出輸出電壓兩倍時(shí)，具有最大值.

(6) 當(dāng)輸入電容足夠小時(shí)，輸入電流紋波為：

Δiinpp=Iout+Δipp/2.

(12)

1.3 穿越頻率和無源器件對(duì)負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)的影響

降壓穩(wěn)壓芯片TPS54160的控制方式為峰值電流控制(peak current-mode control, PCC)，其電壓反饋環(huán)路補(bǔ)償對(duì)電流模式控制的降壓穩(wěn)壓器的負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)有影響，即采用不同的輸出電容和反饋補(bǔ)償組合，降壓穩(wěn)壓器的負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)會(huì)不一樣.

PCC降壓穩(wěn)壓器的電壓環(huán)路增益為

(13)

其中，

(14)

式中：gmps表示PCC降壓穩(wěn)壓器的跨導(dǎo)，{Rg,Ri}為電壓傳感器，{Cf1,Cf2,Rf2}是反饋?zhàn)杩梗瑳Q定了環(huán)路增益的以下要素：

(15)

式(13)～(15)表明TPS54160 PCC降壓穩(wěn)壓器的環(huán)路增益特性及其負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)取決于輸入電壓、負(fù)載電流、輸出電容和反饋?zhàn)杩?降壓穩(wěn)壓器電壓環(huán)路增益的穿越頻率由反饋補(bǔ)償誤差放大器的極點(diǎn)和零點(diǎn)位置所決定.如果誤差放大器在設(shè)計(jì)上旨在實(shí)現(xiàn)高穿越頻率，則環(huán)路增益將在更寬的頻率范圍內(nèi)具有更高的幅度(從0 rad/s到wcrad/s)，環(huán)路增益大于0 dB.

較高的穿越頻率可確保PCC降壓穩(wěn)壓器更快地響應(yīng)負(fù)載暫態(tài)變化.這樣可以減小輸出電壓浪涌的幅度.控制器對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的反應(yīng)加快，縮短了輸出電容在電感電流和負(fù)載電流之間維持不平衡狀態(tài)所需的時(shí)間間隔長度.

負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)中的振蕩由補(bǔ)償?shù)沫h(huán)路增益的相位裕度所決定.理論上，大于52°的相位裕度可確保暫態(tài)浪涌沒有振蕩.由于PCC固有的采樣機(jī)制，在1/2開關(guān)頻率fs處引入了一個(gè)極點(diǎn)，相位裕度受該極點(diǎn)影響.如果穿越頻率fc需要固定在高于fs/20處以便在大幅的負(fù)載擾動(dòng)下實(shí)現(xiàn)良好的暫態(tài)性能，則必須在誤差放大器的設(shè)計(jì)中考慮采樣極點(diǎn)的相位滯后效應(yīng).

1.4 電感飽和對(duì)電流和電壓紋波的影響

不同的電感磁芯材料類型有不同的飽和特性，在不同的運(yùn)行條件下，對(duì)降壓穩(wěn)壓器的電流紋波和電壓紋波的影響不同.在開關(guān)電源中，電感元件磁芯主要采用鐵氧體磁芯和磁粉芯.其中，鐵氧體磁芯電感的動(dòng)態(tài)電感量隨電流的變化為

(16)

式中:Ld為動(dòng)態(tài)電感量，指通有電流后的電感量或?qū)嶋H使用時(shí)的電感量；Lnom是靜態(tài)電感量，也是電感的標(biāo)稱值，指電感電流為0時(shí)的電感量；Lsat表示深度飽和的電感的電感量；系數(shù)σ由電感類型、磁芯材料和溫度決定.

磁粉芯電感的動(dòng)態(tài)電感量隨電流的變化為

(17)

式中:Lnom是電流為零時(shí)的標(biāo)稱電感；I30%是滿足L(I30%)=0.70·Lnom條件的30%飽和電流.

由式(16)和式(17)可知，鐵氧體磁芯隨著電感的增加，在小電流的條件下電感量變化不大，而在大電流的條件下，因磁芯的急劇飽和作用使得電感量驟降；磁粉芯電感的電感量隨電流的增加呈一種更加溫和、更加線性的方式下降.進(jìn)一步地，由電感電流紋波峰-峰值Δipp計(jì)算式(7)可得，在低負(fù)載電流時(shí)，鐵粉磁芯電感比鐵氧體磁芯電感具有更高的電流紋波，而在高負(fù)載電流時(shí)的情況則正好相反.

1.5 電感特性對(duì)限流操作的影響

在TPS54160降壓穩(wěn)壓器中，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，電壓傳感器會(huì)檢測(cè)到輸出電壓的下降，使得反饋控制電壓Vc增大，平均電感電流增大.降壓穩(wěn)壓器能夠提供的最大負(fù)載電流由內(nèi)部TPS54160電流限制功能決定.電流限制功能將在控制電壓Vc達(dá)到特定的電平Vcmax時(shí)激活.發(fā)生此情況時(shí)，輸出電壓Vout會(huì)降低至低于標(biāo)稱值.電流限制功能的激活受控于平均負(fù)載電流以及電感電流紋波峰-峰值，進(jìn)而又取決于電感的輸入電壓Vin、開關(guān)頻率fs和電感L.根據(jù)磁芯材料的類型，隨著電流增大，電感可能在高電流時(shí)飽和，而飽和時(shí)不同磁芯類型的電感其電感值減小的程度不同.因此電感的類型會(huì)影響電流限制行為.

基于1.4節(jié)的結(jié)論，隨著電流的增加，鐵氧體磁芯會(huì)急劇飽和，而磁粉芯電感的飽和過程更溫和.因此，在高負(fù)載電流時(shí)，磁粉芯電感具有比鐵氧體電感允許提供更高的最大電流，具有更高的負(fù)載電流限制.

1.6 滯環(huán)控制的開關(guān)頻率、紋波、偏移和抗擾能力

目的是分析磁滯降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率fs、 直流精度和輸入噪聲抑制功能如何受輸入電壓、負(fù)載電流、輸出電容和加速電容特性的影響

(1) 當(dāng)基于芯片LM3457的磁滯降壓穩(wěn)壓器為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，實(shí)際輸出電壓平均值和紋波以及開關(guān)頻率為

(18)

(19)

(20)

式(20)成立條件為：

C>max{D,1-D}/(2fsESR).

(21)

由式(18)～式(21)可知，在磁滯降壓穩(wěn)壓器中，輸入電壓是開關(guān)頻率的主要影響因素.其物理原因在于，磁滯降壓穩(wěn)壓器中，MOSFET的關(guān)斷時(shí)間取決于輸出電壓和電感值，而導(dǎo)通時(shí)間隨著輸入電壓增加而減少.另一方面，輸出電容的ESR是開關(guān)頻率的主要影響因素.

(2) 當(dāng)磁滯降壓穩(wěn)壓器為暫態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，輸出電壓浪涌幅度ΔVout為

ΔVout=ESRΔIout.

(22)

由式(22)可知，負(fù)載暫態(tài)變化時(shí)輸出浪涌電壓取決于輸出電容的ESR，并可在負(fù)載電流的電流變化速率較高時(shí)清晰可見.為了讓磁滯穩(wěn)壓器在高頻率下工作并提供良好的輸入噪聲抗擾性，需要采用高 ESR，但這對(duì)負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)有適得其反的效果.

基于上述電源特定領(lǐng)域知識(shí)，依據(jù)研究與設(shè)計(jì)開關(guān)電源所需的認(rèn)知技能，構(gòu)建了開關(guān)電源認(rèn)知圖譜，如圖1所示.圖1中圓形符號(hào)表征該變量為能力變量，倒三角符號(hào)表示證據(jù)變量，方框表示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目場(chǎng)景.

2 電力電子實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)估方法

2.1 基于開關(guān)電源特定領(lǐng)域知識(shí)的認(rèn)知測(cè)量模型

專家通過對(duì)被測(cè)者的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)果數(shù)據(jù)，經(jīng)認(rèn)知測(cè)量模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)者的知識(shí)與能力的測(cè)量與評(píng)估.在認(rèn)知測(cè)量模型中，DINA(deterministic inputs，noisy “and” gate)模型旨在對(duì)被測(cè)者的多維課程目標(biāo)進(jìn)行建模分析，它能夠在精準(zhǔn)建模被測(cè)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)的同時(shí)保證較好的可接受性[9-10].DINA模型通過開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)與課程目標(biāo)關(guān)聯(lián)Q矩陣的信息，構(gòu)建被測(cè)者對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的得分矩陣，借此來測(cè)量被測(cè)者的課程目標(biāo)達(dá)成度.一般假設(shè)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作答相互獨(dú)立，滿足伯努利分布.當(dāng)有I個(gè)被測(cè)者，J個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和K個(gè)課程目標(biāo)時(shí)，DINA模型的潛在得分變量ηij可以表示為[11]

(23)

式中，αik=1或0，表示被測(cè)者i達(dá)成或沒有達(dá)成課程目標(biāo)k，αik={α1k,α2k,…,αik}表示被測(cè)者的潛在能力矩陣，反映達(dá)成課程目標(biāo)k需要具備的能力；矩陣Q={qjk}J*K；ηij反映了被測(cè)者i，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目j對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)達(dá)成情況.在引入失誤率s和猜測(cè)率g兩種項(xiàng)目參數(shù)后，實(shí)際響應(yīng)矩陣X={Xij}I*J的概率模型，即被測(cè)者i具備i的條件下，正確完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目j的概率為

(24)

式中：Ωj=(gj,sj)是一個(gè)項(xiàng)目參數(shù)矢量.其中，gj=P(Xij=1|ηij=0)表示未達(dá)成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目j的課程目標(biāo)的被測(cè)者，正確完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目j的概率，即猜測(cè)率；sj=P(Xij=0|ηij=1)定義為達(dá)到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目j的課程目標(biāo)的被測(cè)者，未能正確完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目j的概率，即失誤率.

2.2 開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)與課程目標(biāo)的關(guān)聯(lián)矩陣

依據(jù)圖1開關(guān)電源認(rèn)知圖譜設(shè)計(jì)了16個(gè)開關(guān)電源實(shí)驗(yàn).根據(jù)電源領(lǐng)域?qū)＜?subject matter experts, SMEs)制定了開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)與課程目標(biāo)的關(guān)聯(lián)矩陣，如表1所示.其中，灰色表示該實(shí)驗(yàn)?zāi)芸疾煸撜n程目標(biāo)是否達(dá)成，而白色則表示不能考察.開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)與電力電子實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)關(guān)聯(lián)矩陣表代碼的部分解釋見表1下方的注釋.

表1 開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)與課程目標(biāo)關(guān)聯(lián)矩陣

注:

實(shí)驗(yàn)1：輸入電壓對(duì)效率的影響

實(shí)驗(yàn)2：開關(guān)頻率對(duì)效率的影響

實(shí)驗(yàn)3：負(fù)載電流對(duì)效率的影響

實(shí)驗(yàn)4：輸入輸出電容對(duì)輸入電流紋波和輸出電壓紋波的影響

實(shí)驗(yàn)5：輸入電壓對(duì)輸入電流紋波和輸出電壓紋波的影響

實(shí)驗(yàn)6：開關(guān)頻率對(duì)輸入電流紋波和輸出電壓紋波的影響

實(shí)驗(yàn)7：反饋補(bǔ)償對(duì)電流模式控制型降壓穩(wěn)壓器的負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)8：運(yùn)行條件和輸出電容對(duì)磁滯降壓穩(wěn)壓器的負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)9：電感飽和對(duì)動(dòng)態(tài)電感量的影響

實(shí)驗(yàn)10：電感飽和對(duì)電感電流紋波和輸出電壓紋波的影響

實(shí)驗(yàn)11：不同類型的電感在磁芯飽和時(shí)對(duì)電流限制行為的影響

實(shí)驗(yàn)12：開關(guān)頻率對(duì)使用不同類型電感時(shí)降壓穩(wěn)壓器的電流限制行為的影響

實(shí)驗(yàn)13：輸出電容對(duì)使用不同類型電感時(shí)降壓穩(wěn)壓器的電流限制行為的影響

實(shí)驗(yàn)14：運(yùn)行條件和輸出電容對(duì)磁滯降壓穩(wěn)壓器的電感電流紋波的影響

實(shí)驗(yàn)15：運(yùn)行條件和輸出電容對(duì)磁滯降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓直流精度和紋波峰峰值的影響

實(shí)驗(yàn)16：運(yùn)行條件和輸出電容對(duì)磁滯降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率的影響

課程目標(biāo)1-3：掌握電路、電子技術(shù)基礎(chǔ)、電磁場(chǎng)等電氣類工程基礎(chǔ)知識(shí)，并具有分析工程問題的能力.

課程目標(biāo)1-4：能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決電氣工程、船舶電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備自動(dòng)化及相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題.

課程目標(biāo)2-1：掌握文獻(xiàn)檢索方法，并通過研究分析電氣工程、船舶電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備自動(dòng)化及相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題.

課程目標(biāo)2-2：能夠利用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)基本原理對(duì)電氣工程、船舶電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備自動(dòng)化及相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和表達(dá).

課程目標(biāo)2-3：能夠通過工程原理、工程方法和文獻(xiàn)研究綜合對(duì)電氣工程、船舶電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備自動(dòng)化及相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析，并獲得有效結(jié)論.

課程目標(biāo)3-1：能夠針對(duì)電氣工程、船舶電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備自動(dòng)化及相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題明確設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)解決方案.

課程目標(biāo)3-3：在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素.

課程目標(biāo)4-1：能夠運(yùn)用科學(xué)原理及專業(yè)知識(shí)，針對(duì)電氣工程、船舶電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備自動(dòng)化及相關(guān)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究.

課程目標(biāo)4-3：能夠參照理論模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋，并得到有效結(jié)論.

課程目標(biāo)5-2：具有開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具的能力.

課程目標(biāo)5-3：能夠使用現(xiàn)代化工程工具與信息技術(shù)工具對(duì)復(fù)雜工程問題進(jìn)行建模、預(yù)測(cè)和模擬，并在實(shí)踐過程中理解其局限性.

S1-1: 掌握等效電路的概念和特點(diǎn)，基爾霍夫定律，能分析降壓電路的等效電路的原理.

S1-2: 運(yùn)用MOSFET損耗的計(jì)算，能對(duì)降壓穩(wěn)壓器輸入電壓值和開關(guān)頻率之間的相關(guān)性進(jìn)行分析

S1-3: 能使用二端口網(wǎng)絡(luò)模型簡化降壓穩(wěn)壓器輸入輸出之間的關(guān)系，在滿足輸出條件的同時(shí)，對(duì)電氣性能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整.

S1-4：掌握降壓電路原理，MOSFET元件損耗的計(jì)算公式，能分析和解釋輸入電壓對(duì)降壓電路效率的影響.

S1-5：能夠使用WEBENCH仿真工具，對(duì)TPS54160芯片的降壓電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，建模，仿真分析輸入電壓對(duì)效率的影響.

S2-1：掌握LC諧振產(chǎn)生的條件，能分析在降壓電路實(shí)驗(yàn)中振鈴產(chǎn)生的原因.

S2-2：運(yùn)用MOSFET損耗的計(jì)算，能對(duì)降壓穩(wěn)壓器輸入電壓值和開關(guān)頻率之間的相關(guān)性進(jìn)行分析.

S2-3：掌握降壓電路原理，MOSFET元件的損耗的計(jì)算公式，能分析和解釋開關(guān)頻率對(duì)降壓電路效率的影響.

S2-4：能夠使用WEBENCH仿真工具，對(duì)TPS54160芯片的降壓電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，建模，仿真分析開關(guān)頻率對(duì)效率的影響.

S2-5：能夠使用WEBENCH仿真工具對(duì)基于TPS54160芯片的降壓電路進(jìn)行仿真并做實(shí)驗(yàn)，通過仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形的比較發(fā)現(xiàn)仿真工具的局限性，并提出改善方法；通過分析振蕩數(shù)學(xué)模型，找到減小振蕩的方法.

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)被測(cè)者對(duì)于開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成情況和所選擇的DINA模型，采用期望后驗(yàn)估計(jì)(expected a posteriori, EAP)和最大后驗(yàn)概率估計(jì)方法(maximum a posteriori, MAP)對(duì)被測(cè)者的課程目標(biāo)的達(dá)成情況進(jìn)行計(jì)算.

(1) EAP估計(jì)值一般是0～1之間的概率，即每個(gè)被測(cè)者達(dá)成課程目標(biāo)的期望后驗(yàn)概率.被測(cè)者i在第1個(gè)課程目標(biāo)上的EAP估計(jì)值為

(25)

(26)

(2) 采用MAP算法對(duì)被測(cè)者的知識(shí)點(diǎn)與課程目標(biāo)的達(dá)成情況進(jìn)行計(jì)算，被測(cè)者課程目標(biāo)能力達(dá)成度的估計(jì)值為

(27)

式中，P(αl|Xi1,Xi2,…，XiJ,)為觀測(cè)到被測(cè)者i的實(shí)驗(yàn)j的完成情況，達(dá)成l課程目標(biāo)的概率.由貝葉斯定理，可得

(28)

其中，

(29)

3 案例分析和結(jié)果

受實(shí)驗(yàn)條件限制，將16個(gè)實(shí)驗(yàn)所涉及的知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)成測(cè)試題目.以問卷調(diào)查的形式發(fā)放給某高校27個(gè)學(xué)生進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試評(píng)定依據(jù)為，學(xué)生答對(duì)試題即表征已達(dá)成了相應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，記為1，否則說明未達(dá)成，記為0.專家依據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)試評(píng)定依據(jù)得到被測(cè)者的得分矩陣，然后通過期望后驗(yàn)估計(jì)與最大后驗(yàn)概率估計(jì)方法，得到被測(cè)者的課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)估結(jié)果.

3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目參數(shù)估計(jì)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的非失誤率與猜測(cè)率估計(jì)值，如圖2所示.一般認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目參數(shù)的失誤率與猜測(cè)率小于0.4，則說明實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具備較高的合理性和有效性.由于數(shù)據(jù)量不充足，問卷中試題1，4，5，8失誤率與猜測(cè)率結(jié)果不佳，后期工作中可通過增加樣本量減少噪音.

3.2 被測(cè)者課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)估依據(jù)與結(jié)果分析

EAP分析結(jié)果如圖3所示，可知部分被測(cè)者stu1～stu10達(dá)成課程目標(biāo)obj1～obj11的概率.

MAP分析結(jié)果如圖4所示，可知被測(cè)者是否達(dá)成課程目標(biāo)1～11，達(dá)成則為1，否則為0.

4 結(jié)論與展望

(1) 依據(jù)德州儀器電源教學(xué)的電源管理實(shí)驗(yàn)室套件和電源領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)，構(gòu)建了開關(guān)電源認(rèn)知圖譜，表征了電源拓?fù)涮匦浴⒋判栽?、控制方式等因素之間的相互影響關(guān)系.

(2) 基于開關(guān)電源認(rèn)知圖譜構(gòu)建了開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)與電力電子實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)的關(guān)聯(lián)矩陣，并詳細(xì)闡述了電力電子實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)，為電力電子實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)估提供了依據(jù).

(3) 基于開關(guān)電源特定領(lǐng)域知識(shí)的認(rèn)知測(cè)量模型，研究與分析了基于開關(guān)電源認(rèn)知圖譜的電力電子實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)方法.基于降壓穩(wěn)壓器認(rèn)知能力評(píng)測(cè)，通過分析被測(cè)者試題作答反應(yīng)，經(jīng)期望后驗(yàn)估計(jì)和最大后驗(yàn)估計(jì)方法，分析并得到了被測(cè)者的電力電子實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)是否達(dá)成.

(4) 基于認(rèn)知圖譜的電力電子實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)估方法，提升了課程目標(biāo)評(píng)價(jià)的科學(xué)性，可用于其他專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)估，具有普適性.