UPS
电源是工业领域用来对负载进行断电保护的关键设备。对于断电保护，针对不同的负载应用，又有两种类型。一种是普通的电脑类设备，当断电发生时，
UPS
电源需要为负载提供几分钟到十几分钟的后备供电时间。在这段后备时间之内，负载设备会进行数据存储等动作以防数据丢失，之后负载就会关机。在
UPS
达到后备时间之后负载仍然会断电，但这不会导致经济损失。另外一种是在数据中心以及工业应用之类的场合，对
UPS
的要求就是真正的不断电，
UPS
系统必须提供整年每天
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小时的连续供电。本文对可靠性与可用性的讨论就是针对的这种情况。
电源系统的可靠性通常可以使用
MTBF
（平均故障间隔时间，或者平均无故障工作时间，以小时表示）来表示，此外还有一个更加容易理解的指标
AFR
（年失效率）。
AFR
和
MTBF
成反比关系，也就是
AFR=8760/MTBF.
因此，
MTBF
越长，则年失效率越低。
对于可维修的系统来说，还有一个可用性的指标，其定义为：
A=MTBF/(MTBF+MTTR)
其中，
A
是一个百分比指标，
MTTR
值是平均故障修复时间。如果系统出现故障时可以非常快速的恢复，那么系统的可用性指标就比较高。对于电网这类对象来说，使用可用性指标可以更加直观的衡量其可靠程度。而对于在关键场合经常使用并联冗余配置来说，可用性指标比可靠性指标更具有现实意义。
可靠性
/
可用性指标都是统计意义上的概念，一个电源系统的可靠性
/
可用性与构成系统的各个模块的可靠性
/
可用性之间也存在统计意义上的关联。
假设电源系统中存在两个电源模块，而这两个模块是并联工作的，其中一个和另外一个是互相独立的（如图
1
所示）。
那么，考察这两个模块组合起来的系统的可用性
Asys
与每个模块各自的可用性
A1
与
A2
的关系就有：
Asys=1-(1-AFR1)×(1-AFR2)
另外一种可能是系统中这两个模块是串联的
。
那么，这两个模块组合起来的系统的可用性
Asys
与每个模块各自的可靠性
A1
，
A2
的关系就有：
Asys=A1×A2
由于可用性肯定是处于
0
～
1
之间的数值，因此，两个并联模块的总体可用性要高于各自的可用性，而两个串联模块的可用性要低于各自的可用性。
从单个
UPS
的设计来说，可以把整个产品按照模块进行划分，图
3
是一个典型的
UPS
系统结构图。
从图
3
中可以看到，
UPS
各个模块之间的依赖关系比较复杂，但是还是可以分出串并联的关系。
辅助电源与所有其它模块都是串联的，因此，辅助电源的可用性直接限制了系统能够达到的最高可用性等级；
控制模块与除辅助电源之外的其它模块也都是串联的，因此，控制模块的可用性也会直接影响到系统的总体可用性设计；
对于负载端来说，能够直接相连的只有旁路模块与逆变模块，而这两个模块是并联的；
PFC/
整流模块与电池升压模块是并联的，之后再与逆变模块串联；
从能源提供者来讲，这里旁路电源与市电电源是两路独立的电源，而电池能源是由市电经过充电模块提供的。如果充电模块故障的话电池就没有能量存储，实际上也无法实现正常的
UPS
功能，因此，市电
—
充电模块
—
电池也是串联的。这样可以画出整个
UPS
系统的可用性串并联路径图。
从这一路径关系里可以看到，总共存在
3
条并联的路径，而每一条路径各自又是由数个模块串联起来的。正与前面分析的一样，辅助电源与控制模块的可用性是串联在所有通路上的，因此，如果这两者设计有缺陷的话，
UPS
的可用性无法做的很高。电池回路串联有最多的模块数量，也是可用性最低的一条路径。
要提升系统的可用性首先要提升关键路径的可用性。从路径图上
可以看到，控制模块与辅助电源。辅助电源是整个
UPS
的关键点，如果辅助电源不工作，整个
UPS
都将瘫痪。提升辅助电源可用性的方式可以有很多种方案：一种是改进设计，提升
MTBF
；一种是对辅助电源也适用并联冗余设计，提升可用性；再一种是对
UPS
的三条可用性路径分别使用不同的辅助电源，相当于把原来完全串联的路径改成并联。在
UPS
设计中可以混合使用这几种方式，由于上面三条可用性通路是并联的，而旁路通路本身是可用性最高的一条，因此，最为推荐的设计就是优先提升旁路的可用性，对旁路单独使用一套辅助电源供电，并且，这套电源的尽量采用简单的设计，以拥有高的
MTBF.
控制模块同样也是影响到所有路径的关键点，也必须拥有高的可用性。参照辅助电源的处理方法，也可以给相对独立的旁路路径配备单独的控制模块，并且通过与其余控制功能协调工作来达到高可用性的目的。同样，旁路上的控制模块也要尽量简单，以提升可靠性。一种推荐的做法是旁路控制模块不断的检测
UPS
主控制模块的状态，如果发现主控制模块，则自动切换到旁路方式。此外，对于主控制模块来说，也可以通过冗余的方式来提升可用性，比如采用双
MCU
结构，当一个
MCU
检测到另外一个
MCU
发生故障时可以接管另一个
MCU
的功能，或者采取紧急措施（如转旁路）来保证负载不断电。
对于
UPS
来说，电池是保证
UPS
能够在市电或者旁路断电发生时继续维持供电的关键，但是串联环节最多，也恰恰是可用性最为薄弱的环节。一般电池规格书里面会说明充电电流不要超过
0.15CC
，这就意味着电池在
UPS
满载放电放完之后要用数倍的时间才能重新充满，从这个意义上讲其可用性一般都在
20%
以下。但是，由于电池并不是连续工作的，只要在电池放完前市电恢复，在重新充电的过程中也没有再发生断电，那么负载仍然不会受到影响。从这方面来看，电池的可用性在只会发生短时间的断电情况下还是比较高的。
再重新来审视电池回路的可靠性，在电池与市电之间还有一个充电器模块环节。如果充电器损坏则电池在一次放完电之后就无法再充回，导致下一次市电停电时负载断电。但是充电器只是在电池需要充电时才会工作，因此，如果能够及时对充电器的状态进行监控，在发现充电器异常时及时报警，就能够避免充电器故障带来的问题，从而提升整个
UPS
的可用性。对于电池也有一样的手段。电池在使用多次之后也会面临容量下降和失效的问题，但是如果能够通过电池状态监控发现电池失效并及时更换，也能够有效提升
UPS
的可用性。
由于
UPS
并非一个单独的应用系统，而是要搭配有其它一些环境因素在里面，所以这些外部因素也是必须考虑进来。前面提到过，
UPS
电池的备电时间是有限的，如果断电时间比较长，导致电池电放完，那么负载就仍然会断电。因此，
UPS
可用性会受到市电发生长时间断电概率的影响。
为了解决这一瓶颈，可以在
UPS
系统中加入一个特性和电池互补的备用电源：在市电断电时不需要很快反应，但是在长时间停电条件下能够持续提供电力，燃油发电机组就是最为合适的一个选择。因此，在
UPS
系统配置上可以加入一个自动切换装置，在市电停电后切换到发电机组。这样能够极大的提升长时间断电条件下
UPS
系统的可用性。如此，
UPS
系统的可用性路径就可以形成
。
虽然在可用性路径里面多串联了一个市电与发电机切换用的
ATS
，增加了单调路径发生故障的概率，但是相对长时间断电带来的可用性问题来说还是值得的。
在
UPS
应用的另外一个分支是目前正在兴起的直流
UPS
系统。直流系统的思路是出于提高效率的目的，减少电源系统中间的转换环节，电力分配部分由原来的交流转换成直流。
可以看出，理想的直流
UPS
系统由于把交流系统中
UPS
的逆变环节与服务器电源中的
PFC
环节使用一个隔离型
DC/DC
环节来取代，从而可以改善效率。不过，在直流
UPS
系统里面由于电池电压的变动范围是比较大的，为了取得更优化的效率曲线，在后级的服务器电源中也有可能使用两级结构，也就是通过一个简单的转换，减小服务器电源隔离
DC/DC
转换级的输入范围，以得到更好的节能效果。
在这种直流
UPS
体系里面，不存在交流
UPS
中的旁路回路了，只存在一个市电到电池回路，这个回路也兼有充电器的作用。因此，从单个
UPS
的可靠性角度考虑，直流
UPS
可靠性链路只有两条，其中一条是两级变换加上辅助电源与控制板，另外一条是电池
。
与交流
UPS
相比，直流
UPS
供电少了交流
UPS
的旁路回路，少了一个提升可用性的回路。但是电池是直接给负载供电的，可用性要高于交流
UPS.
因此，在可用性的方面，直流供电系统有得有失。但是另一个方面，直流系统比交流
UPS
更容易进行并联，从而可以利用增加并联台数的方式增加可用性。
对于一般的
UPS
系统应用来说，存在两种常见的配置方式，一种是双机热备份
。
在正常情况下由
UPS1
供电，如果
UPS1
的逆变
/
整流部分损坏，则仍然有
UPS2
可以供电。第二种配置方式是双机并联冗余
。
这种配置方式下两台
UPS
是完全并联工作的。基于前面可用性的原理，第二种配置方式比第一种会有更高的可用性。
这里就反映了可用性与可靠性的一个明显不同。对于两台并联冗余配置的
UPS
，由于器件多了一倍，那么出现故障的概率也会增高，因此，从统计意义上来讲，整个系统的
MTBF
会下降。但是，由于其中一台出现故障之后仍然有一台在工作，只要出故障的
UPS
能够很快修复，负载就仍然处在有效的保护之中，可用性是提升的。从负载的角度衡量，评估系统的可用性比可靠性更加有意义。
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只看楼主 我来说两句 抢板凳