計(jì)算機(jī)電源的工作原理及發(fā)展史簡(jiǎn)述

半個(gè)世紀(jì)以前，晶體管和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的

發(fā)展徹底改變了計(jì)算機(jī)電源設(shè)計(jì) ━━━━ 技術(shù)愛(ài)好者也許知道計(jì)算機(jī)的微處理器型號(hào)和物理內(nèi)存大小，卻很可能對(duì)電源一無(wú)所知。即便是對(duì)制造商而言，電源設(shè)計(jì)也往往是最后才想到的事。 這令人感到遺憾，因?yàn)樵O(shè)計(jì)個(gè)人計(jì)算機(jī)所用的電源需要付出大量精力，相比于20世紀(jì)70年代末之前其他消費(fèi)性電子產(chǎn)品所采用的電路，這些電源代表著巨大的進(jìn)步。這一突破源于半個(gè)世紀(jì)前半導(dǎo)體技術(shù)的跨越式發(fā)展，尤其是開(kāi)關(guān)晶體管的改進(jìn)和集成電路的創(chuàng)新。不過(guò)，這是一場(chǎng)不為公眾所知的革命，甚至熟悉微型計(jì)算機(jī)歷史的人也并不了解。 電源并非沒(méi)有擁護(hù)者，擁護(hù)者之中有一個(gè)人可能讓你意想不到：史蒂夫?喬布斯。喬布斯的授權(quán)傳記作者沃爾特?艾薩克森說(shuō)，喬布斯對(duì)蘋(píng)果二代個(gè)人計(jì)算機(jī)電源及其設(shè)計(jì)師羅德?霍爾特（Rod Holt）有著深厚的感情。艾薩克森這樣寫(xiě)過(guò)：

霍爾特沒(méi)有使用傳統(tǒng)的線性電源，而是制造了一種類似于示波器所用電源的產(chǎn)品。它每秒開(kāi)關(guān)電源的次數(shù)不止60次，而是數(shù)千次，因而能夠在更短的時(shí)間儲(chǔ)存電量，并且減少熱量釋放。喬布斯后來(lái)表示：“這種開(kāi)關(guān)電源和蘋(píng)果二代邏輯板一樣是革命性的。羅德沒(méi)有在歷史上獲得很多贊譽(yù)，但人們應(yīng)該記住他。現(xiàn)在每臺(tái)計(jì)算機(jī)都使用了開(kāi)關(guān)電源，它們都抄襲了羅德?霍爾特的設(shè)計(jì)。”

喬布斯的話很有見(jiàn)地，但我不完全同意他的觀點(diǎn)，因此我做了一些調(diào)查。我發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)電源是革命性的，因?yàn)樗〈撕?jiǎn)單但效率低下的線性電源，但這場(chǎng)革命發(fā)生在20世紀(jì)60年代末至70年代中期。1977年推出的蘋(píng)果二代從這場(chǎng)革命中受益，但這場(chǎng)革命并不是它引發(fā)的。

引領(lǐng)者與追隨者

1981年，史蒂夫●喬布斯展示了一臺(tái)蘋(píng)果二代個(gè)人計(jì)算機(jī)。得益于整個(gè)行業(yè)從笨重線性電源向小型高效開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)變，蘋(píng)果二二代于197 7年首次推出。正如喬布斯后來(lái)所說(shuō)，促成這種轉(zhuǎn)變的并非蘋(píng)果二代。

對(duì)喬布斯見(jiàn)解的更正決不僅僅是工程瑣事。今天，開(kāi)關(guān)電源幾乎無(wú)所不在，我們每天用它來(lái)為智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、相機(jī)甚至是一些汽車充電。它們?yōu)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘、收音機(jī)、家用音響和其他小型電器提供動(dòng)力。真正領(lǐng)導(dǎo)這場(chǎng)革命的工程師應(yīng)該被認(rèn)可。這也是一個(gè)值得聆聽(tīng)的故事。

蘋(píng)果二代這類臺(tái)式計(jì)算機(jī)的電源可以將交流電路電壓轉(zhuǎn)換成直流，為系統(tǒng)提供非常穩(wěn)定的電壓。電源可以通過(guò)多種方式構(gòu)建，其中線性和開(kāi)關(guān)是最常見(jiàn)的兩種。 典型的線性電源使用了體積龐大的變壓器，將來(lái)自電力線的相對(duì)高壓的交流電轉(zhuǎn)換成低壓交流電，再用通常由4個(gè)二極管組成的經(jīng)典電橋結(jié)構(gòu)將交流電轉(zhuǎn)換成低壓直流電。大型電解質(zhì)電容器用于實(shí)現(xiàn)二極管電橋的流暢輸出。計(jì)算機(jī)電源使用了一種被稱為線性穩(wěn)壓器的電路，它可以將直流電壓降低到理想水平，并在荷載發(fā)生變化時(shí)依然保持電壓不變。 線性電源的設(shè)計(jì)和制造并不復(fù)雜。它們使用的是廉價(jià)的低壓半導(dǎo)體，但有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。其中之一是它們需要大型電容器和龐大的變壓器，永遠(yuǎn)無(wú)法像智能手機(jī)和平板電腦的充電器那樣小巧、輕量、方便。另一個(gè)是線性調(diào)節(jié)器，這是一種基于晶體管的電路，它會(huì)將多余的直流電壓（高于指定輸出電壓的電壓）轉(zhuǎn)化為廢熱。因此，通常此類電源所消耗的電量有一半以上都會(huì)被浪費(fèi)掉，而且往往需要大型金屬散熱器或風(fēng)扇來(lái)散熱。

開(kāi)關(guān)電源的工作原理則有所不同：在典型的開(kāi)關(guān)電源中，交流線路輸入會(huì)轉(zhuǎn)換成高壓直流電，每秒開(kāi)關(guān)數(shù)萬(wàn)次。所用的高頻率支持使用更輕巧的變壓器和更小的電容器。特殊電路可以精確測(cè)定開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)控制輸出電壓。這類電源不需要線性穩(wěn)壓器，因而浪費(fèi)的能量很少。其效率通常為80%到90%，因此釋放的熱量也少得多。

但開(kāi)關(guān)電源比線性電源復(fù)雜得多，因此設(shè)計(jì)更為棘手。此外，它對(duì)元件的要求更高，要求高壓功率晶體管能夠有效地高速開(kāi)關(guān)。 順便說(shuō)明一下，有些計(jì)算機(jī)的電源既不是線性電源，也不是開(kāi)關(guān)電源。有一種原始但有效的電源技術(shù)，那就是讓電動(dòng)機(jī)不通電運(yùn)行，并使用該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生所需的輸出電壓。電動(dòng)發(fā)電機(jī)已存在數(shù)十年，至少可以追溯到20世紀(jì)30年代的IBM卡片穿孔機(jī)，并一直沿用到70年代的克雷超級(jí)計(jì)算機(jī)等。

20世紀(jì)50年代到80年代流行的另一種方案是使用鐵磁共振變壓器——一種提供定壓輸出的特殊變壓器。另外還有飽和電抗器，它是一種可控電感器，在20世紀(jì)50年代被用于真空管計(jì)算機(jī)的電源穩(wěn)壓。它作為“磁放大器”重新出現(xiàn)在了部分現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算機(jī)電源中，為其提供額外的穩(wěn)壓。最終，這些稀奇古怪的方法在很大程度上讓位給了開(kāi)關(guān)電源。 ?

電氣工程師們從20世紀(jì)30年代就熟知開(kāi)關(guān)電源的原理，但這項(xiàng)技術(shù)在真空管時(shí)代的應(yīng)用有限。當(dāng)時(shí)，一些電源中使用的特殊含汞管（被稱為閘流管）可以看成一種原始的低頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，例如20世紀(jì)40年代的REC-30電傳打字機(jī)電源和1954年IBM704計(jì)算機(jī)使用的電源。20世紀(jì)50年代引入功率晶體管后，開(kāi)關(guān)電源得到了迅速發(fā)展。先鋒磁性元件公司（Pioneer Magnetics）于1958年開(kāi)始制造開(kāi)關(guān)電源。通用電氣在1959年公布了一項(xiàng)晶體管開(kāi)關(guān)電源的早期設(shè)計(jì)。

20世紀(jì)60年代，NASA和航空航天工業(yè)為開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展提供了主要?jiǎng)恿?，因?yàn)楹教鞈?yīng)用更注重體積小、效率高的優(yōu)勢(shì)，而不是成本低。例如，1962年的電星通信衛(wèi)星（首顆傳輸電視圖像的衛(wèi)星）和美國(guó)民兵導(dǎo)彈都使用了開(kāi)關(guān)電源。隨著時(shí)間的推移，開(kāi)關(guān)電源的成本逐漸降低，慢慢普及開(kāi)來(lái)。例如，1966年，美國(guó)泰克公司在便攜式示波器中使用了開(kāi)關(guān)電源，切斷電源電流或電池供電。

隨著電源制造商開(kāi)始向其他公司出售開(kāi)關(guān)設(shè)備，這一趨勢(shì)開(kāi)始加速。1967年，ROAssociates公司推出了第一款20千赫的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，聲稱這是第一款取得商業(yè)成功的開(kāi)關(guān)電源。日本電子存儲(chǔ)器工業(yè)有限公司（NipponElectronic Memory Industry Co.）于1970年開(kāi)始在日本開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)關(guān)電源。到1972年，大多數(shù)電源制造商都在銷售或準(zhǔn)備銷售開(kāi)關(guān)電源。 大約在這個(gè)時(shí)候，計(jì)算機(jī)行業(yè)開(kāi)始使用開(kāi)關(guān)電源,包括1969年數(shù)字設(shè)備公司（DigitalEquipment）的PDP-11/20微型計(jì)算機(jī)和1971年惠普公司的2100A微型計(jì)算機(jī)。1971年的一份行業(yè)出版物稱，使用開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的公司“讀起來(lái)就像計(jì)算機(jī)行業(yè)的‘名人錄’，比方說(shuō)IBM、霍尼韋爾、尤尼瓦克（Univac）、數(shù)字設(shè)備公司、寶來(lái)和美國(guó)無(wú)線電公司（RCA）等”。

1974年，使用開(kāi)關(guān)電源的小型計(jì)算機(jī)包括通用數(shù)據(jù)公司的Nova2/4、德州儀器公司的960B和Interdata的系統(tǒng)。1975年，開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用到了HP2640A顯示終端、IBM的打字機(jī)式SelectricComposer和IBM 5100便攜式計(jì)算機(jī)。到1976年，通用數(shù)據(jù)在其半數(shù)系統(tǒng)中都使用了開(kāi)關(guān)電源，惠普則將其用于更小的系統(tǒng)，如9825A臺(tái)式計(jì)算機(jī)和9815A計(jì)算器。

1973年，開(kāi)關(guān)電源也出現(xiàn)在了家用電器中，為部分彩色電視機(jī)供電。 當(dāng)時(shí)的電子雜志，無(wú)論是廣告還是文章都在廣泛報(bào)告開(kāi)關(guān)電源。早在1964年，《電子設(shè)計(jì)》（ElectronicDesign）就推薦了可以提高效率的開(kāi)關(guān)電源。1971年10月的《電子世界》（Electronics World）封面上刊載了一個(gè)500瓦的開(kāi)關(guān)電源和一篇題為《開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電源》（TheSwitching Regulator Power Supply）的文章。

1972年，《計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)》（Computer Design）詳細(xì)探討了開(kāi)關(guān)電源以及此類電源在計(jì)算機(jī)中的日益普及，不過(guò)它也提到，部分公司仍持懷疑態(tài)度。1976年，《電子設(shè)計(jì)》的封面文章宣稱“突然之間，開(kāi)關(guān)變得更容易了”，并介紹了一種新的開(kāi)關(guān)電源控制器集成電路?！峨娮訉W(xué)》（Electronics）就這一問(wèn)題發(fā)表了一篇長(zhǎng)文；Powertec公司用兩頁(yè)廣告宣傳其開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)，廣告語(yǔ)是“轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)發(fā)生巨變”；Byte宣布由Boschert公司為微型計(jì)算機(jī)提供開(kāi)關(guān)電源。 羅伯特?博舍（Robert Boschert）是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵開(kāi)發(fā)者之一。他于1970年辭去工作，開(kāi)始在自家餐桌上制造電源。他力求簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，使其成本能夠與線性電源競(jìng)爭(zhēng)。到1974年，他已批量生產(chǎn)出低成本的打印機(jī)電源，隨后在1976年又生產(chǎn)了低成本的80瓦開(kāi)關(guān)電源。

到1977年，Boschert公司已經(jīng)成長(zhǎng)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(lái)又為惠普和Sun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，SSPI、西門子愛(ài)迪生斯旺公司（SES）和摩托羅拉等公司推出了低成本的高壓高速晶體管，促使開(kāi)關(guān)電源成為了主流。晶體管開(kāi)關(guān)速度的加快可以提高效率，因?yàn)樵谶@種晶體管中，熱量多在開(kāi)關(guān)過(guò)程中耗散，而且設(shè)備實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的速度越快，浪費(fèi)的能量就越少。

當(dāng)時(shí)，晶體管速度正在跨越式地提高。的確，晶體管技術(shù)飛速發(fā)展，《電子世界》的編輯甚至在1971年聲稱，封面上的500瓦電源不可能是用18個(gè)月前才問(wèn)世的晶體管制成的。 另一次重大進(jìn)步發(fā)生在1976年。當(dāng)時(shí)美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司的聯(lián)合創(chuàng)始人羅伯特?麥馬諾（Robert Mammano）推出了首個(gè)控制電傳打字機(jī)開(kāi)關(guān)電源的集成電路。他的SG1524控制器集成電路大大簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)，降低了成本，促使銷量飆升。 1974年前后，只要對(duì)電子行業(yè)稍有了解的人都知道，電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)生了一場(chǎng)真正的革命。 ?

蘋(píng)果二代個(gè)人計(jì)算機(jī)于1977年推出。它配備了一個(gè)設(shè)計(jì)緊湊、無(wú)風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)電源，能夠在5伏、12伏、-5伏和-12伏下提供38瓦的功率。它使用了霍爾特的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，即名為離線反激式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)電源。喬布斯聲稱如今每臺(tái)計(jì)算機(jī)都抄襲了霍爾特的革命性設(shè)計(jì)，但這項(xiàng)設(shè)計(jì)在1977年真的具有革命性嗎？它真的被其他計(jì)算機(jī)制造商抄襲了？ 答案是否定的。當(dāng)時(shí)Boschert等公司也在銷售類似的離線反激式變換器?；魻柼仉娫吹膸讉€(gè)特定功能獲得了一項(xiàng)專利，但這些功能從未得到廣泛使用。用分立元件構(gòu)建控制電路，即蘋(píng)果二代的電路構(gòu)建方式，也被證明是一個(gè)技術(shù)死胡同。開(kāi)關(guān)電源的未來(lái)屬于專用控制器集成電路。

并末使用英特爾:X射線下197 7年發(fā)布的原版蘋(píng)果二代微型計(jì)算機(jī)所用的開(kāi)關(guān)電源部件。

如果說(shuō)有一種微型計(jì)算機(jī)的確對(duì)電源設(shè)計(jì)產(chǎn)生了持久的影響，那應(yīng)該是1981年推出的IBM個(gè)人計(jì)算機(jī)。當(dāng)時(shí)，即蘋(píng)果二代發(fā)布4年之后，電源技術(shù)發(fā)生了巨變。這兩款早期個(gè)人計(jì)算機(jī)都使用了帶有多個(gè)輸出的離線反激式電源，但它們的共同點(diǎn)僅此而已。它們的驅(qū)動(dòng)、控制、反饋和穩(wěn)壓電路并不相同。IBM個(gè)人計(jì)算機(jī)電源使用了集成電路控制器，它包含的組件大約是蘋(píng)果二代電源的2倍。這些額外的組件能更好地穩(wěn)定輸出電壓，并會(huì)在所有4個(gè)電壓均準(zhǔn)確無(wú)誤時(shí)發(fā)出“電源良好”的信號(hào)。

1984年，IBM發(fā)布了一款升級(jí)版?zhèn)€人計(jì)算機(jī)，名為IBMPersonal Computer AT。它的電源采用了多種全新電路設(shè)計(jì)，完全淘汰了早期的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。很快它便成為了業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，直到1995年英特爾推出ATX形狀系數(shù)規(guī)范。ATX形狀系數(shù)規(guī)范定義了ATX電源，直到今天仍然是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 ATX標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)后，計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)也變得愈加復(fù)雜。1995年，微處理器高能奔騰問(wèn)世，它要求更低的電壓、更高的電流，ATX電源已經(jīng)無(wú)法滿足。為此，英特爾公司推出了穩(wěn)壓模塊（VRM）——安裝在處理器旁的直流-直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。它將電源的5伏電壓降至處理器使用的3伏電壓。

許多計(jì)算機(jī)的顯卡也包含穩(wěn)壓模塊，用于驅(qū)動(dòng)其包含的高性能顯卡芯片。 如今，快速處理器可能需要穩(wěn)壓模塊提供高達(dá)130瓦的功率，遠(yuǎn)超蘋(píng)果二代6502處理器僅需的0.5瓦功率。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)蘋(píng)果二代計(jì)算機(jī)3倍以上的電量。 計(jì)算機(jī)耗電量的提高已成為環(huán)境問(wèn)題的一個(gè)誘因，提高電源效率的倡議和條例應(yīng)運(yùn)而生。

在美國(guó)，政府的能源之星和行業(yè)領(lǐng)先的80多個(gè)認(rèn)證促使制造商生產(chǎn)更多“綠色”電源。目前已有多項(xiàng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：更高效的備用電源和啟動(dòng)電路、降低開(kāi)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(kāi)關(guān)二極管的“有源鉗位”電路。10年來(lái)，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）晶體管和高壓硅整流器技術(shù)的進(jìn)步也在促使電源效率不斷提高。

在其他領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)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(lái)控制輸出。電源控制器的設(shè)計(jì)不再僅僅是硬件設(shè)計(jì)的問(wèn)題，也是編程的問(wèn)題。數(shù)字電源管理支持電源與系統(tǒng)的其他部分通信，從而提高效率并進(jìn)行日志記錄。這些數(shù)字技術(shù)目前主要用于服務(wù)器，但也已經(jīng)開(kāi)始影響臺(tái)式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。

喬布斯認(rèn)為應(yīng)該讓更多人知道霍爾特，并且認(rèn)為“羅德沒(méi)有在歷史上獲得很多贊譽(yù)，但人們應(yīng)該記住他”，真正的歷史卻并非如此。即便是最優(yōu)秀的電源設(shè)計(jì)師也不太會(huì)被圈外人所知。2009年，《電子設(shè)計(jì)》的編輯們歡迎博舍入駐工程名人堂。羅伯特?麥馬諾在2005年獲得了《電力電子技術(shù)》（Power Electronics Technology）編輯評(píng)選的終身成就獎(jiǎng)。因其在開(kāi)關(guān)電源方面的創(chuàng)新，魯?shù)?塞弗恩斯（Rudy Severns）在2008年獲得另一項(xiàng)終身成就獎(jiǎng)。不過(guò)這些電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域的杰出人物甚至在維基百科上都并不出名。 ? 喬布斯多次強(qiáng)調(diào)霍爾特被忽視，因此霍爾特的設(shè)計(jì)出現(xiàn)在了數(shù)十篇有關(guān)蘋(píng)果的熱門文章和書(shū)籍中，包括1982年保羅?喬蒂（Paul Ciotti）發(fā)表于《加州雜志》（California）的《書(shū)呆子的復(fù)仇》（Revenge ofthe Nerds），以及2011年艾薩克森所著的暢銷書(shū)《喬布斯傳》。因此，具有諷刺意味的是，盡管羅德?霍爾特為蘋(píng)果二代帶來(lái)的設(shè)計(jì)絕非革命性的，但他可能已經(jīng)成為了有史以來(lái)最著名的電源設(shè)計(jì)師。 ?

作者：Ken Shirriff

編輯:黃飛