UPS 不斷電系統的基本介紹與採購建議教學

UPS,Uninterruptible Power Supply,不斷電電源系統,是一種具備穩定性(Stability),安全性(Safety)以及省電性的前端電源處理裝置,除了常見於尖端伺服器系統的電源前端應用外,對設計工作室或家庭用戶來說也是值得推薦的電腦周邊產品,可以讓電腦主機即使處於開機狀態下,不幸遇到市電中斷,也還能透過內建電池取得一段穩定的電源,讓電腦可以在停電狀態下繼續運作,以便電腦操作員(或管理程式)利用這段時間關閉應用程式與儲存重要資料,避免因瞬間停電導致重要的資料消失。

不曉得你有沒有經歷過那種因為莫名其妙的斷電,導致熬夜整晚才辛苦完成的研究報告付之一炬的傷心回憶?或是電腦系統被高壓電瞬間燒毀1的慘痛經驗?─── 這些工具人都經歷過!(拭淚)

如果當時的電腦有裝不斷電系統(UPS),這些問題都不再是問題。

早期的不斷電系統受限技術能力的影響,市場上常見的不斷電系統除了高階(高價)的在線式技術(On Line)外,就是低階版本的離線式不斷電技術(Off Line,又稱 Stand Off)。後來廠商結合在線與離線兩式的優點,開發出「在線互動式不斷電技術(Line Interactive)」,而採用這套技術的不斷電系統也是我的第一台 UPS,當年為了這台還鬧出一段小心酸故事。

我們醫工實驗室有一台電腦是拿來跑資料的專用伺服器。不過教授似乎把計畫經費用在「其他」更有意義的地方,加上教授對自己從學生一路爬上的工學院似乎有某種信賴感,因此我們遲遲一直沒有對伺服器做特別保護,只靠每幾個小時一次的手工備份來避免哪天突然跳電 — 而電是都跳過滴。

就在我們快要抓狂去海扁教授時,學妹從實驗室外跑來告訴我們,她發現隔壁做動物的實驗室一次丟了好幾台不斷電系統到垃圾區。接著就看到一群學長面露凶光、流著口水的跑去做資源回收了(淚)。後來這批 UPS 經過整備,倒也「不」意外的能正常使用(感謝隔壁實驗室的有錢主持教授)。

工具人在前面說了這麽長的故事,相信大家都猜得到接下來要介紹哪一種電腦周邊裝置了吧?

UPS 不斷電系統

不斷電系統是種一邊接「外界電源(Supply Mains,以下簡稱市電)」,一邊接電腦等負載的周邊裝置。目的是在停電時,電腦可從 UPS 電池取得工作所需的電力,爭取一些工作時間好操作關機與備份等保護動作。

工具人在前面文章中有稍微提到不斷電系統的幾個重要選擇關鍵,包括在線式、離線式與在線互動性。雖然有部分人認為在線互動式與離線式基本上是一樣的產品,不過說到底還是有些差別。

在線式(On Line)不斷電系統

這三種類型裝置中又以在線式(On Line)的概念最容易理解。市電是一種「交流電(Alternating Current, AC)」,透過交直流整流器灌進 UPS 的內部電池(充電動作)中,再由電池通過變流器(逆變器)還原成交流電後輸出到電腦系統,從電源流向來看可以寫成:AC IN > DC IN > UPS Battery> DC OUT > AC OUT > PC。

在線式的主要特點就是不需要轉用「電源線路」,可持續性供應的波形非常完整、乾淨(雜訊、突波除了通過電路過濾外還會被電池吃掉)。之後當外界電源供應被中斷(例如市電停電或電壓壓降達到危險閥值)時,對電子系統的損耗也是最低,因為基本上沒有所謂切換線路的問題。

在線式不斷電系統對系統穩定性有強烈需求的實驗室與企業而言是唯一的選擇,適合用在環境電源複雜的場所(例如周邊住了一隻電力怪獸)。不過這項產品的設計較為複雜,零件與結構成本偏高,較難普及於一般家庭與個人工作室。

離線式(Off Line)不斷電系統

離線式(Off Line)是在 UPS 內部存在兩條線路,一條是由市電直接供應給電腦系統(AC IN > PC);另一條是由市電對電池充電(AC IN > UPS Battery)。

當市電2供應大幅度降低(甚至中斷)時,UPS 會切換內部供電路線路,改由電池供電給電腦端使用(UPS Battery > PC)。

離線式的優點是結構簡單,動作控制單純,硬體成本也是三種 UPS 類型中最便宜的,不過缺點就是少了雜訊與突波保護以及電源穩定性。在兩條供電線路切換時會形成一段轉換時間,雖然只要將轉換時間控制在10毫秒(依電壓頻率不同會有不同的上限)內就可維持電腦正常運作,但瞬間的電流中斷還是會對電子元件造成影響。

在線互動式(Line Interactive)不斷電系統

一般人較難理解的是在線互動式 UPS(Line Interactive),例如工具人今天入手的 APC Back-UPS Pro 10003。雖然名稱上有「在線」兩個字,卻還是離線式運作的一種。對系統的保護與價格都是介於在線式與離線式間的一種折衷方案。而且各家 UPS 生產廠商的設計手法各有巧妙不同,因此也很難完全定義清楚。工具人自己則是靠以下三點特徵來做辨識:

其一,內建「雙向性轉換器(Bidirectional Converter, BC)」:

在線互動式 UPS 內部「可以」只靠一條線路同時供應負載端(例如電腦主機)以及透過「雙向性轉換器」對電池充電,從電源流向來看可以寫成:AC IN > PC & BC;BC > UPS Battery;UPS Battery > BC > PC)。

當市電停電,電池將透過雙向轉換器(BC),讓電源從同一條線路逆向供應給負載端。

另外,透過雙向性轉換器的設計,不僅可以簡化線路,轉換時間也相對較低,減輕電子元件的負擔,同時電腦端得以透過電源管理軟體(例如:APC PowerChute4)對控制器進行電源控制與管理,這也是在線「互動式」名稱的由來。

其二,內建 AVR 自動穩壓調節器(Automatic Voltage Regulator):

這項元件是複雜設計的體現,用於調節電壓的浮動,達到正常電壓水準5

沒有內建 AVR 元件的UPS,只會在市電低於或高於預設閾值時切換成電池供電。但是內建 AVR 元件的 UPS,只要外界電壓的浮動在 AVR 的工作範圍中,AVR 就會連續調整電壓,產生穩壓的效果,讓系統電源更加穩定,只有在電壓供應不足或超出預設閾值時才切換成電池供電。不過有些廠商也會在離線式不斷電系統中安裝 AVR 調節器,所以工具人才會說說沒有 AVR 的絕對是離線式,但有的不一定是在線互動式。

其三,廠商定義(廠商說了算)。

如何選擇一台好用的不斷電系統 UPS

第一步,定義工作用途與環境。

以工具人的立場而言,每次在淡水維修電腦遇到一般商家或設計工作室,我總會多嘴建議安裝不斷電系統,而且也不光是針對商業用途的建議,我認為學生族群(尤其是研究所)也是潛在使用者(尤其趕報告時)。

至於該選用哪一種類型的不斷電系統,主要還是看使用者的需求而定。

如果你中了樂透,或你是對系統穩定與安全性有強烈需求的實驗室與企業部門,或者你家裡住了一隻經常擾亂電源的電力怪獸,我建議你直接參考在線式不斷電系統(On Line UPS),那才是你需要的。

至於一般家庭用戶與個人工作室,主要需求在於停電時提供資料備份與安全關機所需的時間,我會大力推薦在線互動式 UPS。

離線式不是不好,而是沒有選擇的必要,因為跟在線互動式的價差不大。除非你認為自己住在電廠旁,一年難得碰到一次停電,而且平常只是開電腦上網打屁哈啦用,那倒是可以考慮離線式。

第二步,找規格。

在針對自己的機器設備開規格前,記得 UPS 的目的不是為了讓你遇到停電時還能先看部電影再說。

UPS 的主要功能就是讓你在停電或電壓異常的那個「瞬間」還能提供緊急電源,讓系統可以完成資料備份與關機。

因此在開規格時,請千萬記得不要把電風扇、印表機、電鍋、掃描器、檯燈等一堆電子設備的耗電量通通算進去,結果買了一個超大儲電容量的不斷電系統,不僅平白無故多花一堆錢,還會讓 UPS 的效益更糟糕。

重點提示:高耗能的電器(如電鍋,會造成 UPS 瞬間過載)和馬達類的電器(如電風扇,由於電感性負載具有電動勢,容易損壞 UPS)不要接UPS!

工具人的建議是只在必要負載上使用 UPS,其他周邊裝置還是吃牆壁上的電源就好。而所謂必要,包括電腦主機和電腦螢幕。如果你的資料必須儲存在外接硬碟上,外部裝置的耗電量也要算進去。但也就僅止於此,其他非必要,也就是無關緊急資料救援的裝置則通通無視。

特別提示:好一點的 UPS 會提供負數個「不經電池」的旁路電源孔,使用這些插孔的裝置的耗電量可以省略不計(一樣要避免馬達類電器)。有些 UPS 甚至會在這些旁路電源孔提供穩壓與防突波效果,拿來連接音響使用會是不錯的選擇。

接下來,我們就來把前面提到的必要裝置的耗電量總瓦數進行計算

以我手上 APC UPS 為例,型號是 APC Back-UPS Pro 10006輸出容量標準是 1000 伏安/ 600 瓦(1KVA/600W),其他型號還有 550(500VA/330W)、700(700VA/420W)和 1500(1500VA/865W)等等,適用各等級的電腦系統(如果是伺服器機架需要特別的配置方案,不在討論範圍)。

至於如何計算電腦主機的耗電量,工具人有一個簡單的方法提供大家做個參考。

大多數人可能都不是很清楚電腦主機的實際耗電量(請參閱下圖所示,APC UPS 會偵測負載的實際耗電量並顯示出來,算是蠻有趣的設計),不過電腦主機後方的電源供應器其實會刊載相關規格。只要我們選購的 UPS 可包容該規格就好。

APC UPS 自動偵測負載消耗功率。

APC UPS 自動偵測負載消耗功率。

例如下圖是電腦主機所用電源供應器(Power Supply)都會有的詳細規格表,我們可以在紅框中發現這台電源供應器的最大輸出電量是 330 W。

然而,雖然這台電源供應器恰好符合 500VA/330W UPS 供電量,但是考慮到電源供應器「能源效率」以及電腦螢幕(LCD 液晶螢幕約 25W,傳統 CRT 從 100W 起跳)等其他設備,工具人建議購買以 700VA/420W 等級以上的 UPS。

Power-Supply-Data-Plate-Sample-Vedfolnir

電源供應器規格表。

工具人再以 550 瓦特(參考連結)與 1375 Watts(參考連結)這兩種電源供應器為例,兩者所需的 UPS 就有極大不同,前者挑選 1000VA/600W 差不多已經足夠,但是後者則就算挑選 1500V 機型都還不夠(除非你電腦只是拿來畫小畫家)。

2015.05.12補充:網友蕭先生在臉書提問,認為電源供應器應把能源效率(Energy Efficiency,又稱轉換效率)列入功耗計算,所以需要挑選比帳面數字更大的 UPS 才安全。關於這一部分的內容,工具人另外寫了一篇文章《電源供應器 80Plus 能源效率與不斷電系統 UPS 供應電源的問題探討7,歡迎有興趣的朋友可以前往閱讀。

當然,如果你對自己的電腦主機實在不太熟悉,更不清楚自己的負載耗電量,我建議一般電腦使用者只要選購跟我一樣規格的 UPS 即可。我的 UPS 只有接一台主機(電源供應器為 500W)及一台螢幕,主機裡有硬碟四顆、一張顯卡,主機後方有四組 USB 插槽,各自接有不同的周邊裝置。這樣的系統配置在一般正常使用下(沒有在跑影片剪輯之類的程式),總耗電量只有 160 瓦,就算再加上電腦螢幕也不到 200 W,完全符合 1KVA/600W 的工作範圍(有點像殺雞用牛刀 :P)。

其實這中間隱藏著一個很大的老問題,多數人在自組電腦時,對於電源供應器的挑選,大多會把挑選重點擺在廠牌、認證、價格以及供應瓦數,卻很少真的針對系統實際耗電需求來做選購(商業組裝電腦比較沒有這個問題),因此即使裝上大瓦數電源供應器,也不見得可以用到實際輸出功率的一半。

另外,相信有人會考慮關於電池蓄電量是否足夠的問題,我自己的看法是不用多煩心。因為越大規格的 UPS 不可能給你越小的電池(以 APC 1000VA 為例,半滿載輸出狀態可以提供十五分鐘到三十分鐘左右的供電時間,全滿載也可以提供五至八分鐘。),除非你有特別需求(例如儲存資料一次需要超過一小時之類),否則大多數的電量配置已經足夠做安全備份。

即便你有客製化大電量的需求,現在的 UPS 設計也都能輕易擴充電池模組,所以只要選擇大廠的 UPS 就不會有這方面的問題。簡單來說,你該考慮的是擴充的方便性,而不是這組 UPS 的電池容量有多大。

APC UPS 電池。

APC UPS 電池。

第三步,找名牌貨。

現在買東西都流行選名牌貨,叫得出來還是叫不出來很直接反應的就是品牌印象的垂直體驗。買相機如此(Nikon 忠誠),買登山裝備如此(登山包選 Osprey),買不斷電系統自然也是如此。

目前在國內外市場中,談到 UPS,應該是 美商聯合包裹….最出名 法商施耐德電機(Schneider Electric)旗下子公司 APC(American Power Conversion)所生產的不斷電系統較為出名。即便是在 Google 上搜尋 UPS System,排名第一的也是 APC UPS。從大數據的角度來看,這就是一件好商品在整體時間上的成果體現。

下圖是我們針對國內外共十一家廠商所生產 UPS 系統進行分析的總熱門度排比圖。最左邊的藍色長柱是 APC UPS,其他十間不分排名,僅以姓名排序的廠商分別是 Cyberpower、Delta(台達電)、Eaton(飛瑞)、Emerson(艾默生)、FT(飛碟)、Numeric、Opti-UPS(蓄源)、PCM(科風)、Tripplite 以及 Weli(崴立)。

我們能輕易地從圖表中看出全球在 2010至 2014之間,即使是排名第二的廠商依然與 APC 有著將近一半的顯著差異,而第三名以後更連一成都不到。由此可知 APC 在全球 UPS 製造商中是相當熱門的商品。

UPS-Power-System-World-Popular-Production-Ratio-from-2010-2014-Vedfolnir

國內外11家UPS製造商熱門度

感想與總結:

如果你對電腦系統穩定性有高度需求,無論你是為了報告論文正在最後一搏,或是需要長時間在電腦上作業的藝術家和作家,甚至是改圖改到天昏地暗的攝影師,一台不斷電電源系統絕對是你最划算的投資。

我們玩 RPG 遊戲都知道要找最強的武器與魔法,但是可以防止怪物將我們一擊必殺的女神項鍊也是很重要的道具。不斷電系統就是我們在電腦上冒險時的女神項鍊,除了防止必殺攻擊外,還能消除混亂(穩波功能)以及延續生命(電池供電),這種好道具能不要嗎?

延伸閱讀

  1. 工具人的電腦被高壓電貫通事件,罪魁禍首是台電。當時台電配錯電,把高壓導入低壓線路,結果把新竹整排房屋的電器通通爆光。不過我也見識到台電在危機處理方面的明快態度(還有豐沛的資金),房東跟我們收集完毀損資料後,沒幾天就幫我換了一台升級過的新電腦,讓我深覺台電的效率是可信賴的(年紀輕就是純真,不然用eeepc換一台MAC回來)。
  2. 重要! 國外旅行一定要瞭解的7大電源插座及插頭的詳細說明 (內附各國電壓規範與插頭形式圖表)。
  3. APC:Back-UPS Pro 1000 在線式on line不斷電系統(產品連結)。
  4. UPS 電源管理軟體 APC PowerChute Personal Edition 功能介紹與使用教學
  5. 一位住在澎湖縣某座小島上的朋友最近在抱怨電壓浮動。一般台電配到家中的電壓是準110伏特,上下誤差很少超過5V。但是海島上只能自己用柴油發電機來發電,驚人的電壓是在 105V 到 160V 之間浮動,聽他說已經弄壞好幾台 UPS 了(囧)。
  6. 不斷電系統 APC Back UPS Pro 1000 體驗測試與使用心得介紹 (開箱文)
  7. 電源供應器 80Plus 能源效率與不斷電系統 UPS 供應電源的問題探討
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2 個回應

  1. Jim 說道:

    謝謝工具人的認真文!推!

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