原题目:有关开关电源的一段汗青

起源:本文由大众号半导体行业察看(ID:icbank)翻译自「spectrum.ieee」,作者Ken Shirriff,感谢。

苹果公司固然没有激发这场革命,但正如乔布斯声称的那样,苹果从中受益匪浅。

没有内置英特尔芯片:X射线揭示了1977年宣布的Apple II微型盘算机中应用的开关电源的构成部门。(照片:David Arky)

作为技巧喜好者,你可能知道你的盘算机中的微处置器是什么,知道它有几多内存,但你很可能对电源全无所闻。别难熬,即使对于制作商来说,设计电源也是后来才想到的。

这是一件令人遗憾的工作,由于发明PC机中应用的电源须要支出相当年夜的尽力,这与上世纪70年月末之前其他花费电子产物的供电电路比拟是宏大的提高。这一冲破源于半个世纪前半导体技巧的宏大提高,特殊是开关晶体管的改良和集成电路的立异。然而,这是一场革命,它完整没有被大众所熟悉,甚至没有被很多熟习微型盘算机汗青的人所熟悉。

然而,电源并非没有热忱的支撑者,此中就有一个可能让你觉得不测的人:史蒂夫·乔布斯。据乔布斯的授权列传作者沃尔特·艾萨克森说,乔布斯对首创性的Apple II PC机及其设计师Rod Holt的电源设计有着强烈的情感。据艾萨克森报道,乔布斯的说法是:

“Holt没有应用传统的线性电源,而是制作了一种相似于用在示波器中的电源。它每秒开关电源的次数不是60次,而是数千次,这使得它能以更短的时光储存能量,从而削减热量。乔布斯后来说:“这种开关电源和Apple II逻辑板一样具有革命性。Rod在汗青上并没有是以获得良多赞誉,但他应当获得。此刻每台盘算机都应用开关电源,他们都剽窃Rod Holt的设计。”

乔布斯的声明很主要,但我并不认同,所以我做了一些查询拜访。我发明,固然开关电源是革命性的,但革命产生在20世纪60年月末至70年月中期,由于开关电源代替了简略但效力低下的线性电源。1977年推出的Apple II从这场革射中受益,但并未激发这场革命。

乔布斯对这件事的改版远不止工程上的琐事。今天,开关电源是无处不在的支柱,我们天天都用它给我们的智妙手机、平板电脑、笔记本电脑、相机,甚至某些汽车充电。它们为时钟、收音机、家用音频放年夜器和其他小型电器供电。真正激发这场革命的工程师应当获得承认。并且这也是一个很好的故事。

睁开全文

Apple II等台式盘算机中的电源将交换电转换为直流电,为体系供给很是稳固的电压。电源可以以多种方法构建,但线性设计和开关设计是最常见的两种。

典范的线性电源应用体积宏大的变压器,将电力线上的高压交换电转换为低压交换电,然后再用二极管将交换电转换成低压直流电,凡是用4个二极管构成经典的整流桥构造。年夜型电解电容器用于光滑二极管电桥的输出。盘算机电源应用一种称为线性稳压器的电路,它可以将直流电压下降到所需的程度,并在负载变更时坚持电压稳固不变。

线性电源的设计和构建几乎是眇乎小哉的。并且它们应用廉价的低压半导体。可是它们有两个重要的毛病。其一是须要年夜电容和年夜型变压器,它们永远无法被封装成像我们此刻在智妙手机和平板电脑上应用的充电器那样小巧简便的工具。其二,线性稳压器一种基于晶体管的电路,会将过剩的直流电压——任何高于指定输出电压的电压——转换为余热。是以,如许的供电凡是会挥霍失落一半以上的功耗。它们经常须要年夜型金属散热器或电扇来散热。

绝不粉饰缺点

照片:David Arky

曩昔,小型电子装备凡是应用粗笨的壁式变压器,人们藐视地称之为“墙壁肉赘”。约在21世纪初,技巧的提高使得紧凑、低功耗的开关电源实用于小型装备。跟着开关AC/DC适配器价钱的降落,它们敏捷代替了年夜大都家用装备中粗笨的壁式变压器。

苹果公司把充电器酿成了一款设计优良的产物,2001年推出了一款时尚的iPod充电器,内置了一个紧凑的IC把持反激式电源(左图)。USB充电器很快变得无处不在,苹果公司2008年推出的超小型inch-cube充电器成为了标记性产物(右图)。

这类高端充电器的最新趋向是应用氮化镓(GaN)半导体,这种半导体的开关速度比硅晶体管快,是以效力更高。技巧被推向了另一个标的目的,最廉价的USB充电器此刻的售价不到1美元,尽管价格是电源质量差,缺乏平安功效。——K.S.

开关电源的工作道理分歧:在典范的开关电源中,交换输进转换为高压直流,每秒开关数万次。所采取的高频答应应用更轻盈的变压器和更小的电容器。一个特别的电路准确地把持输出电压的时光。这些电源不须要线性稳压器,是以几乎不挥霍电能:它们的效力凡是可达80%~90%,是以开释的热量要少得多。

然而,开关电源比线性电源庞杂得多,是以设计起来比拟艰苦。此外,它对元件的请求更高,请求高压功率晶体管可以或许高效地高速开关。

趁便提一下,有些盘算机应用的电源既不是线性电源,也不是开关电源。一种原始但有用的技巧是使电念头离开线路电源,并应用该电念头驱动发生所需输出电压的发电机。电动发电机组应用了几十年,至少可以追溯到20世纪30年月的IBM打卡机,并连续到20世纪70年月用于Cray超等盘算机等。

20世纪50~80年月风行的另一种选择是应用铁磁谐振变压器,这是一种特别类型的变压器,可以供给恒定的电压输出。此外还有可饱和电抗器,他是一种可控电感器,在20世纪50年月被用于真空管盘算机的电源调节。它在一些现代PC机电源中作为“磁放年夜器”从头呈现,供给额外的调节。但终极,这些希奇的方式年夜多让位于开关电源。

开关电源背后的道理早在20世纪30年月就为电气工程师所知,但这种技巧在真空管时期的利用有限。那时,某些电源中应用了称为闸流管的特别含汞管,这些电源可被视为原始的低频开关稳压器。例子包含20世纪40年月的REC-30电传打字机电源以及1954年IBM 704盘算机中应用的电源。然而,跟着20世纪50年月功率晶体管的引进,开关电源敏捷改良。Pioneer Magnetics公司于1958年开端构建开关电源。通用电气公司于1959年宣布了晶体管开关电源的早期设计。

20世纪60年月,美国宇航局和航天产业为开关电源的成长供给了重要动力,由于在航天利用中,体积小、效力高的上风跨越了高本钱。例如,1962年的Telstar卫星(第一颗传输电视图像的卫星)和Minuteman导弹都应用了开关电源。10年之后,本钱下降了,开关电源被设计成发卖给大众的产物。例如,在1966年,Tektronix公司在便携式示波器中应用了开关电源,使它可以或许应用电源电流或电池。

跟着电源制作商开端向其他公司出售开关电源,这一趋向加速了。1967年,RO Associates推出了第一款20kHz的开关电源产物,据称这是第一款商用胜利的开关电源。日本电子存储产业股份有限公司于1970年开端在日本开辟尺度化开关电源。到1972年,年夜大都电源制作商都在发卖开关电源或即将供给开关电源。

年夜约在这个时辰,盘算机行业开端应用开关电源。早期的例子包含1969年的数字装备公司的PDP-11/20微型盘算机和1971年的惠普公司的2100A微型盘算机。1971年的一份行业刊物指出,应用开关稳压器的公司读起来就像是盘算机行业的“名人堂”:例如,IBM、霍尼韦尔、Univac、DEC、Burroughs和RCA等。1974年,应用开关电源的小型盘算机包含数据通用公司的Nova 2/4、德州仪器公司的960B,以及Interdata公司的体系。1975年,开关电源用于HP2640A显示终端、IBM的相似打字机的SElectric Composer,以及IBM5100便携式盘算机。到1976年,Data General在其一半体系中应用了开关电源,而惠普则将其用于更小的体系,如9825A台式电脑和9815A盘算器。同时,开关电源也呈现在家庭中,1973年开端为成为一些彩色电视机的电源。

开关电源普遍呈现在阿谁时期的电子杂志上,无论是告白仍是文章。早在1964年,《电子设计》就推举应用开关电源以进步效力。1971年10月的《电子世界》封面展现了一个500瓦的开关电源和一篇题为“开关稳压器电源”的文章。1972年,《盘算机设计》具体会商了开关电源以及此类电源在盘算机中的日益普及,不外它也提到,一些公司仍然持猜忌立场。1976年,《电子设计》的封面上写道,“开关忽然变得更轻易了”,描写了一种新型开关电源把持器IC。《电子学》杂志就这个题目颁发了一篇很长的文章;《电源技巧》针对其开关电源的上风宣布了两页告白,其口号为“年夜变更是转向开关电源”;《字节》则公布了一家名为Boschert的公司开端为微型盘算机供给开关电源。

Robert Boschert于1970年辞往工作,开端在自家厨房的餐桌上制作电源,他是这项技巧的要害开辟者之一。他专注于简化这些设计,使其与线性电源比拟具有本钱竞争力,到1974年,他开端批量出产用于打印机的低本钱电源,1976年又出产了一种低本钱的80瓦开关电源。1977年,Boschert 已成长成为一家拥有650名员工的公司。它为卫星和格鲁曼F-14战役机制作电源,后来为惠普和太阳等公司出产盘算机电源。

20世纪60年月末和70年月初,固态产物公司(SSPI)、西门子爱迪生斯旺公司(SES)和摩托罗拉等公司引进了低本钱的高压高速晶体管,将开关电源推向主流。更快的晶体管开关速度进步了效力,由于在这种晶体管中,热量重要是在导通和截止状况之间转换时耗散的,器件开关越快,挥霍的能量就越少。

晶体管速度在那时突飞大进。简直,晶体管技巧成长得如斯之快,以至于《电子世界》的编纂在1971年称,封面上的500瓦电源不成能是用18个月前才有的晶体管束造的。

另一个光鲜明显的提高产生在1976年,那时Silicon General Semiconductors的结合开创人Robert Mammano推出了第一款用于把持开关电源的IC,专为电子电传打字机设计。HisSG1524把持器IC极年夜地简化了这些电源的设计,下降了本钱,激发了销量的飙升。

到了1974年,差未几一两年的时光,任何对电子行业稍有懂得的人都明白,电源设计范畴正在产生一场真正的革命。

照片:Ted Thai / LIFE图片集/ Getty Images

引导者和跟随者:1981年,史蒂夫·乔布斯展现了一台Apple II PC机。苹果II于1977年初次推出,受益于全部行业从粗笨的线性电源转向小型、高效的开关电源设计。但正如乔布斯后来所说,Apple II并没有激发这种改变。

Apple II PC机于1977年推出。它的特色之一是紧凑的无电扇开关电源,供给5V、12V、-5V和-12V电压,功率38 W。它应用Holt的简略设计,一种称为离线反激式转换器拓扑的开关电源。乔布斯声称此刻每台电脑都抄袭了霍尔特的革命性设计。可是这个设计在1977年真的是革命性的吗?它是否被其他所有电脑制作商复制了?

事实并非如斯。那时Boschert和其他公司也在发卖相似的离线反激式转换器。Holt获得了几个特定功效的专利,但这些功效从未被普遍应用。并且,像Apple II那样用分立元件构建把持电路被证实是技巧上的逝世胡同。开关电源的将来属于专用把持器IC。

假如说有一种微型盘算机对电源设计发生了持久的影响,那就是1981年推出的IBM PC机。那时,仅仅在Apple II推出四年后,电源技巧产生了宏大的变更。固然这两款早期的PC机都应用了带有多个输出的离线反激电源,但它们的配合点只有这些。它们的驱动、把持、反馈和调节电路都是分歧的。尽管IBM的PC机电源应用了IC把持器,但它包括的组件年夜约是Apple II电源的两倍。这些额外的组件对输出供给额外的调节,并在所有四个电压都准确时发出“电源正常”的旌旗灯号。

1984年,IBM宣布了一款进级版的小我电脑,名为 IBM Personal Computer AT。它的电源采取了多种新的电路设计,完整摈弃了早期的反激拓扑构造。它很快成为事实上的尺度,并一向坚持到1995年,那时英特尔推出了ATX外形规格,此中界说了ATX电源,它直到今天仍然是尺度。

尽管呈现了ATX尺度,但跟着1995年Pentium Pro的问世,盘算机电源体系变得加倍庞杂。Pentium Pro是一种微处置器,它须要比ATX电源直接供给的电压更低,电流更年夜。为了供给这种电源,英特尔推出了电压调节模块(VRM),即安装在处置器旁边的DC-DC开关稳压器。它将电源中的5V下降为处置器应用的3V。很多盘算机中的显卡也包括VRM,用于驱动它们所包括的高机能显卡芯片。

现在,快速处置器可能须要高达130W的VRM,远远跨越Apple II 6502处置器应用的0.5W功率。事实上,单是一个现代处置器芯片就可以耗费全部Apple II盘算机3倍以上的电能。

盘算机日益增加的功耗已成为情况题目的一个原因,导致了一些旨在进步电源效力的举动和律例。在美国,当局的能源之星和行业领先的80多个认证推进制作商出产更多的“绿色”电源。他们已经可以或许应用各类技巧做到这一点:更高效的备用电源,更高效的启动电路,削减开关晶体管功率损耗的谐振电路,以及用更高效的晶体管电路代替开关二极管的“有源钳位”电路。在曩昔的十年中,功率MOSFET晶体管和高压硅整流技巧的改良也带来了效力的进步。

开关电源技巧在其他方面也在不竭成长。今天,很多电源不再应用模仿电路,而是应用数字芯片和软件算法来把持它们的输出。电源把持器的设计不仅是硬件设计的题目,也是编程的题目。数字电源治理答应电源与体系的其余部门进行通讯,以获得更高的效力和记载。固然这些数字技巧此刻很年夜水平上是为办事器保存的,但它们正开端影响台式盘算机的设计。

很难将这段汗青与乔布斯所说的“Holt应当更出名”,“Rod在汗青书中并没有是以获得良多赞誉,但他应当获得”相提并论。即使是最优良的电源设计师也不会在一个小圈子之外为人所知。2009年,《电子设计》的编纂接待Boschert进进他们的工程名人堂。Robert Mammano在2005年获得了《电力电子技巧》的编纂颁布的毕生成绩奖。Rudy Severns因其在开关电源范畴的立异而在2008年获得了另一项毕生成绩奖。但这些电源设计范畴的出色人物甚至都不是维基百科上的名人。

乔布斯多次夸大Holt被疏忽了,这导致Holt的作品呈现在数十篇有关苹果的热点文章和册本中,从1982年Paul Ciotti在《加州杂志》上颁发的《书白痴的复仇》(Revenge of the Nerds),到2011年艾萨克森为乔布斯写的最畅销的《乔布斯传》,纷歧而足。是以,具有讥讽意味的是,尽管Rod Holt在Apple II上的工作尽不是革命性的,但他可能已经成为了有史以来最有名的电源设计师。

本文颁发在2019年8月的印刷版上,题为《盘算机电源的悄然改革》

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