半个世纪前计算机电源设计的一场革命

半个世纪以前,改进的晶体管和开关稳压器彻底改变了计算机电源的设计。 例如,苹果获得了优势-尽管史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)发表声明,但并不是她发起了这场革命。



内部没有英特尔的情况:X射线显示了1977年发布的原始Apple II微型计算机中使用的开关电源的组件

没有适当注意计算机电源。

作为技术爱好者,您可能知道您的计算机拥有哪个微处理器以及其拥有多少物理内存,但是有可能您对计算机的电源一无所知。 不要回避-甚至制造商都在最后开发PSU。

遗憾的是,为个人计算机创建PSU花费了很多精力,与直到1970年代末为其他消费电子产品供电的电路相比,这是一个重大改进。 半个世纪前半导体技术的巨大飞跃,尤其是开关电压调节器的改进和集成电路的创新,使这一突破成为可能。 但是与此同时,这场革命引起了公众的注意,甚至对于许多熟悉微型计算机历史的人来说都是未知的。

在BP的世界中,有一些杰出的冠军,其中包括一位举世无双的人: 史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs) 。 根据他的授权传记作家沃尔特·艾萨克森Walter Isaacson)的介绍 ,乔布斯非常认真地对待先进个人计算机Apple II的PSU及其开发者Rod Holt。 根据艾萨克森的说法,乔布斯说:

Holt代替了通常的线性PSU,而是创建了一种用于示波器的PSU。 他打开和关闭能量不是每秒60次,而是数千次。 这使他能够在更短的时间内节省能量,从而使他的发热量大大减少。 乔布斯后来表示:“这种冲动的PSU和Apple II逻辑板一样具有革命性。” -这种类型在历史书籍中并不经常为此受到赞扬,但应该得到赞扬。 今天,所有计算机都使用UPS,并且它们都是从Rod Holt的电路中复制的。”

在我看来,这种严肃的说法不太可靠,因此我进行了调查。 我发现,尽管UPS具有革命性意义,但这场革命发生在1960年代末和1970年代中期,当时UPS从简单但效率低下的线性电源中接管了。 1977年问世的Apple II获得了这场革命的好处,但并没有引起这场革命。

事件的乔布斯版本的更正对于工程领域而言并非易事。 如今,UPS是一切的支柱;我们每天都使用它们为智能手机,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,家庭音频放大器和其他小型家用电器供电。 引发这场革命的工程师应得到认可。 无论如何,这是一个非常有趣的故事。

诸如Apple II之类的台式计算机中的PSU将交流线路电流转换为直流电,并产生非常稳定的电压来为系统供电。 BP可以采用许多不同的方法进行设计,但最常见的是线性和脉冲电路。

与所有疣




过去,小型电子设备通常使用笨重的BP变压器,绰号为“壁疣”。 在21世纪初,技术进步使开始为小型设备供电的紧凑型开关低功率电源的实际应用成为可能。 随着AC / DC交换适配器成本的下降,它们迅速取代了大多数家用设备中笨重的PSU。

苹果公司将充电器变成了一种独创的设备,于2001年为iPod进行了时尚的充电,其内部是一个由集成电路控制的紧凑型反激式转换器(图片左侧)。 USB充电很快就普及了,2008年面世的苹果公司推出的紧凑型超级紧凑型充电器就成为了风靡的标志(右侧)。

如今,这类最时尚的高级充电器使用的氮化镓基半导体的开关速度比硅晶体管快,因此效率更高。 在朝着不同方向发展技术的今天,制造商以不到一美元的价格提供USB充电,尽管同时节省了电能质量和安全系统。

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典型的线性PSU使用笨重的变压器将高压AC插座转换为低压AC,然后使用二极管将其转换为低压DC,通常将四个二极管连接到经典二极管电桥电路。 大型电解电容器用于平滑二极管电桥的输出电压。 计算机电源使用称为线性稳定器的电路,该电路可将直流电压降低到所需的水平,即使负载发生变化也可将其保持在该水平。

线性PSU在设计和创建上都很简单。 他们使用廉价的低压半导体组件。 但是,它们有两个很大的缺点。 一种是需要使用大型电容器和笨重的变压器,它们不能塞入像我们所有人用于智能手机和平板电脑的充电器那样的体积小,重量轻且方便的东西中。 另一个是基于晶体管的线性稳压器电路,它将多余的直流电压(高于要求水平的所有直流电压)转化为杂散热量。 因此,此类PSU通常会损失一半以上的能耗。 而且他们通常需要大型金属散热器或风扇来消除这种热量。

UPS的运行原理不同:AV线输入变成高压DC,每秒打开和关闭数万次。 高频允许使用更小,更轻的变压器和电容器。 专用电路精确地控制开关以控制输出电压。 由于此类PSU不需要线性稳定器,因此它们损失的能量很少:通常其效率达到80-90%,因此,它们的发热少得多。

但是,UPS通常比线性UPS复杂得多,并且设计难度更大。 另外,他们对组件提出了更多要求,并且需要能够有效地高频开关的高压晶体管。

我必须提到,某些计算机使用的PSU既不是线性的也不是脉冲的。 一种粗略但有效的技术是从电源插座为电动机供电,并用它来旋转产生所需电压的发电机。 电动发电机已经使用了几十年,至少自从1930年代到1970年代出现带打孔卡的IBM机器问世以来,一直为Cray超级计算机提供动力。

从1950年代到1980年代流行的另一种选择是使用铁磁谐振变压器-一种提供恒定电压输出的特殊类型的变压器。 同样在1950年代, 饱和电感器 (可控电感器)用于控制电子管计算机的电压。 在某些现代PC PSU中,它以“ 磁放大器 ”的名称重新出现,从而提供了更多的法规。 但是最后,所有这些旧方法都让位于UPS。

自1930年代以来,电气工程师就已经知道UPS的基本原理,但是在电子管时代很少使用这种技术。 当时,一些PSU使用特殊的汞灯, 闸流管 ,可以将它们视为原始的低频脉冲稳定器。 其中包括REC-30 ,它为1940年代的电传打字机供电,还为1954年以来的IBM 704计算机供电。 但是随着1950年代功率晶体管的出现,UPS开始迅速发展。 先锋电磁公司于1958年开始生产UPS。 通用电气于1959年启动了早期的晶体管UPS项目。

在1960年代,NASA和航空航天业成为UPS发展的主要动力,因为出于航空航天需求,小尺寸和高效率的优势优先于高昂的成本。 例如,在1962年, Telstar卫星(第一个开始传输电视的卫星)和Minitman火箭使用了UPS。 数年过去了,价格下跌了,UPS开始内置到消费类设备中。 例如,在1966年,泰克在便携式示波器中使用了不间断电源,使它既可以从墙上的插座工作,也可以从电池工作。

随着制造商开始向其他公司出售UPS,这一趋势加速了。 1967年, RO Associates推出了第一台20 KHz UPS,称其为第一台商业上成功的UPS。 日本电子存储器产业有限公司 1970年开始在日本开发标准化UPS。到1972年,大多数UPS制造商都在销售UPS或为发布而作准备。

大约在这个时候,计算机行业开始使用UPS。 早期的例子包括1969年从Digital Equipment获得的PDP-11 / 20微型计算机,以及1971年从惠普获得的2100A微型计算机。 1971年的一份出版物指出,在使用UPS的公司中,注意到了所有主要的市场参与者:IBM,霍尼韦尔,Univac,DEC,Burroughs和RCA。 1974年,使用UPS的微型计算机包括Data General的Nova 2/4,Texas Instruments的960B和Interdata的系统。 1975年,UPS用于类似于IBM Selectric Composer的HP2640A终端和IBM 5100便携式计算机;到1976年,Data General已在其一半系统中使用UPS,而HP在诸如9825A台式计算机和9815A计算器等小型系统中使用。 到1973年,UPS开始出现在家用设备中,例如,在某些彩色电视中。

UPS经常以广告形式和文章形式出现在那个时代的电子期刊中。 早在1964年, Electronic Design就建议使用UPS,因为它具有更高的效率。 在1971年10月的封面上,《电子世界》(Electronics World)杂志刊登了一台500 W UPS,标题为:“带有脉冲稳定器的电源”。 1972年的《计算机设计》详细介绍了UPS及其逐步占领计算机市场的情况,尽管他还提到了一些公司的怀疑态度。 1976年在《电子设计》的封面上写道:“切换突然变得容易了”,并描述了新的UPS集成电路。 电子杂志对此主题有很长的一篇文章; Powertec有两页宣传材料,内容是关于UPS的好处,其口号是“大的开关就是开关”(开关的大变化)。 字节宣布由博世特发布用于微型计算机的UPS。

罗伯特·波什特(Robert Boshert)辞去工作,于1970年开始在他的厨房中收集电源,他是这项技术的主要开发商。 他致力于简化电路,以使脉冲PSU在价格上与线性PSU竞争,并且到1974年,他已经为工业打印机生产了价格便宜的PSU,然后在1976年,他又推出了价格便宜的80W UPS。 K 1977 Boschert Inc. 现已发展为拥有650名员工的公司。 她为卫星和格鲁曼公司的F-14战斗机提供电源,后来为HP和Sun提供计算机电源。

固态产品公司(Solid State Products Inc.)等公司在1960年代末和1970年代初出现了低成本高压高频晶体管。 (SSPI),西门子爱迪生天鹅(SES)和摩托罗拉帮助将UPS纳入主流。 较高的开关频率可提高效率,因为此类晶体管中的热量主要在状态之间切换时消散,并且设备进行此转换的速度越快,所消耗的能量就越少。

当时的晶体管频率突飞猛进。 晶体管技术发展得如此之快,以至于1971年的《电子世界》(Electronics World)编辑可以断言,杂志封面上的500 W电源不可能在18个月前生产出来。

另一个显着的突破是在1976年,硅通用半导体公司的联合创始人罗伯特·马马诺(Robert Mammano)推出了首款为电子电传打字机开发的UPS集成电路。 它的控制器SG1524大大简化了PSU的开发并降低了其成本,从而导致了销量的增长。

到1974年前后,至少每个人至少了解电子行业的状况,每个人都清楚BP设计发生了真正的革命。


领导者和追随者:史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)在1981年展示了Apple II个人计算机。 Apple II于1977年首次推出,得益于从笨重的线性PSU到小型高效脉冲电源的工业转变。 但是苹果II并没有像乔布斯后来声称的那样启动这种过渡。

Apple II个人计算机于1977年推出。它的特点之一是紧凑的不带风扇的UPS ,其功率和电压分别为38瓦,5、12,–5和–12V。他使用了简单的Holt电路,即具有反激式离线转换器拓扑结构的UPS。 乔布斯说,今天每台计算机都模仿霍尔特的革命性电路。 但是这条赛道在1977年具有革命性吗? 每个计算机制造商都有复制吗?

不,不。 当时,类似的反激式转换器已经由Boschert和其他公司出售。 Holt因其BP的几个功能而获得了专利,但并未得到广泛使用。 像Apple II一样,创建分立元件的控制电路的过程被证明是技术上的死胡同。 UPS的未来属于专用集成电路。

如果有一台对PSU的设计产生长期影响的微型计算机,那就是1981年推出的IBM个人计算机。那时,在Apple II发行仅四年之后,PSU技术发生了巨大变化。 而且,尽管这两台PC均使用具有反激式离线转换器和多个输出的拓扑结构的UPS,但这是它们之间的共同点。 功率,控制,反馈和稳定回路是不同的。 尽管用于IBM PC的PSU使用集成电路控制器,但其组件几乎是Apple II PSU的两倍。 当所有四个电压都正确时,附加组件可提供输出电压和信号“质量功率”的额外稳定性。

1984年,IBM发布了PC的显着更新版本,称为IBM Personal Computer AT。 他的PSU使用了许多新方案,完全放弃了反激式拓扑。 它迅速成为事实上的标准,并一直保持到1995年,直到Intel推出ATX尺寸规格为止,与其他决定ATX PSU的事物一样,ATX规格至今仍是标准。

但是,尽管ATX标准出现了,但1995年Pentium Pro出现时,计算机电源系统却变得更加复杂-微处理器所需的电压和电流都比ATX PSU直接提供的电压和电流小。 对于这种电源,英特尔推出了电压调节模块(VRM)-处理器旁边安装的脉冲DC-DC转换器。 他将电源的5 V电压降低到处理器使用的3 V电压。 许多计算机的图形卡还具有VRM,可为安装在其中的高速图形芯片供电。

如今,VRM快速处理器的功耗可能高达130瓦–远远超过Apple II 6502处理器使用的半瓦功率,仅现代处理器就可以使用的功率是整个Apple II计算机的三倍。

计算机能源消耗的增加引起了环境方面的关注,导致需要更有效的电源供应的倡议和法律。 在美国,Energy Star和Industrial 80 Plus政府证书要求制造商发布更环保的电源。 他们设法使用各种技术来做到这一点:更有效的待机功耗,更有效的启动电路,减少脉冲晶体管功率损耗的谐振电路,将有源二极管替换为更高效晶体管的有源钳位电路。 过去十年来,MOSFET功率晶体管和高压硅整流器技术的改进也有助于提高效率。

UPS技术继续以其他方式发展。 如今,许多供应商使用模拟输出的数字芯片和软件算法来代替模拟电路。 PSU控制器的开发已成为硬件设计和编程问题。 数字电源管理使供应商可以更高效地与系统其余部分进行通信并维护日志。 尽管这些数字技术主要用于服务器中,但它们开始影响台式PC的发展。

很难使整个故事与乔布斯的观点相一致,乔布斯认为霍尔特应该广为人知,或者“罗达在历史书籍中并不经常为此受到称赞,而应该得到赞扬。” 即使是BP最好的开发人员,也不会在这个小社区之外出名。 2009年,电子设计编辑邀请Boscher进入他们的工程名人堂 。 罗伯特·玛玛诺(Robert Mammano)在2005年获得了电力电子技术编辑的终生成就奖 。 鲁迪·塞文斯(Rudy Severns)于2008年因UPS创新获得了另一个奖项 。 但是,甚至在Wikipedia上都没有提到设计PSU领域的这些杰出人物。

经常重复的观点乔布斯认为霍尔特不公平没有注意到,已经导致了霍尔特的工作在几十个关于苹果最受欢迎的文章和书籍的描述,从“事实复仇书呆子 ”保罗Kiotti在加州出现在1982年该杂志乔布斯的传记,畅销艾萨克森(Isaacson)于2011年创作。因此,具有讽刺意味的是,尽管他在Apple II上的工作根本不是革命性的,但罗德·霍尔特(Rod Holt)可能是有史以来最著名的BP开发人员。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN461815/


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