Une révolution dans la conception des alimentations informatiques il y a un demi-siècle

Il y a un demi-siècle, des transistors et des régulateurs de tension de commutation améliorés ont révolutionné la conception des alimentations informatiques. Apple, par exemple, a obtenu des avantages - même si ce n'est pas elle qui a lancé cette révolution, malgré les déclarations de Steve Jobs.

Sans Intel à l'intérieur: les rayons X montrent les composants d'une alimentation à découpage utilisée dans le micro-ordinateur Apple II d'origine, sorti en 1977

Les blocs d'alimentation des ordinateurs ne reçoivent pas l'attention requise.

En tant que passionné de technologie, vous connaissez probablement le microprocesseur de votre ordinateur et la quantité de mémoire physique dont il dispose, mais il est possible que vous ne sachiez rien de son alimentation. N'ayez pas peur - même les fabricants développent des blocs d'alimentation en dernier.

C'est dommage, car il a fallu beaucoup d'efforts pour créer une alimentation pour les ordinateurs personnels, et ce fut une sérieuse amélioration par rapport aux circuits qui alimentaient d'autres appareils électroniques grand public jusqu'à la fin des années 1970. Cette percée a été rendue possible grâce aux énormes progrès réalisés dans la technologie des semi-conducteurs il y a un demi-siècle, en particulier les améliorations des régulateurs de tension de commutation et les innovations dans les circuits intégrés. Mais en même temps, cette révolution a attiré l'attention du public et est même inconnue de nombreuses personnes familiarisées avec l'histoire des micro-ordinateurs.

Dans le monde de BP, il y avait des champions exceptionnels, dont une personnalité dont la mention pourrait vous surprendre: Steve Jobs . Selon son biographe autorisé, Walter Isaacson , Jobs a pris très au sérieux le bloc d'alimentation d' Apple II, un ordinateur personnel avancé , et son développeur, Rod Holt. Jobs, selon Isaacson, a déclaré ce qui suit:

Au lieu du bloc d'alimentation linéaire habituel, Holt en a créé un qui a été utilisé dans les oscilloscopes. Il a allumé et éteint l'énergie non pas 60 fois par seconde, mais des milliers de fois; cela lui a permis d'économiser de l'énergie pendant des périodes beaucoup plus courtes, ce qui lui a permis d'émettre beaucoup moins de chaleur. «Cette alimentation à impulsion était aussi révolutionnaire que la carte mère Apple II», a déclaré Jobs plus tard. - Le genre n'est pas souvent loué pour cela dans les livres d'histoire, mais aurait dû l'être. Aujourd'hui, tous les ordinateurs utilisent des onduleurs et ils sont tous copiés du circuit de Rod Holt. »

Cette déclaration sérieuse ne m'a pas semblé trop fiable et j'ai mené mon enquête. J'ai trouvé que bien que les onduleurs soient révolutionnaires, cette révolution a eu lieu à la fin des années 1960 et au milieu des années 1970, lorsque les onduleurs ont pris le relais d'alimentations linéaires simples mais inefficaces. Apple II, qui est apparu en 1977, a reçu les avantages de cette révolution, mais ne l'a pas provoquée.

La correction de la version Jobs des événements n'est pas un rien du domaine de l'ingénierie. Aujourd'hui, les UPS sont le pilier de tout; nous les utilisons quotidiennement pour recharger nos smartphones, tablettes, ordinateurs portables, appareils photo et même certaines voitures. Ils alimentent l'horloge, la radio, les amplificateurs audio domestiques et d'autres petits appareils électroménagers. Les ingénieurs qui ont provoqué cette révolution méritent d'être reconnus. Quoi qu'il en soit, c'est une histoire très intéressante.

Un bloc d'alimentation dans les ordinateurs de bureau, comme l'Apple II, convertit le courant alternatif en courant continu et produit une tension très stable pour alimenter le système. BP peut être conçu de différentes manières, mais le plus souvent, il existe des circuits linéaires et d'impulsion.

Avec toutes les verrues

Dans le passé, les petits appareils électroniques utilisaient couramment des transformateurs BP volumineux, surnommés «verrues murales». Au début du 21e siècle, les améliorations technologiques ont permis de commencer l'application pratique d'alimentations à découpage compactes à faible consommation pour alimenter de petits appareils. Avec la baisse du coût des adaptateurs de commutation AC / DC, ils ont rapidement remplacé les blocs d'alimentation encombrants de la plupart des appareils domestiques.

Apple a transformé le chargeur en un appareil ingénieux, a introduit le chargement élégant de l'iPod en 2001, à l'intérieur duquel se trouvait un convertisseur flyback compact contrôlé par des circuits intégrés (à gauche sur la photo). Bientôt, la charge USB s'est généralisée et le chargeur ultra-compact sous la forme d'un pouce cube d'Apple, apparu en 2008, est devenu une icône culte (à droite).

Les chargeurs de haut niveau les plus en vogue de ce type utilisent aujourd'hui des semi-conducteurs à base de nitrure de gallium qui peuvent commuter plus rapidement que les transistors au silicium, et sont donc plus efficaces. Développant des technologies dans une direction différente, les fabricants proposent aujourd'hui une charge USB à un prix inférieur à un dollar, tout en économisant sur la qualité de l'énergie et les systèmes de sécurité.

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Un bloc d'alimentation linéaire typique utilise un transformateur volumineux pour convertir une prise de courant alternatif haute tension en un courant alternatif basse tension, qui est ensuite converti en un courant continu basse tension à l'aide de diodes, généralement quatre connectées à un circuit de pont de diodes classique. De grands condensateurs électrolytiques sont utilisés pour lisser la tension de sortie du pont de diodes. Les alimentations informatiques utilisent un circuit appelé stabilisateur linéaire, qui réduit la tension continue au niveau souhaité et la maintient à ce niveau même avec des changements de charge.

Les blocs d'alimentation linéaires sont triviaux dans la conception et la création. Ils utilisent des composants semi-conducteurs basse tension bon marché. Cependant, ils ont deux gros inconvénients. L'une est la nécessité d'utiliser de grands condensateurs et des transformateurs encombrants, qui ne peuvent pas être entassés dans quelque chose d'aussi petit, léger et pratique que les chargeurs que nous utilisons tous pour nos smartphones et tablettes. Un autre - un circuit stabilisateur linéaire basé sur des transistors, transforme la tension continue excessive - tout au-dessus du niveau requis - en chaleur parasite. Par conséquent, ces PSU perdent généralement plus de la moitié de l'énergie consommée. Et ils ont souvent besoin de grands radiateurs ou ventilateurs métalliques pour se débarrasser de cette chaleur.

L'onduleur fonctionne selon un principe différent: l'entrée de ligne AV se transforme en un CC haute tension, qui s'allume et s'éteint des dizaines de milliers de fois par seconde. Les hautes fréquences permettent l'utilisation de transformateurs et de condensateurs beaucoup plus petits et plus légers. Un circuit spécial contrôle précisément la commutation pour contrôler la tension de sortie. Comme ces blocs d'alimentation n'ont pas besoin de stabilisateurs linéaires, ils perdent très peu d'énergie: généralement leur efficacité atteint 80 à 90% et, par conséquent, ils sont beaucoup moins chauffés.

Cependant, les onduleurs sont généralement beaucoup plus complexes que les onduleurs linéaires et plus difficiles à concevoir. De plus, ils mettent en avant plus d'exigences pour les composants et ont besoin de transistors haute tension qui peuvent se mettre sous et hors tension efficacement à haute fréquence.

Je dois mentionner que certains ordinateurs utilisaient des blocs d'alimentation qui n'étaient ni linéaires ni pulsés. Une technique grossière mais efficace consistait à alimenter le moteur à partir d'une prise de courant et à l'utiliser pour faire tourner un générateur qui produisait la tension requise. Les moteurs-générateurs sont utilisés depuis plusieurs décennies, au moins depuis l'avènement des machines IBM à cartes perforées dans les années 1930 et jusqu'aux années 1970, alimentant, entre autres, les supercalculateurs Cray .

Une autre option, populaire dans les années 1950 et jusque dans les années 1980, utilisait des transformateurs ferrorésonants - un type spécial de transformateur donnant une tension de sortie constante. Toujours dans les années 1950, un inducteur à saturation , un inducteur contrôlé, a été utilisé pour contrôler la tension des ordinateurs à tubes. Dans certaines alimentations PC modernes, il est réapparu sous le nom d '« amplificateur magnétique », donnant une régulation supplémentaire. Mais au final, toutes ces anciennes approches ont cédé la place aux onduleurs.

Les principes sous-jacents de l'onduleur sont connus des ingénieurs électriciens depuis les années 1930, mais cette technologie a rarement été utilisée à l'ère des tubes électroniques. À cette époque, certaines PSU utilisaient des lampes au mercure spéciales, des thyratrons , et elles peuvent être considérées comme des stabilisateurs d'impulsions primitifs à basse fréquence. Parmi eux se trouve le REC-30 , qui alimentait le téléscripteur dans les années 40, ainsi que le bloc d'alimentation pour l' ordinateur IBM 704 de 1954. Mais avec l'avènement des transistors de puissance dans les années 1950, les onduleurs ont commencé à s'améliorer rapidement. Pioneer Magnetics a commencé à produire des onduleurs en 1958. General Electric a lancé le premier projet d'onduleurs à transistors en 1959.

Dans les années 1960, la NASA et l'industrie aérospatiale sont devenues la principale force motrice du développement des onduleurs, car pour les besoins de l'aérospatiale, les avantages de la petite taille et de la haute efficacité ont pris le pas sur le coût élevé. Par exemple, en 1962, le satellite Telstar (le premier satellite à avoir commencé à transmettre la télévision) et la fusée Minitman utilisaient des onduleurs. Les années ont passé, les prix ont chuté et les onduleurs ont commencé à être intégrés dans les équipements grand public. Par exemple, en 1966, Tektronix a utilisé des onduleurs dans un oscilloscope portable, ce qui lui a permis de fonctionner à la fois à partir d'une prise murale et à partir de batteries.

La tendance s'est accélérée lorsque les fabricants ont commencé à vendre des onduleurs à d'autres sociétés. En 1967, RO Associates a présenté le premier onduleur 20 kHz, qu'il a appelé le premier onduleur à succès commercial. Nippon Electronic Memory Industry Co. a commencé le développement d'UPS normalisés au Japon en 1970. En 1972, la plupart des fabricants d'UPS vendaient des UPS ou préparaient leur sortie.

À cette époque, l'industrie informatique a commencé à utiliser des onduleurs. Les premiers exemples incluent le micro-ordinateur PDP-11/20 de Digital Equipment en 1969 et le micro-ordinateur 2100A de Hewlett-Packard en 1971. Une publication de 1971 indiquait que parmi les entreprises utilisant des onduleurs, tous les principaux acteurs du marché étaient notés: IBM, Honeywell, Univac, DEC, Burroughs et RCA. En 1974, la liste des micro-ordinateurs utilisant des onduleurs comprenait Nova 2/4 de Data General, 960B de Texas Instruments et des systèmes d'Interdata. En 1975, les onduleurs étaient utilisés dans un terminal HP2640A, similaire à IBM Selectric Composer, et dans un ordinateur portable IBM 5100. En 1976, Data General avait utilisé des onduleurs dans la moitié de ses systèmes, et HP dans de petits systèmes tels que l'ordinateur de bureau 9825A et la calculatrice 9815A. Les onduleurs ont commencé à apparaître dans les appareils domestiques, par exemple, sur certains téléviseurs couleur en 1973.

Les UPS étaient souvent couverts dans des revues électroniques de cette époque, à la fois sous forme de publicité et d'articles. En 1964, Electronic Design a recommandé d'utiliser un onduleur en raison de son efficacité plus élevée. En couverture d'octobre 1971, le magazine Electronics World présentait un onduleur de 500 W, et le titre de l'article se lisait comme suit: "Alimentation avec un stabilisateur d'impulsions". Computer Design en 1972 a décrit en détail les onduleurs et leur capture progressive du marché informatique, bien qu'il ait également mentionné le scepticisme de certaines entreprises. Sur la couverture d'Electronic Design en 1976, il était écrit «La commutation est soudainement devenue plus facile» et le nouveau circuit intégré UPS a été décrit. Le magazine Electronics a un long article sur ce sujet; Powertec avait du matériel promotionnel de deux pages sur les avantages d'un onduleur avec le slogan «Le gros interrupteur est aux interrupteurs» [gros changements pour les interrupteurs]; Byte a annoncé la sortie d'UPS pour micro-ordinateurs par Boschert.

Robert Boshert, qui a quitté son emploi et a commencé à collecter des blocs d'alimentation dans sa cuisine en 1970, a été un développeur clé de cette technologie. Il s'est concentré sur la simplification des circuits afin de rendre les PSU à impulsions compétitives en prix avec les linéaires, et en 1974, il avait déjà produit des PSU bon marché pour les imprimantes en quantités industrielles, puis en 1976, il a également lancé des UPS 80W peu coûteux. K 1977 Boschert Inc. est devenue une entreprise de 650 personnes. Elle a fait l'alimentation électrique des satellites et du chasseur Grumman F-14, et plus tard - des alimentations informatiques pour HP et Sun.

L'avènement des transistors haute fréquence haute tension à bas prix à la fin des années 1960 et au début des années 1970 par des sociétés telles que Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) et Motorola, ont contribué à introduire l'onduleur dans le courant dominant. Des fréquences de commutation plus élevées augmentaient l'efficacité, car la chaleur dans ces transistors était dissipée principalement au moment de la commutation entre les états, et plus l'appareil pouvait effectuer cette transition rapidement, moins il dépensait d'énergie.

À cette époque, les fréquences des transistors augmentaient à pas de géant. La technologie des transistors se développait si rapidement que les éditeurs d'Electronics World en 1971 pouvaient affirmer que l'alimentation de 500 W sur la couverture du magazine n'aurait pas pu être produite 18 mois plus tôt.

Une autre percée notable est survenue en 1976 lorsque Robert Mammano, co-fondateur de Silicon General Semiconductors, a présenté le premier circuit intégré UPS développé pour le télétype électronique. Son contrôleur SG1524 a considérablement simplifié le développement des blocs d' alimentation et réduit leur coût, ce qui a provoqué une forte augmentation des ventes.

En 1974, plus ou moins quelques années, il était clair pour tout le monde, du moins à peu près comprendre l'état de l'industrie électronique, qu'il y avait une véritable révolution dans les conceptions de BP.


Leaders et suiveurs: Steve Jobs présente l'ordinateur personnel Apple II en 1981. Introduite pour la première fois en 1977, l'Apple II a profité du passage industriel de bloc d'alimentation linéaire volumineux à un bloc d'alimentation pulsé petit et efficace. Mais Apple II n'a pas lancé cette transition, comme l'a affirmé plus tard Jobs.

L'ordinateur personnel Apple II a été introduit en 1977. L'une de ses caractéristiques était un onduleur compact sans ventilateur, qui fournissait 38 W de puissance et de tension de 5, 12, –5 et –12 V. Il utilisait un simple circuit Holt, un onduleur avec la topologie d'un convertisseur hors ligne flyback. Jobs a déclaré qu'aujourd'hui, chaque ordinateur copie le circuit révolutionnaire de Holt. Mais ce circuit était-il révolutionnaire en 1977? Et tous les fabricants d'ordinateurs l'ont-ils copié?

Non et non. Des convertisseurs flyback similaires à l'époque étaient déjà vendus par Boschert et d'autres sociétés. Holt a reçu des brevets pour quelques-unes des caractéristiques de son BP, mais ils n'ont pas été largement utilisés. Et la création d'un circuit de commande de composants discrets, comme pour Apple II, s'est avérée être une impasse technologique. L'avenir de l'UPS appartient aux circuits intégrés spécialisés.

S'il y avait un micro-ordinateur qui avait un impact à long terme sur la conception des blocs d'alimentation, c'était IBM Personal Computer, lancé en 1981. À ce moment-là, quatre ans seulement après la sortie d'Apple II, la technologie des blocs d'alimentation avait radicalement changé. Et bien que ces deux PC utilisent un onduleur avec la topologie d'un convertisseur hors ligne flyback et plusieurs sorties, c'était tout ce qui était commun entre eux. Les boucles d'alimentation, de contrôle, de rétroaction et de stabilisation étaient différentes. Et bien que le bloc d'alimentation pour le PC IBM utilise un contrôleur de circuit intégré, il avait presque deux fois plus de composants que le bloc d'alimentation Apple II. Des composants supplémentaires ont fourni une stabilisation supplémentaire de la tension de sortie et du «pouvoir de qualité» du signal lorsque les quatre tensions étaient correctes.

En 1984, IBM a publié une version considérablement mise à jour du PC, appelée IBM Personal Computer AT. Son PSU a utilisé de nombreux nouveaux schémas, abandonnant complètement la topologie flyback. Il est rapidement devenu la norme de facto et l'a été jusqu'en 1995, date à laquelle Intel a introduit le facteur de forme ATX, qui, comme d'autres éléments qui ont déterminé le bloc d'alimentation ATX, reste la norme à ce jour.

Mais malgré l'avènement de la norme ATX, les systèmes d'alimentation des ordinateurs sont devenus plus compliqués en 1995 lorsque le Pentium Pro est apparu - un microprocesseur qui nécessitait moins de tension et de courants élevés que l'ATX PSU pourrait donner directement. Pour cette alimentation, Intel a introduit un module de régulation de tension (VRM) - un convertisseur CC-CC pulsé installé à côté du processeur. Il a réduit 5 V de l'alimentation à 3 V utilisés par le processeur. Les cartes graphiques de nombreux ordinateurs disposent également de VRM, qui alimente les puces graphiques haute vitesse qui y sont installées.

Aujourd'hui, un processeur rapide VRM peut nécessiter jusqu'à 130 watts - bien plus que la puissance d'un demi-watt utilisée par le processeur Apple II 6502. Un processeur moderne à lui seul peut utiliser trois fois plus d'énergie qu'un ordinateur Apple II entier.

L'augmentation de la consommation d'énergie des ordinateurs a causé des préoccupations environnementales, ce qui a entraîné des initiatives et des lois exigeant des alimentations plus efficaces. Aux États-Unis, les certificats gouvernementaux Energy Star et Industrial 80 Plus obligent les fabricants à émettre des alimentations plus écologiques. Ils parviennent à le faire à l'aide de différentes technologies: consommation d'énergie en veille plus efficace, circuits de démarrage plus efficaces, circuits résonnants qui réduisent les pertes de puissance dans les transistors à impulsions, circuits à pince active qui remplacent les diodes à impulsions par des transistors plus efficaces. Les améliorations de la technologie des transistors de puissance MOSFET et des redresseurs au silicium haute tension au cours des dix dernières années ont également permis d'augmenter l'efficacité.

La technologie UPS continue d'évoluer d'autres façons. Aujourd'hui, au lieu des circuits analogiques, de nombreux fournisseurs utilisent des puces numériques et des algorithmes logiciels qui contrôlent la sortie. Le développement du contrôleur PSU est devenu à la fois une question de conception matérielle et un problème de programmation. La gestion numérique de l'alimentation permet aux fournisseurs de communiquer avec le reste du système avec une plus grande efficacité et de conserver des journaux. Et bien que ces technologies numériques soient principalement utilisées dans les serveurs, elles commencent à influencer le développement des PC de bureau.

Il est difficile de concilier toute cette histoire avec l’opinion de Jobs selon laquelle Holt devrait être connu plus largement ou que «Roda n’est pas souvent félicitée pour cela dans les livres d’histoire, mais aurait dû l'être.» Même les meilleurs développeurs de BP ne deviennent pas célèbres en dehors de la petite communauté. En 2009, les éditeurs d'Electronic Design ont invité Boscher à leur Engineering Hall of Fame . Robert Mammano a reçu le Lifetime Achievement Award en 2005 des éditeurs de Power Electronics Technology. Rudy Severns a reçu un autre prix de ce type en 2008 pour l'innovation UPS. Mais aucun de ces luminaires dans le domaine de la conception d'un bloc d'alimentation n'a même été noté sur Wikipédia.

, , , Apple, " " , California 1982, , , 2011. , , Apple II , , , .