UPS类功率电源产品的标准化设计研究

  产品的标准化设计与研制是提高产品开发质量、加快产品研制速度、避免产品设计失误的重要方法与手段。产品标准化的应用可以进一步降低企业产品研制与生产成本,在为企业产生显著经济效益的同时避免不必要的经济损失。产品标准设计的主要优点有:

  4）增加产品配件设计标准化,降低产品生产、装配、工艺难度,提高产品生产的机械化程度与生产率;

  5）有利于提高产品的零部件复用率、提高零部件的采购议价能力,降低器件采购成本。

  与产品国标、行标、企标的标准化建设不同,本文是在结合作者实际产品设计工作经验,并考虑UPS功率电源产品技术特点,从产品设计理念与技巧等角度,来实现公司UPS功率电源产品的软、硬件设计标准化工作。通过该项工作,解决当前公司电源产品日益扩张后所带来的产品设计质量风险,缩短产品研发周期与上市周期。

  展开产品标准化设计,绕不开产品的层次化设计思想。“层次”是自然辩证法中有关系统论的基本哲学概念,是形成标准化设计的哲学基础。唯物主义辩证法指出,“系统”是由相互作用的各部分所组成的、具备一定功能的整体。一个性能优异、功能完备的电力电子产品无疑也是一个设计良好的系统。

  有关层次化的概念深入在产品与技术的方方面面,例如麻省理工学院电子工程和计算机科学教授Anant Agarwal在讲授《电路与电子学》过程中,当讲到什么是电子工程时,其将电子工程分成了如图1所示的层次化结构。从最初自然界间的量值关系开始,进而形成自然物理规律再经过层层集总抽象,最终形成小到烤面包机,大到航天飞机等电子产品。

  在硬件开发领域中,电子设计自动化EDA技术也完全是按层次化思想开展设计的。EDA技术是以计算机为工作平台,融合了计算机技术、信息处理技术、电子技术等最新研究成果,用硬件描述语言HDL完成设计的一种全自动计算机辅助设计CAD技术。

  HDL语言通过使用结构级或行为级描述,可以在电子产品的不同抽象层次开展电子行为描述与设计。HDL语言也是一种层次化设计方法,采用自顶向下的设计方法开展数字电路设计。如图2所示,HDL抽象层次描述包括行为领域、结构领域、物理领域3个领域,以及系统级、算法级、寄存器传输级、逻辑级与电路级5个抽象层次。

  在软件开发领域,层次化设计思想也是应用于软件设计的方方面面。在计算机标准通信模型中,开放式系统互联参考模型OSI也完全是依据层次化进行设计的。如图3所示,该通信协议模型分为7层通信逻辑。作为OSI标准模型的子集,计算机网络通信协议TCP/IP协议是国际互联网应用最为广泛的基础协议,它规范了信息设备如何与互联进行交互信息,其最主要协议是IP网络层协议和TCP传输层协议所。TCP/IP协议栈层次化结构包括:网络接口层、网络层、传输层、应用层4层,每一层都为上层协议提升必要的功能支持。

  此外,还有操作系统的层次化结构设计等等,可见层次化的设计理念深入在工程技术的方方面面,大凡上了一定规模的应用设计都具备层次化设计结构。利用产品的层次化设计,即可开展产品的标准化设计。因为,在一个产品的各层次间可以形成一个个标准化的接口,各层次间通过标准化接口互联进而形成完整有机整体。

  相对于产品的自顶向下设计方法,自下而上的产品设计过程是一种更为常见的设计方法。过去,人们在产品设计过程中,通常在了解产品功能需求后,从元器件开始形成电路单元设计,进而组成功能部件,最后完成产品系统设计。这类设计方式主要针对早期一些小型工程与产品是适用的。然而,面对当前产品结构与功能的日益复杂化,这种自下而上的设计方式往往导致项目开发者陷入孤立的产品细节问题中,缺乏产品系统的全局观。这样设计出来的产品往往存在很多设计缺陷与质量隐患。因此,面对当前越来越复杂系统,产品设计需要自顶向下的设计方法来避免上述问题。

  所谓自顶向下的设计方法是指:产品设计过程首先从产品整体开始,对系统的功能与性能进行划分,将整体功能分解为功能较为单一、输入输出明确的功能模块,并明确各功能模块之间的相互联接关系,重复上述过程,直到最后划分的功能单元可以通过电路实物来实现。

  采用自顶向下的设计方法的优点是显而易见的。由于产品设计是从顶层逻辑功能开始,通过现代软件仿真工具,即可从设计之初即掌握产品的功能性能状况。如果客户应用需求发生变化,则可就此调整设计方案,进行产品功能、性能的优化与折衷。随着设计层次的展开,产品功能与性能参数将进一步得到细化与确认,并可随时根据客户需求进行调整,从而即保证了设计结果的正确性又缩短了产品的设计。

  自顶向下的设计方法广泛的存在于当今社会的各行各业,就电子行业而言,在现代职业中,出现了产品构架师、软件构架师等新型职业。如前述,在产品硬件设计领域,EDA设计的工程组织是采用自顶向下设计方法的;在产品软件设计过程中,自顶向下设计方法是将一个复杂系统软件通过自上而下、逐步分解的方式实现软件模块划分,直到分解为若干单一功能模块并明确各模块之间调用关系为止。现在主流系统级软件开发也都是自顶向下进行项目组织与模块化开发设计的。

  UPS产品各层次化设计如图3所示,其中产品规划为公司集团级顶层设计部分,主要用于规划产品系列与产品树,不是本文的重点。本文侧重于从产品部件以及下各产品设计层次,结合自顶向下的设计理念以及层次化的设计风格,研究UPS产品标准化设计思路。

  UPS产品系统组成大致如图5所示,主要包括功率及驱动单元、主控制单元、显示与通信、系统电流与充电器等基本组成模块。那么,在系列产品内、与产品间有很多共通的电路模块,因此可将这类模块规范,并形成标准化模块设计。

  另外,与显示单元、系统电源、充电器一样,功率模块也可标准化设计,如图6所示,设计出标准功率模块组件。那么相关产品则只需搭积木一样,实现相关配电与控制即可。

  这里的硬件标准化设计是指,根据公司UPS产品的技术特点,在硬件原理图设计上按层级进行的标准化设计。原理图级标准化设计可开展的设计过程如图6所示,设计过程可以充分利用现代化的原理图设计工具辅助完成。

  此外,现代化原理图设计工具对层次化的标准电路设计均有良好的支持,通过标准化电路模块的调用,除实现原理图标准化设计以外,还可以极大减轻PCB制板工作人员的工作量。层次化的原理图设计采用自顶向下的设计过程,将完整的产品电路按功能分成若干子系统或子电路模块,然后通过模块电路的输入、输出接口将各子系统电路连接。分成子模块的电路图即可很好的形成标准化电路模块图,应用于完全不同的产品与项目。

  此外,层次化的原理图还可以将硬件电路的两个设计层次:“电路原理”设计与“电路信号流”设计清晰的分隔开,使得设计思路清晰便于核对,同时也方便了软件开发人员对硬件信号的掌握。

  与硬件模块标准化设计类似,软件模块根据自顶向下的层次化设计理念,可划分如下设计阶段与设计内容:

  对于软件框架,根据UPS产品的特点,UPS嵌入式控制软件顶层模块,可以形成如图9所示的嵌入式软件的层次结构。

  软件模块的标准化是根据软件的层次划分,组织相关层级软件的结构。以APP软件层设计为例,其软件模块组织结构如图10所示,APP模块设计只与具体产品相关而与底层硬件无关。

  软件再下一层设计,即是开始算法级软件模块设计,以UPS逆变控制软件模块为例,软件组织与算法规划如图11所示。

  经过软件的层层划分,形成各软件层次的标准化接口,即可有机组织形成软件整体,也可方便实现公司代码评审与管理。

  本文从技术角度研究了UPS产品标准化设计的相关理念与方法,其核心思想主要为:

  基于这两条设计理念,UPS产品即可划分为各部件,各部件间相互独立,通过标准化接口又可有机组成整体。标准化设计的优点不言而喻,这里最后再从管理的角度提一下它的优点,即:对于设计评审,特别是软件设计评审往往无的放矢,那么在实现标准化设计后,软、硬件的评审工作即变得非常简单了,即只需评审与常规或标准不符合的项目即可。

  [3] 许明金,韦祎,范昊栋.产品研制过程中的标准化工作[J].航空维修与工程,2015,(10):45-47.＼

  [4] 马玄,张继红,王映晟.标准化提升产品设计质量的探索[C]//标准化助力供给侧结构性改革与创新——第十三届中国标准化论坛.0.

  [5] 张岚.浅谈产品设计和开发各阶段的标准化[J].机械工业标准化与质量,2012,(8):39-41.

  易龙强,博士,高级工程师,研究方向为数字化电源设计理论与应用,光伏逆变系统技术与开发,数据中心供电系统理论研究与应用,电能计量与电能质量分析等。

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