山特电子（深圳）有限公司 全亚斌（著）

摘要

本文从UPS电源系统的可用性概念出发，对UPS内部的设计，UPS系统的配置以及相关配电结构进行分析，给出了UPS系统提升可用性的方法。

前言

UPS电源是工业领域用来对负载进行断电保护的关键设备。对于断电保护，针对不同的负载应用，又有两种类型。一种是普通的电脑类设备，当断电发生时，UPS电源需要为负载提供几分钟到十几分钟的后备供电时间。在这段后备时间之内，负载设备会进行数据存储等动作以防数据丢失，之后负载就会关机。在UPS达到后备时间之后负载仍然会断电，但这不会导致经济损失。另外一种是在数据中心，以及工业应用之类的场合，对UPS的要求就是真正的不断电，UPS系统必须提供整年每天24小时的连续供电。本文对可靠性与可用性的讨论就是针对这种情况。

电源系统的可靠性通常可以使用MTBF（平均故障间隔时间，或者平均无故障工作时间，以小时表示）来表示，此外还有一个更加容易理解的指标AFR（年失效率）。AFR和MTBF成反比关系，AFR=8760/MTBF。因此MTBF越长，则年失效率越低。

对于可维修的系统来说，还有一个可用性的指标，其定义是

A = MTBF / (MTBF + MTTR)

其中A是一个百分比指标，MTTR值得是平均故障修复时间。如果系统出现故障时可以非常快速的恢复，那么系统的可用性指标就比较高。对于电网这类对象来说，使用可用性指标可以更加直观的衡量其可靠程度。而对于在关键场合经常使用并联冗余配置来说，可用性指标比可靠性指标更具有现实意义。

可靠性/可用性指标都是统计意义上的概念，一个电源系统的可靠性/可用性与构成系统的各个模块的可靠性/可用性之间也存在统计意义上的关联。

假设电源系统中存在两个电源模块，而这两个模块是并联工作的，其中一个和另外一个是互相独立的，见下面图中所示

那么考察这两个模块组合起来的系统的可用性Asys与每个模块各自的可用性A1与A2的关系就有

Asys = 1 – (1 – AFR1)×(1 – AFR2)

另外一种可能是系统中这两个模块是串联的，见下面图中所示   

 那么这两个模块组合起来的系统的可用性Asys与每个模块各自的可靠性A1，A2的关系就有

Asys = A1×A2

由于可用性肯定是处于0～1之间的数值，因此两个并联模块的总体可用性要高于各自的可用性，而两个串联模块的可用性要低于各自的可用性。

UPS电源的可靠性

从单个UPS的设计来说，可以把整个产品按照模块进行划分，下面图中是一个典型的UPS系统结构图

从图中可以看到，UPS各个模块之间的依赖关系比较复杂，但是还是可以分出串并联的关系如下

辅助电源与所有其他模块都是串联的，因此辅助电源的可用性直接限制了系统能够达到的最高可用性等级；

控制模块与除辅助电源之外的其他模块也都是串联的，因此控制模块的可用性也会直接影响到系统总体可用性设计；

对于负载端来说，能够直接相连的只有旁路模块与逆变模块，而这两个模块是并联的；

PFC/整流模块与电池升压模块是并联的，之后再与逆变模块串联；

从能源提供者来讲，这里旁路电源与市电电源是两路独立的电源，而电池能源是由市电经过充电模块提供的。如果充电模块故障的话电池就没有能量存储，实际上也无法实现正常的UPS功能，因此市电—充电模块—电池也是串联的。这样可以画出整个UPS系统的可用性串并联路径图

从这一路径关系里可以看到，总共存在3条并联的路径，而每一条路径各自又是由数个模块串联起来的。正与前面分析的一样，辅助电源与控制模块的可用性是串联在所有通路上的，因此如果这两者设计有缺陷的话UPS的可用性是无法做的很高的。电池回路串联有最多的模块数量，也是可用性最低的一条路径。

要提升系统的可用性首先要提升关键路径的可用性。从路径图上可以看到就是控制模块与辅助电源。辅助电源是整个UPS的关键点，如果辅助电源不工作整个UPS都将瘫痪。提升辅助电源可用性的方式可以有很多种方案：一种是改进设计，提升MTBF；一种是对辅助电源也适用并联冗余设计，提升可用性；再一种是对UPS的三条可用性路径分别使用不同的辅助电源，相当于把原来完全串联的路径改成并联。在UPS设计中以混合使用这几种方式，由于上面三条可用性通路是并联的，而旁路通路本身是可用性最高的一条，因此最为推荐的设计就是优先提升旁路的可用性，对旁路单独使用一套辅助电源供电，并且这套电源的尽量采用简单的设计，以拥有高的MTBF。

控制模块同样也是影响到所有路径的关键点，也必须拥有高的可用性。参照辅助电源的处理方法，也可以给相对独立的旁路路径配备单独的控制模块，并且通过与其余控制功能协调工作来达到高可用性的目的。同样旁路上的控制模块也要尽量简单，以提升可靠性。一种推荐的做法是旁路控制模块不断的检测UPS主控制模块的状态，如果发现主控制模块，则自动切换到旁路方式。此外，对于主控制模块来说也可以通过冗余的方式来提升可用性，比如采用双MCU结构，当一个MCU检测到另外一个MCU发生故障时可以接管另一个MCU的功能，或者采取紧急措施如转旁路来保证负载不断电。

对于UPS来说，电池是保证UPS能够在市电或者旁路断电发生时继续维持供电的关键，但是串联环节最多也恰恰是可用性最为薄弱的环节。一般电池规格书里面会说明充电电流不要超过0.15CC，这就意味着电池在UPS满载放电放完之后要用数倍的时间才能重新充满，从这个意义上讲其可用性一般都在20%以下。但是由于电池并不是连续工作的，只要在电池放完前市电恢复，在重新充电的过程中也没有再发生断电，那么负载仍然不会受到影响。从这方面来看，电池的可用性在只会发生短时间的断电情况下还是很高的。

再重新来审视电池回路的可靠性，在电池与市电之间还有一个充电器模块环节。如果充电器损坏则电池在一次放完电之后就无法再充回，导致下一次市电停电时负载断电。但是充电器只是在电池需要充电时才会工作因此如果能够及时对充电器的状态进行监控，在发现充电器异常时及时报警，就能够避免充电器故障带来的问题，从而提升整个UPS的可用性。对于电池也有一样的手段。电池在使用多次之后也会面临容量下降和失效的问题，但是如果能够通过电池状态监控发现电池失效并及时更换，也能够有效提升UPS的可用性。

UPS系统的可靠性

由于UPS并非一个单独的应用系统，而是要搭配有其他一些环境因素在里面，所以这些外部因素也是必须考虑进来的。前面提到过，UPS电池的备电时间是有限的，如果断电时间比较长，导致电池电放完，那么负载就仍然会断电。因此UPS可用性会受到市电发生长时间断电概率的影响。

为了解决这一瓶颈，可以在UPS系统中加入一个特性和电池互补的备用电源：在市电断电时的不需要很快反应，但是在长时间停电条件下能够持续提供电力，燃油发电机组就是最为合适的一个选择。因此在UPS系统配置上可以加入一个自动切换装置，在市电停电后切换到发电机组。这样一来能够极大的提升长时间断电条件下UPS系统的可用性。如此则UPS系统的可用性路径就成为

虽然在可用性路径里面多串联了一个市电与发电机切换用的ATS，增加了单调路径发生故障的概率，但是相对长时间断电带来的可用性问题来说还是值得的。

在UPS应用的另外一个分支是目前正在兴起的直流UPS系统。直流系统的思路是出于提高效率的目的，减少电源系统中间的转换环节，电力分配部分由原来的交流转换成直流。一个理想的直流UPS系统服务器应用从市电到12V终端的应用结构见下图。

而作为对比，一个相应的交流应用结构见下图。

可以看出，理想的直流UPS系统由于把交流系统中UPS的逆变环节与服务器电源中的PFC环节使用一个隔离型DC/DC环节来取代，从而可以改善效率。不过在直流UPS系统里面由于电池电压的变动范围是比较大的，为了取得更优化的效率曲线，在后级的服务器电源中也有可能使用两级结构。也就是通过一个简单的转换，减小服务器电源隔离DC/DC转换级的输入范围，以得到更好的节能效果。此时的结构见下图

在这种直流UPS体系里面，不存在交流UPS中的旁路回路了，只存在一个市电到电池回路，这个回路也兼有充电器的作用。因此从单个UPS的可用靠性角度考虑，直流UPS可靠性链路只有两条，其中一条是两级变换加上辅助电源与控制板，另外一条是电池，见下图所示

与交流UPS相比，直流UPS供电少了交流UPS的旁路回路，少了一个提升可用性的回路。但是电池是直接给负载供电的，可用性要高于交流UPS。因此在可用性的方面直流供电系统有得有失。但是另一个方面直流系统比交流UPS更容易进行并联，从而可以利用增加并联台数的方式增加可用性。

配电系统的可用性

对于一般的UPS系统应用来说，存在两种常见的配置方式，一种是双机热备份，见下图所示

在正常情况下由UPS1供电，如果UPS1的逆变/整流部分损坏，则仍然有UPS2可以供电。第二种配置方式是双机并联冗余，见下图所示

这种配置方式下两台UPS是完全并联工作的。基于前面可用性的原理，第二种配置方式比第一种会有更高的可用性。

这里就反映了可用性与可靠性的一个明显不同。对于两台并联冗余配置的UPS，由于器件多了一倍，那么出现故障的概率也会增高，因此从统计意义上来讲整个系统的MTBF会下降。但是由于其中一台出现故障之后仍然有一台在工作，只要出故障的UPS能够很快修复，负载就仍然处在有效的保护之中，可用性是提升的。从负载的角度衡量，评估系统的可用性比可靠性更加有意义。

在可用性的定义中，电源系统恢复的时间越短，则可用性也会越好。因此把电源系统设计为模块化易更换的结构，可以大大减小维护时间，从而使得可用性显著改善。

对于机房应用的场合，双总线的概念应用十分广泛。对于关键的服务器负载，一般都提供两组电源输入。相应的，在配电部分就也可以对应采用两组独立的电源总线。结合UPS本身就支持双总线输入，实际上可以构造出很多种组合形式。对不同方式进行比较后，比较推荐的一种典型的结构见下图所示

这里把两组独立市电都供给两套UPS系统，然后每一套UPS系统作为一条总线来使用，可以充分发挥市电双总线，UPS内部双总线以及负载双总线高可用性的优势。

 结论

本文对UPS内部设计，UPS系统以及配电系统的可用性进行分析，给出了提升UPS电源系统可用性的思路。通过分析结果可以发现在UPS中采用旁路与市电独立的电源，加入多CPU监控，加入电池监控等措施可以明显提升UPS的可用性。另外一方面在系统层次上，选择模块化的结构，缩短维修更换时间，更多使用并联结构，也可以明显提升可用性。