原创 UPS产品设计趋势分析

UPS產品之設計趨勢簡介<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

張育銘

前言

隨著網際網路需求的快速成長，以及伺服器運用的日益普遍，對N+1冗餘設計之高可靠度電源供應器的需求已大幅提升。以UPS做為商業用電的備份，搭配並聯操作的開關(切換式)電源供應器(N+1 redundancy)成為網際網路及伺服器業者最常用之電源配套組合。有鑒於開關電源技術及軟體技術的快速提升，UPS 產品設計理念和過去已有顯著不同，本文提出UPS產品趨勢，並針對這些趨勢提出UPS未來的設計理念。

簡介

在現行之UPS產品其產品趨勢，可歸納成如下七點:

(一) 小型輕量化
(二) 智慧型操作與監控
(三) 高整機效率及高輸入功率因數運轉
(四) 使用者親善功能
(五) 環境保護之考量
(六) 具吸引人之價格

為了產品之設計能符合上述UPS產品趨勢，UPS之製造商所採取之設計理念大致如下:
(一) 主電路架構之簡化
(二) 控制電路之全微處理器化
(三) 柔性切換技術之引用
(四) 不同包裝技術之引用
(五) 鎳氫電池之採用

這六個設計理念對應於UPS產品趨勢之重要相關性可由下表了解得更為透徹。

主電路架構簡化

針對主電路架構的簡化是目前設計的趨勢，在此先介紹傳統之UPS架構。圖(一)為傳統之UPS架構(on-line)，若將AC/DC變換器拿掉就成為off-line UPS之架構。

圖(一)

簡化之方法有很多種，在本文中將提出幾種與讀者分享。

圖(二)所示為Exide簡化充電器設計之方法，原使用返馳式轉換器作充電器，現由簡單的L, C, R(Z)及二極體來取代，但其缺點是充電器必須在換流器運轉下才能發揮功能，是以在遙控關機時充電器將無法運作。

圖(二)

圖(三)及圖(四)則為Sanken所採用之主架構電路，其設計理念是將放電用之DC/DC converter 整合於PFC AC/DC converter中。其動作原理簡述如下：

圖(三)

圖(四)

另一簡化架構例子之則是較為常見的，如圖(五)，放電路徑之DC/DC變換器由L2, S3, S4(S1 ~S6內含快速二極體)所構成之升壓型變換器，由於此結構具雙向性操作之特點，當市電正常時，此架構可被運用來當充電器，其缺點是，市電斷電時可能因偵測斷電方法之速度及靈敏度的不同而形成DC BUS電壓下降之現象，此現象可能導致換流器輸出電壓波形低於規格。由上面三種不同之簡化技巧之介紹，讀者應可自行發展適合自己之主電路架構。

圖(五)

控制電路之全微處理器化
UPS 主要由下列之電路所構成
(一) 主架構電路(由電力電子元件構成)
(二) 驅動線路
(三) 監控、顯示及保護線路
(四) 通信介面線路
(五) 突波吸收器及電磁干擾濾波電路

其中在(三)、(四)項可運用數位化設計的技巧來簡化其電路之複雜性，並解決原類比電路需調整，具溫度飄移及參數調變不易的特性，目前採用方法如下：
(一) 全微處理器化：如利用TMS320C240來執行第(三)、(四)項之功能時。
(二) 半微處理器化：利用類比電路處理快速之回授保護線路，而由處理器處理慢速回授，告警，顯示及通信介面之功能。

圖(六)

全微處理器化之UPS，雖有甚多的優點，但目前仍有其限制，就以低頻方式設計之off-line UPS全微處理器已經是最佳且也近乎是唯一之選擇，但若運用在on-line UPS上卻未必能收到如此之效果，概因主架構電路之小型化及高頻化決定了UPS大部分之成本與性能，而現行之微處理器應用在高頻化(100-220KHZ)上速度仍顯不足。是以就此觀點來看，方法(二)被方法(一)全部取代仍需一段時間。

柔性切換之技術之引用

為了有效提高效率，減少UPS之尺寸與重量，高頻化設計是必要的，但由於開關元件如MOSFET, IGBT, 快速二極體之非理想性，其在開或關的瞬間產生了切換損失如圖(七)，而此切換損失隨著頻率之增加而增加，如此導致高頻化的困難，因而為了解決此切換損失所導致的高頻化限制，柔性切換因而誕生。

圖(七)

鎳氫電池之採用

鎳氫(Ni-MH)電池具高能量密度之優點且又無鎳鎘電池可能造成鎘污染之危險，是以若將其設計用於UPS內將可收小型輕量化之優點，目前在日本UPS廠SANKEN已有部份UPS機型採用此種電池，但其最大缺點是電池售價太高，以目前之售價即使節省了包裝、機構等材料費(因小型化)，整機成本仍比使用鉛酸免維護電池高出許多，不過可以預期的是隨著鎳氫電池在消費型二次電池市場的大幅成長，其被使用於UPS之機會也將愈來愈大。

結語

隨著科技進步，產品的成功與是否能掌握產品之趨勢息息相關，因此在從事一項產品的設計所需考量的因素也愈來愈多，若有些許不慎，即可能達不到預期的銷售目標。舉例而言， 1993年前UPS監控軟體之需求仍被視為一種選用配備，但時至今日，運作在Window98及Window NT 系統下之監控軟體已成大部分UPS廠家之標準配備，且功能愈來愈強。這其中意味著產品趨勢之演進需要時間成熟，但所需要之設計技術卻不能等市場需要已大幅成長才開始建立，本文即基於此理念提出UPS產品之設計趨勢與讀者分享。

選購on-line 在線式UPS上應注意的幾點:

1.        是否有功率因數改善，高功率因數可降低輸入契約容量。對於低輸入功率因數之UPS
需考慮Y接N線線徑之大小須能承受3倍3次諧波電流(3 Irms3)之大小，若D接則需考
慮其環流所造成變壓器之損失。

2.        若UPS之負載為電感性或電容性時，所選擇之UPS架構其內部換流器應以全橋架構之
換流器為佳，若非此種架構則要求廠商提供能符合負載特性之機型。

3.        輸出Neutral至Frame Ground之電壓值，針對某些電腦或精密儀器對此電壓要求非常
低，有些要求小於3V，有些甚至要求需小於1V。