——山特電子（深圳）有限公司 全亞斌（著）

    摘要

    本文從UPS電源系統的可用性概念出發，對UPS內部的設計，UPS系統的配置以及相關配電結構進行分析，給出了UPS系統提升可用性的方法。

    前言

    UPS電源是工業領域用來對負載進行斷電保護的關鍵設備。對于斷電保護，針對不同的負載應用，又有兩種類型。一種是普通的電腦類設備，當斷電發生時，UPS電源需要為負載提供幾分鐘到十幾分鐘的后備供電時間。在這段后備時間之內，負載設備會進行數據存儲等動作以防數據丟失，之后負載就會關機。在UPS達到后備時間之后負載仍然會斷電，但這不會導致經濟損失。另外一種是在數據中心，以及工業應用之類的場合，對UPS的要求就是真正的不斷電，UPS系統必須提供整年每天24小時的連續供電。本文對可靠性與可用性的討論就是針對這種情況。

    電源系統的可靠性通常可以使用MTBF（平均故障間隔時間，或者平均無故障工作時間，以小時表示）來表示，此外還有一個更加容易理解的指標AFR（年失效率）。AFR和MTBF成反比關系，也就是AFR=8760/MTBF。因此MTBF越長，則年失效率越低。

    對于可維修的系統來說，還有一個可用性的指標，其定義是

A = MTBF / (MTBF + MTTR)

    其中A是一個百分比指標，MTTR值得是平均故障修復時間。如果系統出現故障時可以非常快速的恢復，那么系統的可用性指標就比較高。對于電網這類對象來說，使用可用性指標可以更加直觀的衡量其可靠程度。而對于在關鍵場合經常使用并聯冗余配置來說，可用性指標比可靠性指標更具有現實意義。

    可靠性/可用性指標都是統計意義上的概念，一個電源系統的可靠性/可用性與構成系統的各個模塊的可靠性/可用性之間也存在統計意義上的關聯。

    假設電源系統中存在兩個電源模塊，而這兩個模塊是并聯工作的，其中一個和另外一個是互相獨立的，見下面圖中所示

    那么考察這兩個模塊組合起來的系統的可用性Asys與每個模塊各自的可用性A1與A2的關系就有

Asys = 1 – (1 – AFR1)×(1 – AFR2)

    另外一種可能是系統中這兩個模塊是串聯的，見下面圖中所示

    那么這兩個模塊組合起來的系統的可用性Asys與每個模塊各自的可靠性A1，A2的關系就有

Asys = A1×A2

    由于可用性肯定是處于0～1之間的數值，因此兩個并聯模塊的總體可用性要高于各自的可用性，而兩個串聯模塊的可用性要低于各自的可用性。

    UPS電源的可靠性

    從單個UPS的設計來說，可以把整個產品按照模塊進行劃分，下面圖中是一個典型的UPS系統結構圖

    從圖中可以看到，UPS各個模塊之間的依賴關系比較復雜，但是還是可以分出串并聯的關系如下

    輔助電源與所有其他模塊都是串聯的，因此輔助電源的可用性直接限制了系統能夠達到的最高可用性等級；

    控制模塊與除輔助電源之外的其他模塊也都是串聯的，因此控制模塊的可用性也會直接影響到系統總體可用性設計；

    對于負載端來說，能夠直接相連的只有旁路模塊與逆變模塊，而這兩個模塊是并聯的；

    PFC/整流模塊與電池升壓模塊是并聯的，之后再與逆變模塊串聯；

    從能源提供者來講，這里旁路電源與市電電源是兩路獨立的電源，而電池能源是由市電經過充電模塊提供的。如果充電模塊故障的話電池就沒有能量存儲，實際上也無法實現正常的UPS功能，因此市電—充電模塊—電池也是串聯的。這樣可以畫出整個UPS系統的可用性串并聯路徑圖

    從這一路徑關系里可以看到，總共存在3條并聯的路徑，而每一條路徑各自又是由數個模塊串聯起來的。正與前面分析的一樣，輔助電源與控制模塊的可用性是串聯在所有通路上的，因此如果這兩者設計有缺陷的話UPS的可用性是無法做的很高的。電池回路串聯有最多的模塊數量，也是可用性最低的一條路徑。

    要提升系統的可用性首先要提升關鍵路徑的可用性。從路徑圖上可以看到就是控制模塊與輔助電源。輔助電源是整個UPS的關鍵點，如果輔助電源不工作整個UPS都將癱瘓。提升輔助電源可用性的方式可以有很多種方案：一種是改進設計，提升MTBF；一種是對輔助電源也適用并聯冗余設計，提升可用性；再一種是對UPS的三條可用性路徑分別使用不同的輔助電源，相當于把原來完全串聯的路徑改成并聯。在UPS設計中可以混合使用這幾種方式，由于上面三條可用性通路是并聯的，而旁路通路本身是可用性最高的一條，因此最為推薦的設計就是優先提升旁路的可用性，對旁路單獨使用一套輔助電源供電，并且這套電源的盡量采用簡單的設計，以擁有高的MTBF。

    控制模塊同樣也是影響到所有路徑的關鍵點，也必須擁有高的可用性。參照輔助電源的處理方法，也可以給相對獨立的旁路路徑配備單獨的控制模塊，并且通過與其余控制功能協調工作來達到高可用性的目的。同樣，旁路上的控制模塊也要盡量簡單，以提升可靠性。一種推薦的做法是旁路控制模塊不斷的檢測UPS主控制模塊的狀態，如果發現主控制模塊，則自動切換到旁路方式。此外，對于主控制模塊來說也可以通過冗余的方式來提升可用性，比如采用雙MCU結構，當一個MCU檢測到另外一個MCU發生故障時可以接管另一個MCU的功能，或者采取緊急措施如轉旁路來保證負載不斷電。

    對于UPS來說，電池是保證UPS能夠在市電或者旁路斷電發生時繼續維持供電的關鍵，但是串聯環節最多，也恰恰是可用性最為薄弱的環節。一般電池規格書里面會說明充電電流不要超過0.15CC，這就意味著電池在UPS滿載放電放完之后要用數倍的時間才能重新充滿，從這個意義上講其可用性一般都在20%以下。但是由于電池并不是連續工作的，只要在電池放完前市電恢復，在重新充電的過程中也沒有再發生斷電，那么負載仍然不會受到影響。從這方面來看，電池的可用性在只會發生短時間的斷電情況下還是很高的。

    再重新來審視電池回路的可靠性，在電池與市電之間還有一個充電器模塊環節。如果充電器損壞則電池在一次放完電之后就無法再充回，導致下一次市電停電時負載斷電。但是充電器只是在電池需要充電時才會工作，因此如果能夠及時對充電器的狀態進行監控，在發現充電器異常時及時報警，就能夠避免充電器故障帶來的問題，從而提升整個UPS的可用性。對于電池也有一樣的手段。電池在使用多次之后也會面臨容量下降和失效的問題，但是如果能夠通過電池狀態監控發現電池失效并及時更換，也能夠有效提升UPS的可用性。

    UPS系統的可靠性

    由于UPS并非一個單獨的應用系統，而是要搭配有其他一些環境因素在里面，所以這些外部因素也是必須考慮進來的。前面提到過，UPS電池的備電時間是有限的，如果斷電時間比較長，導致電池電放完，那么負載就仍然會斷電。因此UPS可用性會受到市電發生長時間斷電概率的影響。

    為了解決這一瓶頸，可以在UPS系統中加入一個特性和電池互補的備用電源：在市電斷電時的不需要很快反應，但是在長時間停電條件下能夠持續提供電力，燃油發電機組就是最為合適的一個選擇。因此在UPS系統配置上可以加入一個自動切換裝置，在市電停電后切換到發電機組。這樣一來能夠極大的提升長時間斷電條件下UPS系統的可用性。如此則UPS系統的可用性路徑就成為

    雖然在可用性路徑里面多串聯了一個市電與發電機切換用的ATS，增加了單調路徑發生故障的概率，但是相對長時間斷電帶來的可用性問題來說還是值得的。

    在UPS應用的另外一個分支是目前正在興起的直流UPS系統。直流系統的思路是出于提高效率的目的，減少電源系統中間的轉換環節，電力分配部分由原來的交流轉換成直流。一個理想的直流UPS系統服務器應用從市電到12V終端的應用結構見下圖。

    可以看出，理想的直流UPS系統由于把交流系統中UPS的逆變環節與服務器電源中的PFC環節使用一個隔離型DC/DC環節來取代，從而可以改善效率。不過在直流UPS系統里面由于電池電壓的變動范圍是比較大的，為了取得更優化的效率曲線，在后級的服務器電源中也有可能使用兩級結構。也就是通過一個簡單的轉換，減小服務器電源隔離DC/DC轉換級的輸入范圍，以得到更好的節能效果。此時的結構見下圖

    在這種直流UPS體系里面，不存在交流UPS中的旁路回路了，只存在一個市電到電池回路，這個回路也兼有充電器的作用。因此從單個UPS的可用靠性角度考慮，直流UPS可靠性鏈路只有兩條，其中一條是兩級變換加上輔助電源與控制板，另外一條是電池，見下圖所示

    與交流UPS相比，直流UPS供電少了交流UPS的旁路回路，少了一個提升可用性的回路。但是電池是直接給負載供電的，可用性要高于交流UPS。因此在可用性的方面直流供電系統有得有失。但是另一個方面直流系統比交流UPS更容易進行并聯，從而可以利用增加并聯臺數的方式增加可用性。

    配電系統的可用性

    對于一般的UPS系統應用來說，存在兩種常見的配置方式，一種是雙機熱備份，見下圖所示

    這種配置方式下兩臺UPS是完全并聯工作的。基于前面可用性的原理，第二種配置方式比第一種會有更高的可用性。

    這里就反映了可用性與可靠性的一個明顯不同。對于兩臺并聯冗余配置的UPS，由于器件多了一倍，那么出現故障的概率也會增高，因此從統計意義上來講整個系統的MTBF會下降。但是由于其中一臺出現故障之后仍然有一臺在工作，只要出故障的UPS能夠很快修復，負載就仍然處在有效的保護之中，可用性是提升的。從負載的角度衡量，評估系統的可用性比可靠性更加有意義。

    在可用性的定義中，電源系統恢復的時間越短，則可用性也會越好。因此把電源系統設計為模塊化易更換的結構，可以大大減小維護時間，從而使得可用性顯著改善。

    對于機房應用的場合，雙總線的概念應用十分廣泛。對于關鍵的服務器負載，一般都提供兩組電源輸入。相應的，在配電部分就也可以對應采用兩組獨立的電源總線。結合UPS本身就支持雙總線輸入，實際上可以構造出很多種組合形式。對不同方式進行比較后，比較推薦的一種典型的結構見下圖所示

    這里把兩組獨立市電都供給兩套UPS系統，然后每一套UPS系統作為一條總線來使用，可以充分發揮市電雙總線，UPS內部雙總線以及負載雙總線高可用性的優勢。

    結論

    本文對UPS內部設計，UPS系統以及配電系統的可用性進行分析，給出了提升UPS電源系統可用性的思路。通過分析結果可以發現在UPS中采用旁路與市電獨立的電源，加入多CPU監控，加入電池監控等措施可以明顯提升UPS的可用性。另外一方面在系統層次上，選擇模塊化的結構，縮短維修更換時間，更多使用并聯結構，也可以明顯提升可用性。■