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。

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

使用UpS電源系統時，不僅要定期對各主要元件進行檢查，還要對UpS電池組的各個電池單元端電壓與內阻進行檢測。若發現其電池組的某個電池單元的端電壓差值>0.4V或者內阻>0.08Ω的時候，就應該斷開工作異常的電池單元與電池組的連接導線，使用外置的獨立充電器對工作異常的電池單元進行單獨充電，將其充電電壓（對12V蓄電池而言）保持在13.5~13.8V之間，充電時間控制在10~12h.需要注意的是，UpS電源在使用過程中，電池組內的各個電池單元的充電會不一致，可能產生電池單元端電壓以及電池內阻的不平衡。這些是無法依靠UpS電源系統內部充電回路對其充電而得到消除和校正的，若不及時對不平衡電池單元進行脫機均衡充電的話，可能導致上述問題更加嚴重。

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。