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UPS电源工作原理

发布时间:02月22日

详细说明

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。随着计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

    1 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上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*复杂,工艺*复杂,元器件用得*多,要求又*严格、设计制造*困难,体积*大、造价*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*多、叮靠性*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*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,亦即不能实现不间断供电;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20kHzPWM开关电源样机,被称作“20kHz革命”,是直流稳压电源发展史上的一个巨大飞跃。到20世纪末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是大致一样的。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1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,±15V,3.3V,以供计算机内部电路使用。一般高频开关电源允许输人电压的变化范围为交流工频165~275V,直流233.4~388.9V,输出电压精度为0.6%~1%。

    从图1所示的原理框图可知,ATX开关电源所具有的3种功能对取消UPS中的逆变器是十分有用的:一是可以输入工频交流电压,也可以输人233.4~388.9V直流电压,以保持直流输出电压基本不变;二是ATX中的DC/DC变换器具有直流稳压和变压的功能;三是高频变压隔离器中的变压器具有隔离作用。这3种功能满足了计算机对UPS的要求,并实现了计算机输人电源的交直兼容,使计算机不再一定非要输人220V工频电压。

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