Computer Power Protection

如果没有可靠、稳定的交流电源，即使最好的电源适配器也无能为力。单纯将系统插在墙壁插座上并寄希望于“运气”，迟早会酿成灾难。在掌握这些知识之前，我们曾因电力故障损失了大量的工作时间，甚至因为雷击损坏了不止一套系统。只要安装了适当的电源保护措施，所有这些都是可以预防的。电源保护分为两种类型。

“被动电源保护”可以保护你的系统免受可能损坏系统或导致系统死机的电压尖峰及其他电力异常的影响，但无法预防断电。最常见的被动电源保护形式就是我们熟悉的防浪涌插线板。

“主动电源保护”提供备用电力，使系统在公用电网断电时能够继续运行。最常见的主动电源保护形式是电池供电的备用电源。大多数主动电源保护设备也至少提供基本的被动保护。

在本节中，我们将简要介绍这两种保护类型。

防止电脑受到公用电线线路上的浪涌、电压尖峰和其他干扰的第一步，就是安装某种形式的被动电源保护。市面上的被动电源保护设备种类繁多，从五金店出售的 5 美元插线板，到专业供应商销售的 500 美元电源调节器，令人眼花缭乱。不出所料，价格越高的设备在可靠性、保护水平以及抗损能力方面表现越好。

你不必花 500 美元购买被动电源保护设备，但我们确实建议在所有系统上使用高质量的浪涌保护器。坚持选择 APC (http://www.apc.com)、Belkin (http://www.belkin.com) 或 Tripp Lite (http://www.tripplite.com) 等高端型号，就不会有大错。计划至少花费 40 到 50 美元购买带有基本交流电保护的高质量浪涌保护器，如果需要视频和宽带网络接口等附加功能，则可能需要花费 100 美元。图 16-17 展示了售价 90 美元的 Tripp Lite HT10DBS 浪涌保护器，它专为家庭影院系统设计，但也非常适合保护我们的机房。

图 16-17：Tripp Lite HT10DBS 浪涌保护器（图片由 Tripp Lite 提供）

• Quis custodiet ipsos custodes?（谁来监督监督者？）***

古罗马人曾思考过这个问题：谁来监督监督者？当谈到浪涌保护器时，问题变成了：什么来保护保护器？答案是“纵深防御”。第一道最好的防线是全屋浪涌抑制器。这些相对便宜的设备连接在公用电网和你的配电箱之间，位于电力进入你家的服务入口处。一个好的全屋浪涌抑制器可以安全地消散巨大的过电压和过电流，例如由附近的雷击产生的电涌。全屋浪涌抑制器不能取代对敏感设备使用单独的抑制器，但它确实能将尖峰和浪涌降低到单个保护器可以轻松处理的水平。

在大多数地区，这些设备必须由持证电工安装。即使你居住的地方没有此项规定，我们也建议付费请专业人员来完成这项工作。否则，请让你的配偶准备好一块 2x4 木板、除颤器和烧伤急救包，以防你接错了电线。

别留下后门敞开

安装电源保护措施时，请确保保护连接到系统的每一根电缆。如果你留下传真线路、有线电视线路或有线调制解调器线路不加保护，那么保护交流电源线就没有任何意义。浪涌和电压尖峰可以通过直接或间接连接到电脑的任何电线进入。

对于企业而言，主动电源保护涵盖了从备用发电机到替代电网的一切手段。但在家庭或 SOHO（小型办公室/家庭办公室）环境中，主动电源保护意味着备用电源。

他们说 UPS，我们说 BPS

“不间断电源 (UPS)”和“备用电源 (SPS)”之间确实存在区别，但现在通常将称为 SPS 的单元也称为 UPS。我们将这两类单元统称为“备用电源 (BPS)”，这样可以巧妙地规避术语上的困扰。

BPS 由电池和一些辅助电路组成，旨在当公用电源断电时，为你的电脑提供短时间电力。这种暂时的缓冲让你有时间保存工作并以正常顺序关闭电脑。BPS 的区别在于它们提供的电力质量、可供应电量以及持续时间。BPS 还可以调节公用电源，以保护设备免受电压尖峰、浪涌、电压跌落、欠压和电气噪声的影响。

所有 BPS 都具有三个共同元素：用于存储电能以应对断电的“电池”；将电池提供的直流电压转换为负载所需的交流电压的“逆变器”；以及将交流主电源转换为电池充电所需直流电压的“充电电路”。IEEE 将 BPS 分为三类：

“在线式 UPS”（通常称为“真 UPS”或“双变换 UPS”，以区别于 SPS）将负载直接连接到逆变器，逆变器将电池提供的直流电压转换为标准交流电压。充电电路在 UPS 运行时持续为电池充电，设备始终通过逆变器提供的电池电量运行。在线式 UPS 的成本比稍后描述的 SPS 高，但有两个优点：因为电脑始终运行在电池电力上，所以没有切换时间，也不会有开关故障。此外，由于电脑不直接连接主电源，它实际上与交流线路问题隔绝了。

“在线互动式 UPS”（也称为“单变换在线式 UPS”）与在线式 UPS 的不同之处在于，只要有公用电力可用，负载通常主要运行在公用电力上。在线互动式 UPS 不会像双变换 UPS 那样先将公用电源转换为直流电来充电，再重新转换回交流电供负载使用，而是在正常条件下将公用电源直接输送给负载。公用电源的微小波动会由逆变器使用电池电力进行平滑处理。在线互动式 UPS 的定义特征是逆变器始终运行，且负载始终在逆变器和公用电源之间动态共享。在常规运行期间，公用电源可能承担 99% 的负载，逆变器仅承担 1%。在电压降低期间，逆变器可能承担 10% 或更多的负载。只有在停电时，逆变器才会承担 100% 的负载。真正的在线互动式 UPS 没有切换时间，因为逆变器和公用电源始终动态共享负载，因此电力故障仅仅意味着逆变器瞬间承担 100% 的负载。虽然在线互动式单元在隔离交流线路问题方面不如在线式 UPS，但它们在向负载提供清洁、稳定的交流电方面表现相当出色。在线互动式 UPS 在数据中心很常见，但在个人电脑环境中不常见。

电脑最常用的 BPS 形式是“后备式电源”，有时称为“备用电源 (SPS)”。BPS 营销人员不喜欢“备用 (standby)”这个词，甚至非常讨厌“离线 (offline)”，所以后备式电源总是被称为“不间断”电源，尽管它们实际上并不是。SPS 的定义特征是它有一个开关，且逆变器并非始终运行。在正常运行期间，开关将公用电源直接导向负载。当公用电源故障时，开关会迅速将负载从公用电源断开，并重新连接到逆变器，逆变器随后通过电池继续为设备供电。SPS 比在线式和在线互动式单元便宜，因为它们可以使用相对廉价的逆变器，这种逆变器额定负载周期短，运行时间也较短。

请稍等片刻

大多数电脑电源适配器有足够的“保持”时间，可以在 SPS 切换到电池电力所需的几毫秒内继续为系统供电。但这对于由外接电源适配器供电的外部设备未必适用，这些设备可能没有足够的“惯性”在 SPS 切换到电池电力期间维持运行。对于扬声器等非关键外接设备，这无所谓。但对于外置硬盘来说，这可能非常重要，即使断电时间很短（甚至短到不会导致灯光闪烁），也可能导致数据损坏。

在读者向我们指出这个问题之前，我们从未考虑过。回想起来，这可能解释了我们收到的一些令人困惑的报告：外置 USB 硬盘在没有任何明显原因的情况下损坏。

与在线式和在线互动式单元不同，SPS 在向负载供电前不会调节或再生输入的交流电。相反，它们通过类似于普通浪涌抑制器的无源滤波器传导公用交流电源，这意味着 SPS 提供的电力不如在线式和在线互动式单元干净。理论上，SPS 相对于在线式和在线互动式单元还有一个缺点：在长时间低压条件下和电池部分耗尽时，实际切换时间可能会比额定时间长得多。因为电脑电源适配器的保持时间在临界低压条件下会减少，理论上 SPS 可能需要比电脑电源适配器的保持时间更长的切换时间，从而导致系统崩溃。实际上，好的 SPS 典型切换时间为 2 到 4 毫秒，最大切换时间为 10 毫秒或更短，而好的电脑电源适配器在额定电压下保持时间为 20 毫秒或更长，在持续临界电压不足的条件下保持时间为 15 毫秒或更长，这意味着这很少成为问题。常见的 SPS 有两种类型：

营销话术

如今，即使是最好的制造商也将他们的稳压型号描述为“在线互动式”单元。虽然我们更愿意将“在线互动式”一词保留给增量变换在线式 UPS，但这恐怕是一场注定失败的战斗。一个好的稳压单元没有什么不好。事实上，对于大多数家庭和 SOHO 应用来说，这是最好的选择。我们使用 Falcon Electric 的稳压单元来保护我们自己的几个系统。

“标准 SPS”只有两种模式：完全的公用电源或完全的电池电力。只要公用电源在阈值电压限制内（许多单元可以设置此限制），SPS 就只是将公用电力传导给设备。当公用电源低于阈值时，SPS 会将负载从使用 100% 公用电源切换为使用 100% 电池电力。一些标准 SPS 在公用电压超过上限阈值时也会切换到电池模式。这意味着 SPS 每次发生浪涌、电压跌落或欠压时都会切换到电池供电，这可能非常频繁。这种“全有或全无”的方法会频繁循环电池，从而缩短电池寿命。更重要的是，针对微小电力问题的频繁警报会导致许多人关闭警报，这可能会导致延迟发现实际停电，直到电池耗尽并丢失工作。大多数入门级 SPS 型号都是标准 SPS。例如，美国电源转换公司 (APC) 的 Back-UPS 系列就是标准 SPS。

“稳压式 SPS”在标准 SPS 的两种模式之外增加了“稳压”模式。稳压式 SPS 有时会被广告宣传为在线互动式 UPS，但这并非事实。与使用电池电力将交流输出电压提升至额定值的在线互动式单元不同，稳压单元只是多了一个变压器抽头，当输入电压低于阈值时，它们使用该抽头将输出电压提高固定的百分比（通常为 12% 到 15%）。例如，当交流输入降至 100V 时，在线互动式单元使用电池电力将其提升 15V 至额定 115V。对于 95V 输入，在线互动式单元将其提升 20V 至 115V。对于 100V 输入，稳压单元使用额外抽头将输出电压提高固定百分比（我们假设为 12%），产生 112V 输出。对于 95V 输入，稳压单元将其提高相同的固定百分比，在本例中为 106.4V。这意味着稳压单元的输出电压跟随输入电压，并且随着逆变器开关切换，负载侧会出现相应的瞬变和电流浪涌。大多数中端和高端电脑 SPS 型号都是稳压式 SPS。例如，美国电源转换公司 (APC) 的 Back-UPS Pro 和 Smart-UPS 系列就是稳压式 SPS。

以下是 BPS 最重要的特性：

BPS 的“VA 额定值”指定了该单元可提供的最大功率，由逆变器的容量决定。VA 额定值是额定交流输出电压与逆变器最大电流额定值的乘积。例如，一个 120V 650VA 的单元可以提供约 5.4A (650VA/120V) 的电流。除非 BPS 具有限流电路，否则连接超过逆变器电流额定值的负载会使逆变器过载并很快损坏。只有对于 100% 电阻性负载（例如灯泡），瓦数才等于 VA。如果负载包含电容或电感元件（如电脑电源适配器），则 VA 的消耗量等于瓦数除以负载的“功率因数 (PF)”。非 PFC 电脑电源适配器的功率因数通常在 0.65 到 0.7 之间。例如，我们的一台 SPS 额定为 1000VA 但只有 670W，这意味着制造商在计算该单元的瓦数时假设 PF 为 0.67。

BPS 的运行时间取决于许多因素，包括电池类型和状况、安时容量、充电状态、环境温度、逆变器效率以及负载百分比。其中，负载百分比变化最大。电池能提供的安时数取决于你从中提取的安培数，这意味着负载与运行时间之间的关系不是线性的。例如，一个 600VA 的 SPS 可能能提供 5 分钟 600VA 的电力，但能提供 20 分钟 300VA（一半负载）的电力（时间是原来的四倍）。负载增加一倍，运行时间减少的幅度远不止一半；负载减半，运行时间延长的幅度远不止两倍。

VA 额定值与运行时间

许多人认为 VA 额定值与运行时间以某种方式相关。事实并非如此，不过 VA 额定值较大的单元通常也有更大的电池，这在相同负载下提供了更长的运行时间，这既是因为电池本身更大，也是因为该单元提供的安培数低于其额定最大值。然而，制造一个具有极高 VA 额定值但电池极小的 BPS 也是完全可能的，反之亦然。

公用交流电压额定值为纯正弦波，这是电源适配器和其他设备所设计的运行波形。BPS 生成的输出波形各不相同。按期望程度（及价格）从低到高排列，输出波形包括：“方波、锯齿波、修正方波”（通常被误导性地称为“准正弦波、阶梯近似正弦波、修正正弦波”或“阶梯正弦波”——营销人员非常渴望在宣传中加入“正弦波”三个字，特别是对于那些名不副实的单元）。最便宜的单元产生方波输出，这本质上是近乎零上升时间和下降时间的双极直流电压，使其能冒充交流电。中端单元通常提供拟正弦波输出，这可能是从非常接近正弦波到不比未经修正的方波好多少的任何波形。输出波形由逆变器决定。逆变器是 BPS 中最昂贵的组件。更好的逆变器（即产生正弦波或近似正弦波的逆变器）价格更高，因此输出波形的质量通常与单元价格密切相关。令人惊讶的是，我们曾看到过一款不知名 BPS 的规格书将输出波形列为“纯方波”，大概是想用“纯”（好东西）和“方波”（坏东西）这两个词来迷惑买家。

在 SPS 上使用浪涌保护器要小心

我们曾收到关于将浪涌保护器连接在 BPS 和电脑之间导致火灾的报告。虽然我们无法验证这些报告，但向专为正弦波输入设计的浪涌保护器输入方波电力导致其过热是合理的猜测。另一方面，在 BPS 和墙壁插座之间使用浪涌保护器没有任何问题。事实上，我们推荐这样做，既能提供针对到达电脑的尖峰的额外保护，也能保护 BPS 本身。

选择 BPS 时，请遵循以下指南：

如今，你可以在大型商场买到 40 美元的 BPS。它们确实算不上很好的 BPS，但总比没有好。刚买来时，廉价的 BPS 可能只能提供一两分钟的运行时间；随着电池老化，运行时间可能会缩短到几秒钟。不过，绝大多数断电时间都在一秒以内，所以即使是五秒的运行时间也能提供一定的保护。

下一个级别是消费级的 SPS，例如 APC Back-UPS 或 Back-UPS Pro 系列。这些单元提供的保护比低端产品好得多，运行时间也长得多。我们将这些单元视为“认真”电源保护的最低标准，并在我们的一些辅助系统上使用它们。更好的是稳压式单元，例如 APC Smart-UPS 和 Falcon Electric (http://www.falconups.com) SMP 和 SUP 系列，我们认为这是重要系统的最低可接受标准。最后是真正的 UPS，例如 Falcon Electric SG 和 SSG 系列单元，我们将其用于服务器和主桌面系统。

保护你的 BPS

无论你购买的是 40 美元的廉价品还是 1,000 美元的在线式 UPS，都不要单独使用它。始终在墙壁插座和 BPS 之间放置一个浪涌保护器。40 美元的单元无法提供太多针对尖峰和浪涌的保护，因此需要浪涌保护器来保护你的设备。1,000 美元的 UPS 在保护电脑方面做得非常出色，但也值得被保护。如果有巨大的尖峰或浪涌沿线而来，购买一个新的 50 美元浪涌保护器远比购买一个新的 1,000 美元 UPS 要好。

你可以通过检查电脑电源适配器以及 UPS 将要供电的每个其他组件上列出的最大安培数来计算 VA 需求。将这些最大安培数相加并乘以额定交流电压，即可确定 VA 需求。这种方法的问题在于耗时较长，且计算出的 VA 远高于你的实际需要。更好的方法是使用大多数 BPS 制造商在其网站上提供的配置工具。例如，APC UPS 选择器 (http://www.apc.com/sizing/selectors.cfm) 允许你指定系统配置、所需的运行时间以及增长余量。根据这些信息，它会返回一个合适的 APC 型号列表，并附带每个型号的预计运行时间。

如果你需要在近距离内保护多台电脑，请考虑购买一个更大的单元，而不是几个廉价的小单元。对于相同的累计 VA 和运行时间，更大的单元成本可能更低，而且很可能提供更出色的功能（例如稳压和更好的波形）。

最便宜的单元提供方波输出，电脑电源适配器可以在短时间内使用而不会损坏。然而，让电脑在方波电力下长时间运行会给电源适配器带来压力，并最终可能损坏它。此外，方波单元完全不适合其他电子设备，很快就会损坏它们。只有在别无选择、买不起任何 BPS 的情况下才购买方波单元。对于一般用途，如果你预计在关闭电脑前在备用电源下运行电脑的时间不超过 10 分钟，请购买提供模拟正弦波的单元。如果你预计在备用电源下长时间运行电脑，或者你还计划为不耐受拟正弦波电力的设备（如某些显示器）供电，请购买真正的正弦波单元。

那么，我们实际使用的是什么？多年来，我们一直独家使用并推荐 APC 的单元。后来，我们的一台 APC Smart-UPS 提前坏了。我们将其归咎为运气不好。几个月后，一台 Back-UPS Pro 坏了。然后是 Back-UPS。接着又是另一台 Smart-UPS。这些都不是电池故障，电池故障是我们对任何 UPS 都有的预期。这些是逆变器或控制电路的故障，且坏掉的单元中除一个外，其余使用寿命都在两年或两年以下。

显然，四次故障甚至算不上统计学意义上的普遍性，即使是在我们使用的有限数量的单元中，但这确实让我们产生了怀疑。随后我们开始收到读者的反馈，他们的经历与我们相似。像我们一样，他们多年来一直使用 APC 单元且没有问题；像我们一样，他们最近开始发现新的 APC 单元提前失效的比例更高。显然，这依然不能证明什么，但我们变得非常担忧。

后来有一天，我们和我们的朋友兼同事 Jerry Pournelle 交谈，他在 20 多年来一直撰写《BYTE》杂志的“Chaos Manor”专栏。我们告诉了他我们对 APC 单元故障率的担忧。“去和 Falcon Electric 谈谈，”Jerry 说，“我多年来一直使用他们的 UPS。它们简直坚不可摧。地震甚至把我的其中一台撞倒了，它也从没出过差错。”

我们听从了 Jerry 的建议，订购了一些 Falcon Electric (http://www.falconups.com) 的单元。经过研究和测试，我们认为 Jerry 是对的。Falcon Electric 制造了市面上最好的 UPS，因此我们将标准统一为他们的产品。Falcon 的客户名单严重偏向军事、工业、电信和医疗组织，这在我们决定时发挥了很大作用。这些人需要坚如磐石的可靠电源保护，NATO、Lucent 和 General Atomics 觉得好用的东西，对我们来说也足够好了。

Robert 使用 图 16-18 所示的 Falcon Electric 2 kVA SG 系列 UPS Plus 来保护他整个办公室的服务器和桌面系统。这些单元看起来就像一个标准的迷你塔式电脑（包括冷却风扇）。你可能已经猜到了，底部的那个单元是一个外接电池组，它能延长运行时间，足以度过我们可能遭遇的约 95% 的断电事故。Barbara 在她的办公室使用类似的 Falcon Electric 在线式 UPS，我们的大多数辅助系统都在 Falcon Electric SMP 和 SUP 系列稳压单元上运行。自改用 Falcon Electric 单元以来，我们经历了数十次雷雨和几次停电，从未出现过任何小故障。

图 16-18：带有外接电池组的 Falcon Electric SG 系列 2 kVA 在线式 UPS

电脑电源适配器与保护