摘要：UPS的用戶設(shè)備，大都是計算機(jī)及其外圍設(shè)備。這些設(shè)備絕大多數(shù)采用了開關(guān)穩(wěn)壓電源．因此不一定再需要交流供電，而采用直流供電還可以免除諧波干擾、增加數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴o逆變器UPS省掉了傳統(tǒng)UPS中的逆變器，對用戶設(shè)備實(shí)現(xiàn)直流供電，在保留所有外部特性的同時，其他各項(xiàng)技術(shù)性能也都大大提高，而且成本、體積、重量、功耗也都降至相同功率傳統(tǒng)UPS的5％以內(nèi)。整機(jī)對市電電網(wǎng)無干擾，輸入端功率因數(shù)等于1，總諧波畸變THD等于零。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；UPS革命；無逆變器UPS

引言

市電并不是穩(wěn)定的，它存在著很多電能質(zhì)量問題，例如電壓浪涌、高壓尖脈沖、暫態(tài)過電壓、電壓下陷、線路噪聲、頻率偏移、持續(xù)低電壓、供電中斷等。這些質(zhì)量問題既可以引起計算機(jī)的鍵盤鎖定、硬件老化等相對較輕的不良影響，也可以導(dǎo)致數(shù)據(jù)完全丟失或主板燒毀等較大的事故。所以計算機(jī)必須采用UPS供電。UPS可以改善市電的供電質(zhì)量，保護(hù)計算機(jī)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

UPS是專門為計算機(jī)設(shè)計的一種不間斷電源，UPS離不開計算機(jī)，計算機(jī)也離不開UPS。隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使得UPS也得到了廣泛的應(yīng)用。

對于UPS，按其輸出電壓波形的不同，可以分為交流UPS(AC UPS)和直流UPS(DC UPS)，對于像計算機(jī)和通信系統(tǒng)等直流用電負(fù)載而言，從供電的可靠性、安全性和運(yùn)行效率來說，直流UPS比交流UPS具有更突出的優(yōu)點(diǎn)，諸如電路簡單、所用元器件少、成本低廉、功耗小、體積重量小、可靠性高、擴(kuò)容簡單、制造容易、維護(hù)方便等。但直流UPS也存在著一些缺點(diǎn)，例如，不能通過工頻變壓器向線性穩(wěn)壓電源供電，不能帶交流負(fù)載，輸出的大功率直流電壓穩(wěn)壓困難，直流電壓變化困難，市電與負(fù)載之間不能實(shí)現(xiàn)隔離等。雖然直流UPS比交流UPS具有更多的優(yōu)點(diǎn)，但由于歷史原因和傳統(tǒng)觀念的影響，當(dāng)前應(yīng)用較多的仍然是交流UPS，隨著汁算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的增多，每個領(lǐng)域各有自己與眾不同的特點(diǎn)，因此對交流UPS的要求也各不相同，而作為公共設(shè)備的交流UPS，則必須具備所有這些功能：同時，即使對同一領(lǐng)域，由于不斷發(fā)展的需要，對UPS的功能要求也越來越多，這就使交流UPS的電路越來越復(fù)雜，所用元器件越來越多，成本越來越大，維護(hù)越來越復(fù)雜，體積越來越大，可靠性越來越差。為了提高UPS的可靠性，又需增加各種保護(hù)電路或采用冗余并聯(lián)的工作方式。這種滾雪球式的發(fā)展方式，導(dǎo)致交流UPS的生產(chǎn)維護(hù)技術(shù)的難度和售價指數(shù)增加。這又使一般中小型用戶難以承受，嚴(yán)重影響了交流UPS的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。當(dāng)這種矛盾發(fā)展到一定程度時，必然會引發(fā)一場UPS革命。

1 當(dāng)前UPS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與存在的問題

當(dāng)前UPS電路的結(jié)構(gòu)形式，是由上世紀(jì)70年代UPS開發(fā)的初期決定的。那時的計算機(jī)采用的是以工頻變壓器為依托的線性電源，同時又由于交流電動機(jī)負(fù)載的存在，因此早期的UPS主要目的是保持工頻交流不中斷一為了達(dá)到這個目的就必須進(jìn)行逆變，于是逆變器就成了UPS中的核心部件。UPS性能的改善和功能的提高，都集中表現(xiàn)在逆變器上，因此大家都圍繞著逆變器大做文章，使逆變器成為UPS中電路最復(fù)雜，工藝最復(fù)雜，元器件用得最多，要求又最嚴(yán)格、設(shè)計制造最困難．體積最大、造價最高的部件，它占去了UPS整機(jī)成本、體積、重量和功耗的90%以上，成為UPS技術(shù)、功能和制造維護(hù)的難點(diǎn)集中地，當(dāng)然也是UPS故障最多、可靠性最差的地方。因此，對UPS革命自然而然地應(yīng)從逆變器人手。也就是說要取消逆變器，只有這樣才是對UPS最徹底的革命。但去掉逆變器在開關(guān)電源未普及之前決非易事，它有三大難點(diǎn)不能解決： 一是直流電壓不能通過工頻變壓器向線性穩(wěn)壓電源輸送電能，亦即不能實(shí)現(xiàn)不問斷供電；二是大功率直流穩(wěn)壓困難，計算機(jī)的多種低壓直流電源采用直流變壓困難；三是市電與計算機(jī)的電隔離困難。

高頻開關(guān)電源的出現(xiàn)與廣泛應(yīng)用，為解決上述三大難點(diǎn)創(chuàng)造了條件。高頻開關(guān)電源萌芽于20世紀(jì)50年代，到20世紀(jì)70年代完成了20 kHzPWM開關(guān)電源樣機(jī)，被稱作“20 kHz革命”，是直流穩(wěn)壓電源發(fā)展史上的一個巨大飛躍。到20世紀(jì)術(shù)高頻開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在計算機(jī)電源中的應(yīng)用，為UPS取消逆變器創(chuàng)造了條件，因?yàn)樗鉀Q了直流蓄電池電壓的穩(wěn)壓、變壓和市電與計算機(jī)之間的隔離問題。

為了減小低壓大電流時的線路壓降，減小電源故障的影響范圍，提高供電的可靠性，一般在小型計算機(jī)中都裝有高頻開關(guān)電源。這些開關(guān)電源的具體線路可能不完全相同，但其基本結(jié)構(gòu)與組成部分足大致一樣的。當(dāng)前，ATX電源已取代早期的AT電源應(yīng)用于計算機(jī)中，其原理電路如圖l所示。它主要是由抗干擾濾波、市電側(cè)整流和平滑濾波3種電路組成的市電側(cè)整流濾波電路，以及由高頻逆變、高頻變壓隔離、高頻整流、高頻濾波及控制電路組成的DC／DC變換器兩部分組成的。輸出的低壓直流電壓為±12V，±5V，3．3 V，以供計算機(jī)內(nèi)部電路使用。一般高頻開關(guān)電源允許輸入電壓的變化范圍為交流工頻165～275 V，直流233.4～388.9 V，輸出電壓精度為O.6％～1％。

從圖1所示的原理框圖可知，ATX開關(guān)電源所具有的3種功能對取消UPS中的逆變器是十分有用的：一是可以輸入工頻交流電壓，也可以輸入233 4～388.9V直流電壓，以保持直流輸出電壓基本不變；二是ATX中的DC／DC變換器具有直流穩(wěn)壓和變壓的功能； 三是高頻變壓隔離器中的變壓器具有隔離作用。這3種功能滿足了計算機(jī)對UPS的要求，并實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)輸入電源的交直兼容，使計算機(jī)不再一定非要輸入220 V工頻電壓。

2 UPS的改革方案和工作原理

如前所述，逆變器是決定傳統(tǒng)交流UPS性能和質(zhì)量的核心部件，對UPS革命的目的就是去掉逆變器，以降低UPS的成本，提高效率，減小生產(chǎn)難度，減小體積重量、簡化操作維護(hù)，減小故障率，提高可靠性，因此，去掉逆變器的無逆變器UPS將是一種比較好的新型UPS方案。

一臺單相交流UPS向一臺計算機(jī)供電的原理電路如圖2所示，圖2中的左側(cè)虛線框內(nèi)所示的電路為傳統(tǒng)交流UPS，它包括整流器、蓄電池和逆變器；圖2中的右側(cè)虛線框內(nèi)所示的電路，為計算機(jī)中的ATX開天電源，它包括抗干擾電路、市電側(cè)整流濾波電路和DC／DC變換電路。

在圖2左側(cè)的傳統(tǒng)交流UPS電路中，市電220 V交流電壓經(jīng)過無仃何升、降壓功能的橋式整流器，整流成+300V向蓄電池進(jìn)行浮充電，蓄電池上的+．300V直流電壓再經(jīng)過逆變器逆變成220 V工頻交流電壓向計算機(jī)供電。在圖2右側(cè)的汁算機(jī)ATX開關(guān)電源中，“市電側(cè)整流濾波電路”再將220 V工頻交流電壓整流成+300 V直流電壓，而后再由ATX中的DC／DC變換器將+300 V直流電壓變換成±12 V，±5V和3．3 V的直流電壓向計算機(jī)供電，由圖2可以看出，左側(cè)UPS中的整流器輸出的直流電壓，與右側(cè)ATX中“市電側(cè)整流濾波電路”的輸出電壓都是+300 V，是相同的。這就說明逆變器將蓄電池電壓+300V再逆變成220V工頻足多余的。因此可以將UPS中的逆變器去掉，并直接將蓄電池的+300V直流電壓，通過汁算機(jī)中ATX的“市電側(cè)整流濾波電路”向計算機(jī)供電，如圖3所示。要作到這一點(diǎn)．LPS中的整流器必須采用直接整流的方式，而不能帶任何的升降壓功能。