不間斷電源UPS對(duì)設(shè)備的保護(hù)

文/[美]理查德·卡德納 編譯/施 端

（1.上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

怎樣才稱(chēng)得上是完美的控制室？它要有很大的面積，能放得下星巴克咖啡、筆記本電腦、4臺(tái)大尺寸監(jiān)視器、控制臺(tái)和1把美觀(guān)舒適的座椅，還有頭戴式耳機(jī)。此外，所有控制室都應(yīng)該配備不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，簡(jiǎn)稱(chēng)UPS）。它相對(duì)廉價(jià)，易于操作、安裝，可以保護(hù)設(shè)備免受損壞，確保演出順利進(jìn)行。

也許有人認(rèn)為它只能算作額外的設(shè)備，還要浪費(fèi)更多的錢(qián)。專(zhuān)業(yè)人士則認(rèn)為并非如此，UPS是必不可少的。

電氣設(shè)備的隱患

人們每天使用的電網(wǎng)似乎是“一處風(fēng)平浪靜的地方”，而其實(shí)它好比“一片遭遇狂風(fēng)暴雨襲擊的海洋”。當(dāng)測(cè)量電壓時(shí)，讀數(shù)好像是恒定的，它可能看上去很穩(wěn)定，但事實(shí)上卻始終處于波動(dòng)狀態(tài)。很多情況都會(huì)引發(fā)浪涌、尖脈沖和其他波動(dòng)，其中任何一種情況都會(huì)損壞或徹底摧毀價(jià)值達(dá)25萬(wàn)美元的音響系統(tǒng)或10萬(wàn)美元的控制臺(tái)，而筆記本電腦也正受其支持。

電網(wǎng)干擾隨時(shí)都在發(fā)生，存在安全隱患，比如：兩根火線(xiàn)不慎碰到一起，或者火線(xiàn)不慎與大地相碰，又或傳輸線(xiàn)突然跳閘（這是十分常見(jiàn)的情況），又或雷電直接擊中電網(wǎng)或其附近。有時(shí)，干擾并非來(lái)自浪涌電壓，而是具有破壞性的電壓突降。例如很多人同時(shí)打開(kāi)空調(diào)，或雷電會(huì)經(jīng)傳輸線(xiàn)進(jìn)入設(shè)備，任何一種情況都會(huì)引發(fā)欠壓或停電事故。

對(duì)于所有的現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)業(yè)音響設(shè)備而言這都是一場(chǎng)突如其來(lái)的考驗(yàn)。如果電網(wǎng)欠壓，且處理器自行關(guān)閉，而功放依然處于運(yùn)行狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致怎樣的后果？揚(yáng)聲器會(huì)啪啪作響。當(dāng)失電時(shí)，尚未備份的數(shù)據(jù)將何去何從？噗的一聲，它們會(huì)消失得無(wú)影無(wú)蹤。

為了避免電氣干擾問(wèn)題，最佳方法之一就是確保所有對(duì)電氣干擾敏感的電氣設(shè)備都由具有浪涌保護(hù)功能的UPS來(lái)為其供電。UPS可按功能分為后備式、在線(xiàn)互動(dòng)式和在線(xiàn)式，也就是根據(jù)其由電池提供的直流電轉(zhuǎn)換為常用交流電的方式不同來(lái)分類(lèi)。選用哪種類(lèi)型應(yīng)取決于被保護(hù)對(duì)象及其使用方式。家里或辦公室最常用的是后備式UPS。

解析UPS

為了一探究竟，筆者親自拆解了1臺(tái)UPS——CyberPower公司的CPS325SL，輸入：120 V（美國(guó)、日本供電標(biāo)準(zhǔn)電壓的上限）、10 A、60 Hz。它有4個(gè)輸出端，其中2個(gè)輸出端帶有備份電池，而另2個(gè)輸出端具有過(guò)載保護(hù)功能，但不帶有備份電池。該設(shè)備輸出：120 V、約0.325 VA、2.7 A、60 Hz、185 W。以下內(nèi)容是這臺(tái)適用于燈光控制臺(tái)或調(diào)音臺(tái)的桌面式UPS的構(gòu)造及其工作原理，這一切都基于筆者對(duì)這臺(tái)CyberPower CPS325SL的拆解。

額定電壓很容易理解，筆者或許要對(duì)VA（伏安）做一些解釋。VA是“視在功率”的單位。只需把電壓乘以輸出電流就能得到它。使用視在功率而不是功率的原因在于有些負(fù)載的功率因素不高，其電流數(shù)值比使用交流電的功率計(jì)算公式得到的電流數(shù)值要大。

例如：有一臺(tái)LED燈具，它的功率為185 W，但其功率因數(shù)約為0.5。如果不考慮功率因數(shù)，那么，使用交流電的功率計(jì)算公式可得到：

P = UI×PF（PF——power factor，即為功率因數(shù)）

（如不考慮功率因數(shù)）：185 W=120 V×I

I=1.54 A

而實(shí)際情況是，該設(shè)備的工作電流約為3 A，因?yàn)槭聦?shí)上其功率因數(shù)為0.5。

185 W=120 V×I×0.5

該電氣參數(shù)并沒(méi)有對(duì)電源的額定功率提出更高要求，而是對(duì)它允許通過(guò)的最大電流提出了要求，考慮到一定數(shù)值的電流流過(guò)內(nèi)部的電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生足夠的熱量，會(huì)導(dǎo)致絕緣層損壞，比如絕緣層立刻融化，或者絕緣層會(huì)變得很脆弱，遲早要開(kāi)裂。因此，如果被給出的是功率而不是視在功率，則必須假定一個(gè)功率因數(shù)；否則，可能會(huì)連接一臺(tái)功率因數(shù)不高的用電設(shè)備，雖然其額定功率與電源的額定功率一樣，但卻會(huì)使電源處于過(guò)載工作狀態(tài)。

此外，從嚴(yán)格意義上說(shuō)，該設(shè)備參數(shù)的標(biāo)示不夠規(guī)范。它這樣標(biāo)示為：120 V、0.325 VA、2.7 A，其實(shí)應(yīng)該這樣標(biāo)示：0.324 kVA或324 VA (120 V×2.7 A = 324 VA)。犯了一個(gè)小錯(cuò)誤就差了三個(gè)數(shù)量級(jí)。

暫且不談這些額定量，后備式UPS用于抑制浪涌電壓和降低電氣噪聲，并經(jīng)常使用密封式鉛酸電池作備份電源。噪聲濾除和共膜干擾是后備式UPS的首要作用。

噪聲濾除由電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)。沿著電源線(xiàn)看過(guò)去，在手動(dòng)復(fù)位的10 A電路斷路器之后，第一個(gè)元件就是1個(gè)并聯(lián)在壓敏變阻器兩端的電容器。電容器的作用是濾除線(xiàn)路上的高頻噪聲。電氣噪聲是由電源電路附近的電氣設(shè)備或高頻開(kāi)關(guān)的感應(yīng)而產(chǎn)生的（開(kāi)關(guān)產(chǎn)生電流突變，電路中的分布電感阻止其突變，產(chǎn)生突變電壓，即為噪聲電壓）。例如：如果某人把一臺(tái)真空吸塵器接到這臺(tái)UPS附近的電路上，它就會(huì)產(chǎn)生高頻電磁干擾，干擾信號(hào)會(huì)被電路所吸收，不會(huì)進(jìn)入所有接到這臺(tái)UPS上的設(shè)備中。

電容器用于濾除高頻噪聲，其容抗（電抗的一種）與頻率成反比，即：頻率越高，阻抗越小。它的計(jì)算公式為：

上式中的X表示電抗，單位是Ω（歐姆）（可以把電抗看成電阻，這里只是把電阻換成了電容，它與電阻一樣，同樣對(duì)電流具有阻礙作用），π為3.14，f表示電網(wǎng)頻率（60 Hz，比如北美；或者50 Hz，如歐洲國(guó)家和澳大利亞），C表示電容量，單位是F（法拉）或μF（微法拉）。

該圖中的電容型號(hào)為JNC JY472M，電容值為0.004 7 μF（0.000 000 004 7 F）。如果代入正確的數(shù)值，就會(huì)得到在60 Hz頻率的電網(wǎng)中它的電抗約為564 665 Ω。它的阻抗很大。由于該元件連接于線(xiàn)路與大地之間，當(dāng)工作于120 V、60 Hz的電網(wǎng)上時(shí)，會(huì)有0.21 mA電流流向大地。但是，如果電網(wǎng)頻率更高的話(huà)，比如100 kHz，那么阻抗會(huì)降到339 Ω，且漏電流為354 mA，應(yīng)該足以濾除掉噪聲了。

壓敏變阻器可有效吸收浪涌電壓并把電壓限定在某數(shù)值以下，以保護(hù)所有接到UPS上的用電設(shè)備免受損壞。它連接于線(xiàn)路與大地之間，當(dāng)浪涌電壓出現(xiàn)時(shí)，它會(huì)抑制對(duì)地電壓。這個(gè)過(guò)程中壓敏變阻器可能要“犧牲”自身：當(dāng)線(xiàn)路上的浪涌電壓高到一定程度時(shí)，壓敏變阻器會(huì)像鞭炮一樣發(fā)生爆裂。

圖1 藍(lán)色的電容器用于濾除高頻噪聲，琥珀色的壓敏變阻器用于吸收浪涌電壓所產(chǎn)生的能量。

圖2 （左圖）在交流電正半周，電流沿紅色路徑流動(dòng)；（右圖）在交流電負(fù)半周，電流沿綠色路徑流動(dòng)。

圖3 橋式整流器輸出的是脈動(dòng)直流電流。

圖4 電池電源上的電壓波形和電流波形。負(fù)載為500 W的白熾燈。

其后有一個(gè)由線(xiàn)電壓供電的充電裝置，作用是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，來(lái)為機(jī)內(nèi)電池充電；還有一個(gè)逆變器，當(dāng)失電時(shí)，它會(huì)將電池提供的直流電轉(zhuǎn)換回交流電。

交流電轉(zhuǎn)換成直流電相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單。首先，由變壓器把120 V電壓降到約12 VA交流電壓。變壓器的輸出端與4個(gè)二極管接成的全波橋式整流器相連。它把交流波形轉(zhuǎn)換成單向全波整流波形。在交流電正半周，電流沿一條路徑流動(dòng)，經(jīng)橋式整流器和負(fù)載回到電源。在交流電負(fù)半周，電流沿另一條路徑流動(dòng)，經(jīng)橋式整流器和負(fù)載回到電源。但是，在兩個(gè)半周，通過(guò)負(fù)載的電流方向是相同的，因此，從本質(zhì)上說(shuō)，橋式整流器把負(fù)半周的電流反了個(gè)向，使其為正，這樣就把交流電轉(zhuǎn)換成了脈動(dòng)直流電。

把電流轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電后，再用電容器來(lái)減少其脈動(dòng)程度，當(dāng)外加電壓升高時(shí)，電容器處于充電狀態(tài)，而當(dāng)電壓下降時(shí)，電容器維持其充電電壓。這樣就把脈動(dòng)直流電轉(zhuǎn)換成了略有起伏的直流電，其波動(dòng)程度微乎其微。最后再用LM317T穩(wěn)壓管來(lái)把電壓維持在恒定狀態(tài)。

直流電直接為電池供電，使其保持在充電狀態(tài)，以便在失電時(shí)，逆變器可以把由電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成某種形式的交流電。在這里術(shù)語(yǔ)“逆變器”源自：處于反向工作狀態(tài)的交流—直流變換器。從“順變”到“逆變”的關(guān)鍵所在是這對(duì)呈微型方糖狀的單刀雙擲（SPDT）繼電器。它們屬于干觸點(diǎn)式繼電器，當(dāng)探測(cè)到失電時(shí)，它能在電網(wǎng)電源和電池電源之間做切換。

在電池供電模式下，逆變器電路開(kāi)始工作，向所接負(fù)載提供交流電。但是，與把交流電轉(zhuǎn)化成直流電相比，把直流電轉(zhuǎn)換成交流電就要復(fù)雜得多。實(shí)現(xiàn)方法有很多，有些方法十分簡(jiǎn)單，但不會(huì)產(chǎn)生正弦波，而有些方法的確產(chǎn)生正弦波，但要復(fù)雜得多，而且需要付出更多成本。

事實(shí)證明，筆者正在拆解的這臺(tái)UPS屬于第一類(lèi)。其實(shí)，它產(chǎn)生的是方波，UPS制造商喜歡把它稱(chēng)為“修正正弦波”，但其實(shí)它根本就不是正弦波。電壓從0 V變到約+175 V，接著回到0 V，然后再變到-175 V，頻率為60 Hz。說(shuō)它是一個(gè)修正正弦波，如同方盒子是修正球體那樣。筆者認(rèn)為把它稱(chēng)為“修正方波”要更為準(zhǔn)確一些，但是作為一個(gè)營(yíng)銷(xiāo)術(shù)語(yǔ)，則顯得略遜一籌。

然而，只有當(dāng)接上某些負(fù)載時(shí)，該波形的工作狀態(tài)才保持良好；如接上其他一些負(fù)載（尤其是感性負(fù)載，這類(lèi)負(fù)載會(huì)因修正波供電而發(fā)出巨大熱量，從而降低了壽命），其工作狀態(tài)欠佳。還有其他一些UPS，它們可產(chǎn)生失真度極小的正弦波。通常，這些設(shè)備中有集成電路、產(chǎn)生波形的計(jì)時(shí)芯片和MOSFET管（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管），該晶體管可以控制大電流并在帶負(fù)載情況下切斷電路，該電路可以在高頻狀態(tài)下開(kāi)關(guān)。正弦波逆變器類(lèi)似于帶有一些輔助線(xiàn)路的開(kāi)關(guān)電源。

市場(chǎng)上有許多UPS正弦波逆變器，其中有些產(chǎn)品的質(zhì)保范圍涵蓋所接設(shè)備。例如：Tripp Lite公司的HTR10-2U質(zhì)保范圍涵蓋價(jià)值達(dá)25萬(wàn)美元的所接設(shè)備，CyberPower公司的CP1000PFCLCD質(zhì)保范圍涵蓋價(jià)值達(dá)35萬(wàn)美元的所接設(shè)備，Juice Goose公司的NXRT-Pro系列產(chǎn)品提供5萬(wàn)美元，用于所接負(fù)載的有限責(zé)任。

MA Lighting公司的grandMA等燈光控制臺(tái)帶有內(nèi)置的備份電池。當(dāng)失電時(shí)，備份電池開(kāi)始工作，使控制臺(tái)保持運(yùn)行狀態(tài)，利用這段時(shí)間進(jìn)行保存現(xiàn)場(chǎng)工作、備份數(shù)據(jù)到外存和關(guān)機(jī)等操作可謂綽綽有余。當(dāng)一臺(tái)grandMA控制臺(tái)的UPS電池充滿(mǎn)電，一代控制臺(tái)可以用10分鐘，二代控制臺(tái)可以用7分鐘左右。不過(guò)由于它不具備電源調(diào)節(jié)功能，因此，依然應(yīng)該為其配置浪涌保護(hù)裝置。

應(yīng)該根據(jù)所需連接的負(fù)載大小、電池電源續(xù)航時(shí)間以及所需輸出端數(shù)量、是否需要在線(xiàn)監(jiān)測(cè)等功能來(lái)選擇相應(yīng)容量的UPS。UPS中電池的容量用AH（安培小時(shí)）來(lái)衡量。只需把電流（單位：安培）乘以時(shí)間（單位：小時(shí)）就可算出所需容量。例如：如果控制室總共需要3A電流，并且想讓它運(yùn)行30分鐘，那么需要1臺(tái)容量1.5 AH（3 A×0.5 H = 1.5 AH）的UPS。

選擇UPS方波逆變器還是UPS正弦波逆變器應(yīng)視被保護(hù)設(shè)備而定。如果所接的是感性負(fù)載，也就是說(shuō)如果它帶有變壓器、鎮(zhèn)流器、扼流圈或線(xiàn)圈（比如電機(jī)），那么應(yīng)該考慮花費(fèi)更多的錢(qián)來(lái)購(gòu)買(mǎi)UPS正弦波逆變器。如果使用的是1臺(tái)UPS非正弦波逆變器，那么，只能確保所接設(shè)備不會(huì)處于過(guò)熱運(yùn)行狀態(tài)，這表示它們并非處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，有可能會(huì)過(guò)早損壞。