UPS设计难？这份避坑指南请收好

  在二十世纪刚问世时，唯一的用途是在停电时提供应急电源，但由于价格昂贵，应用场景范围十分有限。如今，随着电力电子技术的持续不断的发展，可以高效地优化供电质量、过滤线路噪声、抑制浪涌，并根据自身的需求在任何地点提供更长时间的备用电源。在追求低碳环保的当下，低能耗、高可靠性、小尺寸已成为（onsemi）推出的UPS系统方案指南，对UPS设计进行了全面介绍。本文为第一篇，将聚焦系统用途、市场趋势展开讲解。

  交流电在发电时是稳定且纯净的。然而，在输电和配电过程中，交流电易发生电压骤降、尖峰和断电等情况，可能会扰乱计算机运行，造成数据丢失和设备损坏。

  不间断电源可保护所连接设备免受电源问题的影响，并在停电期间提供备用电池。此外，不间断电源还可以有效的预防昂贵设备遭受损坏、数据丢失和停机。根据类型的不同，不间断电源还能针对异常电压提供保护。对任何 UPS 而言，输出容量都是一个很重要的属性。输出容量是所连接负载可以从 UPS 系统获得的上限功率，用 VA（伏安）表示。

  目前，UPS 系统有三种类型：在线式、离线式和在线互动式。它们各有优点，并且各自都有更合适的应用。

  在线式 UPS 在提供高可靠性和电源保护方面表现出色，旨在为所连接的负载提供持续的电力。它的显著特点是双电源转换级，能确保尽可能高的可靠性，同时对电源转换效率提出了极高的要求。负载始终连接到 UPS 的逆变器，从而消除了开关延迟。

  得益于功率因数校正级，输出功率与输入功率同相，整体效率得以提高。其电池储能系统与双向充电器相结合，可以在交流输入中断时提供连续、无缝的电力供应。在线式 UPS 最昂贵，但可以有效处理各种电源问题，并提供最高质量的输出。这使其成为了高灵敏度设备、数据中心和其他关键设备的理想选择。

  由于在线式 UPS 是最复杂和最受青睐的方案，因此 UPS 系统的研究和创新往往更多地集中于在线式 UPS，不仅涉及硬件，也涉及软件。尽管这是一种强调可靠性的应用，但与电动汽车等应用相比，其发展速度相对较慢。不过，随着对绿色能源的需求一直增长，以及人工智能、大数据和云计算的持续不断的发展，我们大家可以期待未来会有更多新技术和材料应用于该领域，例如 SiC、GaN 等。

  离线式 UPS（也称待机式 UPS）是让负载直接连接并由输入电源供电，只有当电源出现故障时才激活备用电源。切换到电池供电时总会出现短暂的中断（几十毫秒）。其成本最低，并且不提供额外的安全功能。考虑到切换中的延迟可能引发潜在安全问题，这使得离线式 UPS 不太适合用于保护工业设施。离线式 UPS 最常用于家庭和小型办公环境，在这些环境中，所需的备用电源比较小，要求也没那么严格。

  在线互动式 UPS 与离线 UPS 类似，但它额外配备了有源电压调节器。它通过提高或降低电压来调节和补偿交流输出，从而为负载提供更稳定的输出电压。在线互动式 UPS 可以充当电压优化器，并有助于延长电池使用寿命，因为其激活频率较低。使用在线互动式 UPS 时，输入电源的问题在某些特定的程度上得到解决，不像离线式 UPS 在出现异常输入情况时必须切换到电池模式。在线互动式 UPS 可用于中小型企业和主电源电压和质量不太可靠的场所。

  基于多方面因素的考量，UPS 市场的前景十分乐观。预计到 2029 年，UPS 市场规模将达到 143 亿美元，复合年增长率 (CAGR) 为 4.05%。随着数字化转型的不断推进，各行各业不能离开可靠、稳定的电力供应，对电力供应的需求一直在持续增长。物联网、智能建筑和数据中心都在不断增多，再加上加快速度进行发展的云计算行业，这些一同推动了电力供应市场的增长。

  云计算和大数据等关键性应用对电力的效率和稳定能力提出了严格的要求。制造业和医疗保健等行业需要全天候运营，因此可靠的备用电源必不可少。此外，不断演变的环境保护需求促进了能源管理的发展，提高能源效率和减少排放已成为首要的社会目标。

  在线式 UPS 系统普及的最大障碍是其高昂的成本。此外，由于要换掉电池，维护成本可能也会增加。UPS 单元的容量有限，因此可能不足以支持高功率应用。

  针对特定应用选择正真适合的 UPS 方案时，重要的是考虑其用途、功率输出要求和总体预算。了解电网的质量以及也许会出现哪些电力异常很重要。有些功能是必不可少的，但在某些情况下，一些高级功能可能并不是特别需要。各类型 UPS 的性能特点如表 1 所示。

  当前对模块化 UPS 的需求日渐增长。模块化可提高系统的可扩展性、冗余性和适应性，降低维修成本，节约空间，并增强故障隔离能力。这些特点使模块化 UPS 成为各种应用的首选，尤其是那些需要可靠灵活的电源方案的应用。

  模块化设计的采用在某些特定的程度上加速了高功率密度产品的开发。面对空间存在限制、输出容量持续不断的增加、散热环境更加苛刻等挑战，下一代 UPS 产品需要转向更高功率密度的设计。这就需要在提高输出能力的同时实现更紧凑的物理尺寸。高开关频率仍然是一个重要考量因素。

  不可否认的是，提升效率是所有电源转换器的首要发展趋势，特别是在线式 UPS 这类连续进行电源转换的产品。提升效率能改善成本效益，同时也是应对紧迫的可持续发展要求的重要方法。采用更先进的电力电子器件和拓扑，可以有实际效果的减少能量损耗，特别是在轻载条件下，效率提升尤为显著。

  电池和电池管理系统是 UPS 的关键组成部分。UPS 主要使用铅酸电池和锂离子 (Li-ion) 电池。铅酸电池可靠、性能好价格低、内阻低。另外，铅酸电池坚固耐用，适合不受重量和空间限制的环境。锂离子电池在一些方面拥有显著的优势，包括更高的功率密度（因而可以更小更轻）和高可靠性（得益于集成的电池监测系统），但成本仍然较高。采用更先进、更紧凑的电池技术，目的是提供更长久的备用电力和更高的单位体积内的包含的能量。