有關(guān)開關(guān)電源的一段歷史

作為技術(shù)愛好者，你可能知道你的計(jì)算機(jī)中的微處理器是什么，知道它有多少內(nèi)存，但你很可能對(duì)電源一無所知。別難過，即使對(duì)于制造商來說，設(shè)計(jì)電源也是后來才想到的。

這是一件令人遺憾的事情，因?yàn)閯?chuàng)造PC機(jī)中使用的電源需要付出相當(dāng)大的努力，這與上世紀(jì)70年代末之前其他消費(fèi)電子產(chǎn)品的供電電路相比是巨大的進(jìn)步。這一突破源于半個(gè)世紀(jì)前半導(dǎo)體技術(shù)的巨大進(jìn)步，特別是開關(guān)晶體管的改進(jìn)和集成電路的創(chuàng)新。然而，這是一場(chǎng)革命，它完全沒有被公眾所認(rèn)識(shí)，甚至沒有被許多熟悉微型計(jì)算機(jī)歷史的人所認(rèn)識(shí)。

然而，電源并非沒有熱情的支持者，其中就有一個(gè)可能讓你感到意外的人：史蒂夫·喬布斯。據(jù)喬布斯的授權(quán)傳記作者沃爾特·艾薩克森說，喬布斯對(duì)開創(chuàng)性的Apple II PC機(jī)及其設(shè)計(jì)師Rod Holt的電源設(shè)計(jì)有著強(qiáng)烈的感情。據(jù)艾薩克森報(bào)道，喬布斯的說法是：

“
Holt沒有使用傳統(tǒng)的線性電源，而是制造了一種類似于用在示波器中的電源。它每秒開關(guān)電源的次數(shù)不是60次，而是數(shù)千次，這使得它能以更短的時(shí)間儲(chǔ)存能量，從而減少熱量。喬布斯后來說：“這種開關(guān)電源和Apple II邏輯板一樣具有革命性。Rod在歷史上并沒有因此得到很多贊譽(yù)，但他應(yīng)該得到?，F(xiàn)在每臺(tái)計(jì)算機(jī)都使用開關(guān)電源，他們都抄襲Rod Holt的設(shè)計(jì)。
”

喬布斯的聲明很重要，但我并不認(rèn)同，所以我做了一些調(diào)查。我發(fā)現(xiàn)，雖然開關(guān)電源是革命性的，但革命發(fā)生在20世紀(jì)60年代末至70年代中期，因?yàn)殚_關(guān)電源取代了簡單但效率低下的線性電源。1977年推出的Apple II從這場(chǎng)革命中受益，但并未引發(fā)這場(chǎng)革命。

喬布斯對(duì)這件事的改版遠(yuǎn)不止工程上的瑣事。今天，開關(guān)電源是無處不在的支柱，我們每天都用它給我們的智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、相機(jī)，甚至某些汽車充電。它們?yōu)闀r(shí)鐘、收音機(jī)、家用音頻放大器和其他小型電器供電。真正引發(fā)這場(chǎng)革命的工程師應(yīng)該得到認(rèn)可。而且這也是一個(gè)很好的故事。

Apple II等臺(tái)式計(jì)算機(jī)中的電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為系統(tǒng)提供非常穩(wěn)定的電壓。電源可以以多種方式構(gòu)建，但線性設(shè)計(jì)和開關(guān)設(shè)計(jì)是最常見的兩種。

典型的線性電源使用體積龐大的變壓器，將電力線上的高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓交流電，然后再用二極管將交流電轉(zhuǎn)換成低壓直流電，通常用4個(gè)二極管組成經(jīng)典的整流橋結(jié)構(gòu)。大型電解電容器用于平滑二極管電橋的輸出。計(jì)算機(jī)電源使用一種稱為線性穩(wěn)壓器的電路，它可以將直流電壓降低到所需的水平，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓穩(wěn)定不變。

線性電源的設(shè)計(jì)和構(gòu)建幾乎是微不足道的。而且它們使用便宜的低壓半導(dǎo)體。但是它們有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)。其一是需要大電容和大型變壓器，它們永遠(yuǎn)無法被封裝成像我們現(xiàn)在在智能手機(jī)和平板電腦上使用的充電器那樣小巧輕便的東西。其二，線性穩(wěn)壓器一種基于晶體管的電路，會(huì)將多余的直流電壓——任何高于指定輸出電壓的電壓——轉(zhuǎn)換為余熱。因此，這樣的供電通常會(huì)浪費(fèi)掉一半以上的功耗。它們經(jīng)常需要大型金屬散熱器或風(fēng)扇來散熱。
過去，小型電子設(shè)備通常使用笨重的壁式變壓器，人們輕蔑地稱之為“墻壁肉贅”。約在21世紀(jì)初，技術(shù)的進(jìn)步使得緊湊、低功耗的開關(guān)電源適用于小型設(shè)備。隨著開關(guān)AC/DC適配器價(jià)格的下降，它們迅速取代了大多數(shù)家用設(shè)備中笨重的壁式變壓器。

蘋果公司把充電器變成了一款設(shè)計(jì)精良的產(chǎn)品，2001年推出了一款時(shí)尚的iPod充電器，內(nèi)置了一個(gè)緊湊的IC控制反激式電源（左圖）。USB充電器很快變得無處不在，蘋果公司2008年推出的超小型inch-cube充電器成為了標(biāo)志性產(chǎn)品
這類高端充電器的最新趨勢(shì)是使用氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體，這種半導(dǎo)體的開關(guān)速度比硅晶體管快，因此效率更高。技術(shù)被推向了另一個(gè)方向，最便宜的USB充電器現(xiàn)在的售價(jià)不到1美元，盡管代價(jià)是電源質(zhì)量差，缺少安全功能?！狵.S.

開關(guān)電源的工作原理不同：在典型的開關(guān)電源中，交流輸入轉(zhuǎn)換為高壓直流，每秒開關(guān)數(shù)萬次。所采用的高頻允許使用更輕巧的變壓器和更小的電容器。一個(gè)特殊的電路精確地控制輸出電壓的時(shí)間。這些電源不需要線性穩(wěn)壓器，因此幾乎不浪費(fèi)電能：它們的效率通常可達(dá)80%~90%，因此釋放的熱量要少得多。

然而，開關(guān)電源比線性電源復(fù)雜得多，因此設(shè)計(jì)起來比較困難。此外，它對(duì)元件的要求更高，要求高壓功率晶體管能夠高效地高速開關(guān)。

順便提一下，有些計(jì)算機(jī)使用的電源既不是線性電源，也不是開關(guān)電源。一種原始但有效的技術(shù)是使電動(dòng)機(jī)脫離線路電源，并使用該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生所需輸出電壓的發(fā)電機(jī)。電動(dòng)發(fā)電機(jī)組使用了幾十年，至少可以追溯到20世紀(jì)30年代的IBM打卡機(jī)，并持續(xù)到20世紀(jì)70年代用于Cray超級(jí)計(jì)算機(jī)等。

20世紀(jì)50~80年代流行的另一種選擇是使用鐵磁諧振變壓器，這是一種特殊類型的變壓器，可以提供恒定的電壓輸出。此外還有可飽和電抗器，他是一種可控電感器，在20世紀(jì)50年代被用于真空管計(jì)算機(jī)的電源調(diào)節(jié)。它在一些現(xiàn)代PC機(jī)電源中作為“磁放大器”重新出現(xiàn)，提供額外的調(diào)節(jié)。但最終，這些奇怪的方法大多讓位于開關(guān)電源。

開關(guān)電源背后的原理早在20世紀(jì)30年代就為電氣工程師所知，但這種技術(shù)在真空管時(shí)代的應(yīng)用有限。當(dāng)時(shí)，某些電源中使用了稱為閘流管的特殊含汞管，這些電源可被視為原始的低頻開關(guān)穩(wěn)壓器。例子包括20世紀(jì)40年代的REC-30電傳打字機(jī)電源以及1954年IBM 704計(jì)算機(jī)中使用的電源。然而，隨著20世紀(jì)50年代功率晶體管的引入，開關(guān)電源迅速改善。Pioneer Magnetics公司于1958年開始構(gòu)建開關(guān)電源。通用電氣公司于1959年發(fā)布了晶體管開關(guān)電源的早期設(shè)計(jì)。

20世紀(jì)60年代，美國宇航局和航天工業(yè)為開關(guān)電源的發(fā)展提供了主要?jiǎng)恿Γ驗(yàn)樵诤教鞈?yīng)用中，體積小、效率高的優(yōu)勢(shì)超過了高成本。例如，1962年的Telstar衛(wèi)星（第一顆傳輸電視圖像的衛(wèi)星）和Minuteman導(dǎo)彈都使用了開關(guān)電源。10年之后，成本降低了，開關(guān)電源被設(shè)計(jì)成銷售給公眾的產(chǎn)品。例如，在1966年，Tektronix公司在便攜式示波器中使用了開關(guān)電源，使它能夠使用電源電流或電池。

隨著電源制造商開始向其他公司出售開關(guān)電源，這一趨勢(shì)加快了。1967年，RO Associates推出了第一款20kHz的開關(guān)電源產(chǎn)品，據(jù)稱這是第一款商用成功的開關(guān)電源。日本電子存儲(chǔ)工業(yè)株式會(huì)社于1970年開始在日本開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化開關(guān)電源。到1972年，大多數(shù)電源制造商都在銷售開關(guān)電源或即將提供開關(guān)電源。

大約在這個(gè)時(shí)候，計(jì)算機(jī)行業(yè)開始使用開關(guān)電源。早期的例子包括1969年的數(shù)字設(shè)備公司的PDP-11/20微型計(jì)算機(jī)和1971年的惠普公司的2100A微型計(jì)算機(jī)。1971年的一份行業(yè)刊物指出，使用開關(guān)穩(wěn)壓器的公司讀起來就像是計(jì)算機(jī)行業(yè)的“名人堂”：例如，IBM、霍尼韋爾、Univac、DEC、Burroughs和RCA等。1974年，使用開關(guān)電源的小型計(jì)算機(jī)包括數(shù)據(jù)通用公司的Nova 2/4、德州儀器公司的960B，以及Interdata公司的系統(tǒng)。1975年，開關(guān)電源用于HP2640A顯示終端、IBM的類似打字機(jī)的SElectric Composer，以及IBM5100便攜式計(jì)算機(jī)。到1976年，Data General在其一半系統(tǒng)中使用了開關(guān)電源，而惠普則將其用于更小的系統(tǒng)，如9825A臺(tái)式電腦和9815A計(jì)算器。同時(shí)，開關(guān)電源也出現(xiàn)在家庭中，1973年開始為成為一些彩色電視機(jī)的電源。

開關(guān)電源廣泛出現(xiàn)在那個(gè)時(shí)代的電子雜志上，無論是廣告還是文章。早在1964年，《電子設(shè)計(jì)》就推薦使用開關(guān)電源以提高效率。1971年10月的《電子世界》封面展示了一個(gè)500瓦的開關(guān)電源和一篇題為“開關(guān)穩(wěn)壓器電源”的文章。1972年，《計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)》詳細(xì)討論了開關(guān)電源以及此類電源在計(jì)算機(jī)中的日益普及，不過它也提到，一些公司仍然持懷疑態(tài)度。1976年，《電子設(shè)計(jì)》的封面上寫道，“開關(guān)突然變得更容易了”，描述了一種新型開關(guān)電源控制器IC?！峨娮訉W(xué)》雜志就這個(gè)問題發(fā)表了一篇很長的文章；《電源技術(shù)》針對(duì)其開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)發(fā)布了兩頁廣告，其標(biāo)語為“大變革是轉(zhuǎn)向開關(guān)電源”；《字節(jié)》則宣布了一家名為Boschert的公司開始為微型計(jì)算機(jī)提供開關(guān)電源。

Robert Boschert于1970年辭去工作，開始在自家廚房的餐桌上制造電源，他是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵開發(fā)者之一。他專注于簡化這些設(shè)計(jì)，使其與線性電源相比具有成本競(jìng)爭力，到1974年，他開始批量生產(chǎn)用于打印機(jī)的低成本電源，1976年又生產(chǎn)了一種低成本的80瓦開關(guān)電源。1977年，Boschert 已發(fā)展成為一家擁有650名員工的公司。它為衛(wèi)星和格魯曼F-14戰(zhàn)斗機(jī)制造電源，后來為惠普和太陽等公司生產(chǎn)計(jì)算機(jī)電源。

20世紀(jì)60年代末和70年代初，固態(tài)產(chǎn)品公司（SSPI）、西門子愛迪生斯旺公司（SES）和摩托羅拉等公司引入了低成本的高壓高速晶體管，將開關(guān)電源推向主流。更快的晶體管開關(guān)速度提高了效率，因?yàn)樵谶@種晶體管中，熱量主要是在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)耗散的，器件開關(guān)越快，浪費(fèi)的能量就越少。

晶體管速度在當(dāng)時(shí)突飛猛進(jìn)。的確，晶體管技術(shù)發(fā)展得如此之快，以至于《電子世界》的編輯在1971年稱，封面上的500瓦電源不可能是用18個(gè)月前才有的晶體管制造的。

另一個(gè)顯著的進(jìn)步發(fā)生在1976年，當(dāng)時(shí)Silicon General Semiconductors的聯(lián)合創(chuàng)始人Robert Mammano推出了第一款用于控制開關(guān)電源的IC，專為電子電傳打字機(jī)設(shè)計(jì)。HisSG1524控制器IC極大地簡化了這些電源的設(shè)計(jì)，降低了成本，引發(fā)了銷量的飆升。

到了1974年，差不多一兩年的時(shí)間，任何對(duì)電子行業(yè)稍有了解的人都清楚，電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域正在發(fā)生一場(chǎng)真正的革命。
領(lǐng)導(dǎo)者和追隨者：1981年，史蒂夫·喬布斯展示了一臺(tái)Apple II PC機(jī)。蘋果II于1977年首次推出，受益于整個(gè)行業(yè)從笨重的線性電源轉(zhuǎn)向小型、高效的開關(guān)電源設(shè)計(jì)。但正如喬布斯后來所說，Apple II并沒有引發(fā)這種轉(zhuǎn)變。

Apple II PC機(jī)于1977年推出。它的特點(diǎn)之一是緊湊的無風(fēng)扇開關(guān)電源，提供5V、12V、-5V和-12V電壓，功率38 W。它使用Holt的簡單設(shè)計(jì)，一種稱為離線反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞拈_關(guān)電源。喬布斯聲稱現(xiàn)在每臺(tái)電腦都剽竊了霍爾特的革命性設(shè)計(jì)。但是這個(gè)設(shè)計(jì)在1977年真的是革命性的嗎？它是否被其他所有電腦制造商復(fù)制了？

事實(shí)并非如此。當(dāng)時(shí)Boschert和其他公司也在銷售類似的離線反激式轉(zhuǎn)換器。Holt獲得了幾個(gè)特定功能的專利，但這些功能從未被廣泛使用。而且，像Apple II那樣用分立元件構(gòu)建控制電路被證明是技術(shù)上的死胡同。開關(guān)電源的未來屬于專用控制器IC。

如果說有一種微型計(jì)算機(jī)對(duì)電源設(shè)計(jì)產(chǎn)生了持久的影響，那就是1981年推出的IBM PC機(jī)。那時(shí)，僅僅在Apple II推出四年后，電源技術(shù)發(fā)生了巨大的變化。雖然這兩款早期的PC機(jī)都使用了帶有多個(gè)輸出的離線反激電源，但它們的共同點(diǎn)只有這些。它們的驅(qū)動(dòng)、控制、反饋和調(diào)節(jié)電路都是不同的。盡管IBM的PC機(jī)電源使用了IC控制器，但它包含的組件大約是Apple II電源的兩倍。這些額外的組件對(duì)輸出提供額外的調(diào)節(jié)，并在所有四個(gè)電壓都正確時(shí)發(fā)出“電源正常”的信號(hào)。

1984年，IBM發(fā)布了一款升級(jí)版的個(gè)人電腦，名為 IBM Personal Computer AT。它的電源采用了多種新的電路設(shè)計(jì)，完全拋棄了早期的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它很快成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，并一直保持到1995年，當(dāng)時(shí)英特爾推出了ATX外形規(guī)格，其中定義了ATX電源，它直到今天仍然是標(biāo)準(zhǔn)。

盡管出現(xiàn)了ATX標(biāo)準(zhǔn)，但隨著1995年P(guān)entium Pro的問世，計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。Pentium Pro是一種微處理器，它需要比ATX電源直接提供的電壓更低，電流更大。為了提供這種電源，英特爾推出了電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM），即安裝在處理器旁邊的DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器。它將電源中的5V降低為處理器使用的3V。許多計(jì)算機(jī)中的顯卡也包含VRM，用于驅(qū)動(dòng)它們所包含的高性能顯卡芯片。

如今，快速處理器可能需要高達(dá)130W的VRM，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Apple II 6502處理器使用的0.5W功率。事實(shí)上，單是一個(gè)現(xiàn)代處理器芯片就可以消耗整個(gè)Apple II計(jì)算機(jī)3倍以上的電能。

計(jì)算機(jī)日益增長的功耗已成為環(huán)境問題的一個(gè)原因，導(dǎo)致了一些旨在提高電源效率的舉措和法規(guī)。在美國，政府的能源之星和行業(yè)領(lǐng)先的80多個(gè)認(rèn)證推動(dòng)制造商生產(chǎn)更多的“綠色”電源。他們已經(jīng)能夠使用各種技術(shù)做到這一點(diǎn)：更高效的備用電源，更高效的啟動(dòng)電路，減少開關(guān)晶體管功率損耗的諧振電路，以及用更高效的晶體管電路取代開關(guān)二極管的“有源鉗位”電路。在過去的十年中，功率MOSFET晶體管和高壓硅整流技術(shù)的改進(jìn)也帶來了效率的提高。

開關(guān)電源技術(shù)在其他方面也在不斷發(fā)展。今天，許多電源不再使用模擬電路，而是使用數(shù)字芯片和軟件算法來控制它們的輸出。電源控制器的設(shè)計(jì)不僅是硬件設(shè)計(jì)的問題，也是編程的問題。數(shù)字電源管理允許電源與系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行通信，以獲得更高的效率和記錄。雖然這些數(shù)字技術(shù)現(xiàn)在很大程度上是為服務(wù)器保留的，但它們正開始影響臺(tái)式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。

很難將這段歷史與喬布斯所說的“Holt應(yīng)該更出名”，“Rod在歷史書中并沒有因此獲得很多贊譽(yù)，但他應(yīng)該得到”相提并論。即使是最優(yōu)秀的電源設(shè)計(jì)師也不會(huì)在一個(gè)小圈子之外為人所知。2009年，《電子設(shè)計(jì)》的編輯歡迎Boschert進(jìn)入他們的工程名人堂。Robert Mammano在2005年獲得了《電力電子技術(shù)》的編輯頒發(fā)的終身成就獎(jiǎng)。Rudy Severns因其在開關(guān)電源領(lǐng)域的創(chuàng)新而在2008年獲得了另一項(xiàng)終身成就獎(jiǎng)。但這些電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域的杰出人物甚至都不是維基百科上的名人。

喬布斯多次強(qiáng)調(diào)Holt被忽視了，這導(dǎo)致Holt的作品出現(xiàn)在數(shù)十篇有關(guān)蘋果的熱門文章和書籍中，從1982年P(guān)aul Ciotti在《加州雜志》上發(fā)表的《書呆子的復(fù)仇》（Revenge of the Nerds），到2011年艾薩克森為喬布斯寫的最暢銷的《喬布斯傳》，不一而足。因此，具有諷刺意味的是，盡管Rod Holt在Apple II上的工作絕不是革命性的，但他可能已經(jīng)成為了有史以來最著名的電源設(shè)計(jì)師。