开关电源与UPS革命

摘要：UPS的用户设备，大都是计算机及其外围设备。这些设备绝大多数采用了开关稳压电源．因此不一定再需要交流供电，而采用直流供电还可以免除谐波干扰、增加数据处理与传输的安全性和可靠性。无逆变器UPS省掉了传统UPS中的逆变器，对用户设备实现直流供电，在保留所有外部特性的同时，其他各项技术性能也都大大提高，而且成本、体积、重量、功耗也都降至相同功率传统UPS的5％以内。整机对市电电网无干扰，输入端功率因数等于1，总谐波畸变THD等于零。
关键词：开关电源；UPS革命；无逆变器UPS

0 引言
市电并不是稳定的，它存在着很多电能质量问题，例如电压浪涌、高压尖脉冲、暂态过电压、电压下陷、线路噪声、频率偏移、持续低电压、供电中断等。这些质量问题既可以引起计算机的键盘锁定、硬件老化等相对较轻的不良影响，也可以导致数据完全丢失或主板烧毁等较大的事故。所以计算机必须采用UPS供电。UPS可以改善市电的供电质量，保护计算机稳定可靠地运行。

UPS是专门为计算机设计的一种不间断电源，UPS离不开计算机，计算机也离不开UPS。随着计算机的广泛应用，使得UPS也得到了广泛的应用。

对于UPS，按其输出电压波形的不同，可以分为交流UPS(AC UPS)和直流UPS(DC UPS)，对于像计算机和通信系统等直流用电负载而言，从供电的可靠性、安全性和运行效率来说，直流UPS比交流UPS具有更突出的优点，诸如电路简单、所用元器件少、成本低廉、功耗小、体积重量小、可靠性高、扩容简单、制造容易、维护方便等。但直流UPS也存在着一些缺点，例如，不能通过工频变压器向线性稳压电源供电，不能带交流负载，输出的大功率直流电压稳压困难，直流电压变化困难，市电与负载之间不能实现隔离等。虽然直流UPS比交流UPS具有更多的优点，但由于历史原因和传统观念的影响，当前应用较多的仍然是交流UPS，随着汁算机应用领域的增多，每个领域各有自己与众不同的特点，因此对交流UPS的要求也各不相同，而作为公共设备的交流UPS，则必须具备所有这些功能：同时，即使对同一领域，由于不断发展的需要，对UPS的功能要求也越来越多，这就使交流UPS的电路越来越复杂，所用元器件越来越多，成本越来越大，维护越来越复杂，体积越来越大，可靠性越来越差。为了提高UPS的可靠性，又需增加各种保护电路或采用冗余并联的工作方式。这种滚雪球式的发展方式，导致交流UPS的生产维护技术的难度和售价指数增加。这又使一般中小型用户难以承受，严重影响了交流UPS的进一步推广应用。当这种矛盾发展到一定程度时，必然会引发一场UPS革命。

l 当前UPS的结构特点与存在的问题
当前UPS电路的结构形式，是由上世纪70年代UPS开发的初期决定的。那时的计算机采用的是以工频变压器为依托的线性电源，同时又由于交流电动机负载的存在，因此早期的UPS主要目的是保持工频交流不中断一为了达到这个目的就必须进行逆变，于是逆变器就成了UPS中的核心部件。UPS性能的改善和功能的提高，都集中表现在逆变器上，因此大家都围绕着逆变器大做文章，使逆变器成为UPS中电路最复杂，工艺最复杂，元器件用得最多，要求又最严格、设计制造最困难．体积最大、造价最高的部件，它占去了UPS整机成本、体积、重量和功耗的90%以上，成为UPS技术、功能和制造维护的难点集中地，当然也是UPS故障最多、可靠性最差的地方。因此，对UPS革命自然而然地应从逆变器人手。也就是说要取消逆变器，只有这样才是对UPS最彻底的革命。但去掉逆变器在开关电源未普及之前决非易事，它有三大难点不能解决： 一是直流电压不能通过工频变压器向线性稳压电源输送电能，亦即不能实现不问断供电；二是大功率直流稳压困难，计算机的多种低压直流电源采用直流变压困难；三是市电与计算机的电隔离困难。

高频开关电源的出现与广泛应用，为解决上述三大难点创造了条件。高频开关电源萌芽于20世纪50年代，到20世纪70年代完成了20 kHzPWM开关电源样机，被称作“20 kHz革命”，是直流稳压电源发展史上的一个巨大飞跃。到20世纪术高频开关电源技术已经非常成熟，并得到了广泛的应用，特别是在计算机电源中的应用，为UPS取消逆变器创造了条件，因为它解决了直流蓄电池电压的稳压、变压和市电与计算机之间的隔离问题。

为了减小低压大电流时的线路压降，减小电源故障的影响范围，提高供电的可靠性，一般在小型计算机中都装有高频开关电源。这些开关电源的具体线路可能不完全相同，但其基本结构与组成部分足大致一样的。当前，ATX电源已取代早期的AT电源应用于计算机中，其原理电路如图l所示。它主要是由抗干扰滤波、市电侧整流和平滑滤波3种电路组成的市电侧整流滤波电路，以及由高频逆变、高频变压隔离、高频整流、高频滤波及控制电路组成的DC／DC变换器两部分组成的。输出的低压直流电压为12V，5V，3．3 V，以供计算机内部电路使用。一般高频开关电源允许输入电压的变化范围为交流工频165～275 V，直流233 4～388．9 V，输出电压精度为O 6％～1％。