| 前言 |
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随着因特网需求的快速成长，以及服务器运用的日益普遍，对N+1冗余设计之高可靠度电源供应器的需求已大幅提升。以UPS做为商业用电的备份，搭配并联操作的开关(切换式)电源供应器(N+1 redundancy)成为因特网及服务器业者最常用之电源配套组合。有鉴于开关电源技术及软件技术的快速提升，UPS产品设计理念和过去已有显著不同，本文提出UPS产品趋势，并针对这些趋势提出UPS未来的设计理念。 |
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| 简介 |
| 在现行之UPS产品其产品趋势，可归纳成如下七点: |
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(一) 小型轻量化
(二) 智能型操作与监控
(三) 高整机效率及高输入功率因子运转
(四) 使用者亲善功能
(五) 环境保护之考量
(六) 具吸引人之价格 |
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为了产品之设计能符合上述UPS产品趋势，UPS之制造商所采取之设计理念大致如下:
(一) 主电路架构之简化
(二) 控制电路之全微处理器化
(三) 柔性切换技术之引用
(四) 不同包装技术之引用
(五) 镍氢电池之采用 |
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| 这六个设计理念对应于UPS产品趋势之重要相关性可由下表了解得更为透彻。 |
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设计理念 |
(一) |
(二) |
(三) |
(四) |
(五) |
(六) |
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小型轻量化 |
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智能型操作与监控 |
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高整机效率及高输入
功率因子运转 |
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使用者亲善功能 |
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环境保护之考量 |
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具吸引人之价格 |
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| 主电路架构简化 |
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针对主电路架构的简化是目前设计的趋势，在此先介绍传统之UPS架构。图(一)为传统之UPS架构(on-line)，若将AC/DC变换器拿掉就成为off-line UPS之架构。 |
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图(一) |
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| 简化之方法有很多种，在本文中将提出几种与读者分享。 |
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图(二)所示为Exide简化充电器设计之方法，原使用返驰式转换器作充电器，现由简单的L, C, R(Z)及二极管来取代，但其缺点是充电器必须在换流器运转下才能发挥功能，是以在遥控关机时充电器将无法运作。 |
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| 图(二) |
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图(三)及图(四)则为Sanken所采用之主架构电路，其设计理念是将放电用之DC/DC converter整合于PFC AC/DC converter中。其动作原理简述如下： |
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| 图(三) |
| 1) 正常 (市电) 操作模式 (Sa on, Sb off) |
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正半周 |
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VS--> L1 --> D2 --> S1 --> D3 --> VS |
(charge mode) |
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VS --> L1 --> D5 --> C1 --> VS |
(discharge mode ) |
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负半周 |
VS --> D4 --> S1 --> D1 --> L1 --> VS |
(charge mode) |
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VS --> C2 --> D6 --> D1 --> L1 --> VS |
(discharge mode ) |
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| 2) Back-up模式 (Sa off, Sb on) |
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VB --> L1 --> D2 --> S1 --> VB |
(charge mode) |
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VB --> L1 --> D5 --> C1 --> C2 -->D6 --> VB |
(discharge mode ) |
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| 3) 电池充电稳压模式 |
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对应(正)之模式 (正半周) |
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C1 --> D7 --> S2 --> L2 --> VB --> D3 --> C1 |
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对应(负)之模式 (负半周) |
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C1 --> D7 --> S2 --> L2 --> VB --> D1 --> L1 --> VS--> C1 | |
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| 图(四) |
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| 1) 正常 (市电) 操作模式 (Sa on, Sb off) |
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正半周 |
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VS--> L1 --> D1 --> S1 --> VS |
(charge mode) |
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VS --> L1 --> D5 --> C1 --> VS |
(discharge mode ) |
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负半周 |
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VS --> S2 --> D2 --> D4 --> L1 --> VS |
(charge mode) |
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VS --> C2 --> D3 --> D4 --> L1 --> VS |
(discharge mode ) |
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| 2) 市电断电模式 (Sa off, Sb on) |
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VB --> L1 --> D2 --> S1 --> VB |
(charge mode;S1, S2同时on) |
| VB --> L1 --> D5 --> C1 --> C2 -->D6 --> VB |
(discharge mode;S2 on, S1 off) |
| VB --> L1 --> D1 --> S1 --> C2 -->D3 --> VB |
(discharge mode; 只有S1时) |
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| 3) 电池充电稳压模式 |
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对应正半周 |
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VB --> D6 --> S3 --> L2 --> VB --> D8 --> C1 |
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对应负半周 |
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C1 --> D6 --> S3 --> L2 --> VB --> D4 --> L1 --> VS--> C1 | |
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另一简化架构例子之则是较为常见的，如图(五)，放电路径之DC/DC变换器由L2, S3, S4(S1 ~S6内含快速二极管)所构成之升压型变换器，由于此结构具双向性操作之特点，当市电正常时，此架构可被运用来当充电器，其缺点是，市电断电时可能因侦测断电方法之速度及灵敏度的不同而形成DC BUS电压下降之现象，此现象可能导致换流器输出电压波形低于规格。由上面三种不同之简化技巧之介绍，读者应可自行发展适合自己之主电路架构。 |
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| 图(五) |
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控制电路之全微处理器化
UPS 主要由下列之电路所构成
(一) 主架构电路(由电力电子组件构成)
(二) 驱动线路
(三) 监控、显示及保护线路
(四) 通信接口线路
(五) 突波吸收器及电磁干扰滤波电路 |
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其中在(三)、(四)项可运用数字化设计的技巧来简化其电路之复杂性，并解决原模拟电路需调整，具温度飘移及参数调变不易的特性，目前采用方法如下：
(一) 全微处理器化：如利用TMS320C240来执行第(三)、(四)项之功能时。
(二) 半微处理器化：利用模拟电路处理快速之回授保护线路，而由处理器处理慢速回授，告警，显示及通信接口之功能。 |
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| 图(六) |
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全微处理器化之UPS，虽有甚多的优点，但目前仍有其限制，就以低频方式设计之off-lineUPS全微处理器已经是最佳且也近乎是唯一之选择，但若运用在on-line UPS上却未必能收到如此之效果，概因主架构电路之小型化及高频化决定了UPS大部分之成本与性能，而现行之微处理器应用在高频化(100-220KHZ)上速度仍显不足。是以就此观点来看，方法(二)被方法(一)全部取代仍需一段时间。 |
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| 柔性切换之技术之引用 |
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为了有效提高效率，减少UPS之尺寸与重量，高频化设计是必要的，但由于开关组件如MOSFET, IGBT, 快速二极管之非理想性，其在开或关的瞬间产生了切换损失如图(七)，而此切换损失随着频率之增加而增加，如此导致高频化的困难，因而为了解决此切换损失所导致的高频化限制，柔性切换因而诞生。 |
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| 图(七) |
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| 柔性切换就切换时间开关之状态又可分为: |
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(一) |
零电流切换(ZCS) |
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(二) |
零电压切换(ZCS) |
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(三) |
零电压零电流切换(ZV-ZCS)-- 目前柔性切换技术已被大幅运用在服务器之电源供应器及电信用电源供应器上，其所获致之优点已被肯定，但在UPS产品上运用此技术的厂商仍是少数。但以电源供应器技术之发展趋势来推论，在不久之将来柔性切换技术将广泛地被运用在UPS产品上。 |
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(四) |
不同包装技术之引用 -- 包装技术，在本文是指热处理及EMC处理等技术之统称。如何藉由好的包装技术来降低热及EMI&RFI之干扰一直是高功率密度电源供应器，探讨之重要课题，但UPS小型化之需求同样推动着UPS的设计要在包装技术上下更多的功夫，针对此项技术的要求，半导体亦因应地推出多种表面接着技术之开关组件。UPS制造商可由使用此类SMD组件搭配PCB板，铝基板或其它板材来达到小型化及易热处理之优点。针对包装技术美国UPS制造商Exide则采用特制的开关组件模块来达成其小型化易热处理之目的，但其缺点是该模块之单价偏高，产品需求量若不够大建议最好不要轻易尝试。 | |
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镍氢电池之采用 |
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镍氢(Ni-MH)电池具高能量密度之优点且又无镍镉电池可能造成镉污染之危险，是以若将其设计用于UPS内将可收小型轻量化之优点，目前在日本UPS厂SANKEN已有部份UPS机型采用此种电池，但其最大缺点是电池售价太高，以目前之售价即使节省了包装、机构等材料费(因小型化)，整机成本仍比使用铅酸免维护电池高出许多，不过可以预期的是随着镍氢电池在消费型二次电池市场的大幅成长，其被使用于UPS之机会也将愈来愈大。 |
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| 结语 |
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随着科技进步，产品的成功与是否能掌握产品之趋势息息相关，因此在从事一项产品的设计所需考量的因素也愈来愈多，若有些许不慎，即可能达不到预期的销售目标。举例而言， 1993年前UPS监控软件之需求仍被视为一种选用配备，但时至今日，运作在Window98及Window NT 系统下之监控软件已成大部分UPS厂家之标准配备，且功能愈来愈强。这其中意味着产品趋势之演进需要时间成熟，但所需要之设计技术却不能等市场需要已大幅成长才开始建立，本文即基于此理念提出UPS产品之设计趋势与读者分享。
选购on-line在线式UPS上应注意的几点:
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是否有功率因子改善，高功率因子可降低输入契约容量。对于低输入功率因子之UPS
需考虑Y接N线线径之大小须能承受3倍3次谐波电流(3 Irms3)之大小，若D接则需考
虑其环流所造成变压器之损失。
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若UPS之负载为电感性或电容性时，所选择之UPS架构其内部换流器应以全桥架构之
换流器为佳，若非此种架构则要求厂商提供能符合负载特性之机型。
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输出Neutral至Frame Ground之电压值，针对某些计算机或精密仪器对此电压要求非常
低，有些要求小于3V，有些甚至要求需小于1V。 |
