Полвека назад усовершенствованные транзисторы и импульсные стабилизаторы напряжения произвели революцию в конструкции компьютерных источников питания.
Apple, например, получила льготы – хотя и не запустила эту революцию, несмотря на заявления Стива Джобса.
Без Intel внутри: на рентгеновском снимке показаны компоненты импульсного блока питания, использовавшегося в оригинальном микрокомпьютере Apple II, выпущенном в 1977 году.
Компьютерным блокам питания не уделяется должного внимания.
Как энтузиаст технологий, вы, вероятно, знаете, какой микропроцессор установлен в вашем компьютере и сколько у него физической памяти, но, скорее всего, вы ничего не знаете о его источнике питания.
Не волнуйтесь: даже производители разрабатывают блоки питания в последнюю очередь.
А жаль, ведь для создания блока питания для персональных компьютеров потребовалось немало усилий, и это было серьезное улучшение по сравнению со схемами, которые питали другую бытовую электронику до конца 1970-х годов.
Этот прорыв стал возможен благодаря огромным прорывам в полупроводниковой технологии, сделанным полвека назад, в частности, усовершенствованиям в импульсных стабилизаторах напряжения и инновациям в интегральных схемах.
Но в то же время эта революция прошла мимо внимания общественности и даже неизвестна многим людям, знакомым с историей микрокомпьютеров.
Мир BP не лишен выдающихся чемпионов, в том числе человека, упоминание которого может вас удивить: Стив Джобс .
По словам его уполномоченного биографа, Уолтер Айзексон Джобс очень серьезно отнесся к источнику питания современного персонального компьютера.
Яблоко II и его разработчик Род Холт. Джобс, по словам Айзексона, заявил следующее: Вместо обычного линейного источника питания Холт создал тот, который использовался в осциллографах.
Он включал и выключал электричество не 60 раз в секунду, а тысячи раз; это позволило ему хранить энергию в течение гораздо более коротких периодов времени, в результате чего он выделял гораздо меньше тепла.
«Этот импульсный источник питания был таким же революционным, как и материнская плата Apple II», — сказал позже Джобс.
«Рода не часто хвалят за это в учебниках по истории, но его следует хвалить».
Сегодня все компьютеры используют ИБП, и все они скопированы с конструкции Рода Холта».
Это серьезное заявление показалось мне не очень достоверным, и я провел собственное расследование.
Я обнаружил, что, хотя ИБП были революционными, эта революция произошла в конце 1960-х и середине 1970-х годов, когда ИБП заменили простые, но неэффективные линейные источники питания.
Apple II, появившийся в 1977 году, извлек выгоду из этой революции, но не стал ее причиной.
Исправление версии событий, предложенной Джобсом, — это не какая-то мелкая инженерная деталь.
Сегодня ИБП являются повсеместной опорой всего, мы используем их ежедневно для зарядки наших смартфонов, планшетов, ноутбуков, камер и даже некоторых автомобилей.
Они питают часы, радиоприемники, домашние усилители звука и другую мелкую бытовую технику.
Инженеры, которые положили начало этой революции, заслуживают признания за свои достижения.
И вообще это очень интересная история.
Блок питания настольных компьютеров, таких как Apple II, преобразует переменный сетевой ток в постоянный и создает очень стабильное напряжение для питания системы.
БП могут быть сконструированы по-разному, но наиболее распространенными являются линейные и импульсные схемы.
Со всеми бородавками
Раньше в небольших электронных устройствах обычно использовались громоздкие трансформаторы блока питания, за что получили уничижительное прозвище «настенные бородавки».
В начале XXI века технологические усовершенствования позволили практично использовать компактные импульсные источники питания с низким энергопотреблением для питания небольших устройств.
Благодаря снижению стоимости коммутационных адаптеров переменного/постоянного тока они быстро заменили громоздкие источники питания в большинстве домашних устройств.
Apple превратила зарядное устройство в хитроумное изобретение, представив в 2001 году элегантное зарядное устройство для iPod, вмещавшее компактный аккумулятор.
обратноходовой преобразователь управляется интегральными схемами (слева на рисунке).
USB-зарядка вскоре получила широкое распространение, а культовым фаворитом стало ультракомпактное зарядное устройство Apple в форме дюймового куба, появившееся в 2008 году (справа).
В самых модных сегодня высококлассных зарядных устройствах этого типа используются полупроводники на основе нитрида галлия, которые могут переключаться быстрее, чем кремниевые транзисторы, и поэтому более эффективны.
Развивая технологии в другом направлении, сегодня производители предлагают USB-зарядные устройства менее чем за доллар, при этом экономя на качестве электроэнергии и системах безопасности.
* * * Типичный линейный источник питания использует громоздкий трансформатор для преобразования переменного тока высокого напряжения на выходе в переменный ток низкого напряжения, который затем преобразуется в постоянный ток низкого напряжения с помощью диодов, обычно четырех из них, соединенных по классической схеме.
Для сглаживания выходного напряжения диодного моста используются электролитические конденсаторы большой емкости.
В компьютерных источниках питания используется схема, называемая линейным стабилизатором, которая снижает напряжение постоянного тока до желаемого уровня и поддерживает его на этом уровне даже при изменении нагрузки.
Линейные источники питания просты в проектировании и создании.
В них используются дешевые низковольтные полупроводниковые компоненты.
Однако у них есть два больших недостатка.
Одним из них является необходимость использования больших конденсаторов и громоздких трансформаторов, которые невозможно втиснуть в что-то такое маленькое, легкое и удобное, как зарядные устройства, которые мы все используем для наших смартфонов и планшетов.
Другой вариант — схема линейного стабилизатора на основе транзистора, которая превращает избыточное напряжение постоянного тока — все, что выше требуемого уровня, — в рассеянное тепло.
Поэтому такие блоки питания обычно теряют более половины потребляемой энергии.
И им часто требуются большие металлические радиаторы или вентиляторы, чтобы избавиться от этого тепла.
ИБП работает по другому принципу: вход AV-линии преобразуется в высокое напряжение постоянного тока, которое включается и выключается десятки тысяч раз в секунду.
Высокие частоты позволяют использовать гораздо меньшие по размеру и более легкие трансформаторы и конденсаторы.
Специальная схема точно контролирует переключение для управления выходным напряжением.
Поскольку такие блоки питания не нуждаются в линейных стабилизаторах, они тратят очень мало энергии: их КПД обычно достигает 80-90%, и в результате они значительно меньше нагреваются.
Однако ИБП обычно намного сложнее линейных и их сложнее проектировать.
Они также предъявляют более высокие требования к компонентам, требуя высоковольтных транзисторов, которые могут эффективно включаться и выключаться на высоких частотах.
Следует отметить, что в некоторых компьютерах использовались источники питания, которые не были ни линейными, ни импульсными.
Один грубый, но эффективный метод заключался в том, чтобы запитать двигатель от сетевой розетки и использовать его для раскрутки генератора, вырабатывающего необходимое напряжение.
Мотор-генераторы использовались в течение нескольких десятилетий, по крайней мере, с появления машин IBM с перфокартами в 1930-х и до 1970-х годов, обеспечивая, среди прочего, Суперкомпьютеры Cray .
Другой вариант, популярный с 1950-х по 1980-е годы, заключался в использовании феррорезонансный трансформаторы – специальный тип трансформаторы, обеспечивающие постоянное выходное напряжение.
Также использовался в 1950-х годах для регулирования напряжения ламповых компьютеров.
дроссель насыщения , управляемый индуктор.
В некоторых современных блоках питания ПК он вновь появился под названием « магнитный усилитель «, давая дополнительное регулирование.
Но в итоге все эти старые подходы уступили место UPS. Принципы, лежащие в основе ИБП, были известны инженерам-электрикам с 1930-х годов, но в эпоху электронных ламп эта технология использовалась редко.
В то время в некоторых источниках питания использовались специальные ртутные лампы, тиратроны , и их можно считать примитивными, низкочастотными импульсными стабилизаторами.
Среди них - РЭЦ-30 , который приводил в действие телетайп в 1940-х годах, а также приводил в действие компьютер ИБМ 704 с 1954 года.
Но с появлением силовых транзисторов в 1950-х годах системы ИБП начали быстро совершенствоваться.
Пионер Магнетикс начала производить ИБП в 1958 году.
Дженерал Электрик выпустила ранний проект транзисторного ИБП в 1959 году.
В 1960-х годах НАСА и аэрокосмическая промышленность стали основной движущей силой в разработке ИБП, поскольку преимущества небольшого размера и высокой эффективности взяли верх над высокой стоимостью для аэрокосмических приложений.
Например, в 1962 году Спутник Телстар (первый спутник, передающий телевидение) и ракета» Минитмен » использовали ИБП.
Шли годы, цены падали, и ИБП стали встраивать в потребительское оборудование.
Например, в 1966 году компания Tektronix использовала ИБП в портативном осциллографе, позволяя ему работать как от сетевой розетки, так и от батарей.
Эта тенденция ускорилась, когда производители начали продавать ИБП другим компаниям.
В 1967 году РО Ассошиэйтс представила первый ИБП с частотой 20 кГц, который назвала первым коммерчески успешным примером ИБП.
Компания Nippon Electronic Memory Industry Co. начала разработку стандартизированных ИБП в Японии в 1970 году.
К 1972 году большинство производителей источников питания продавали или готовились к выпуску систем ИБП.
Примерно в это же время компьютерная индустрия начала использовать ИБП.
Ранние примеры включают микрокомпьютер PDP-11/20 от Digital Equipment в 1969 году и микрокомпьютер 2100A от Hewlett-Packard в 1971 году.
В публикации 1971 года говорилось, что среди компаний, использующих ИБП, были все основные игроки рынка: IBM, Honeywell, Univac, DEC, Берроуз и RCA. В 1974 году в список микрокомпьютеров, использующих ИБП, входили Nova 2/4 от Data General, 960B от Texas Instruments и системы от Interdata. В 1975 году ИБП использовались в терминале HP2640A, похожем на пишущую машинку IBM Selectric Composer, и в портативном компьютере IBM 5100. К 1976 году Data General использовала ИБП в половине своих систем, а HP использовала ИБП в более мелких системах, таких как настольный компьютер 9825A и калькулятор 9815A. К 1973 году ИБП также начали появляться в домашних устройствах, например, в некоторых цветных телевизорах.
ИБП часто фигурировали в электронных журналах того времени, как в форме рекламы, так и в статьях.
Еще в 1964 году Электронный дизайн рекомендуется использовать ИБП из-за более высокой эффективности.
На обложке журнала Electronics World за октябрь 1971 года был изображен ИБП мощностью 500 Вт, а заголовок статьи гласил: «Источник питания импульсного регулятора».
В книге «Компьютерный дизайн» в 1972 году подробно описывался ИБП и его постепенное завоевание компьютерного рынка, хотя также отмечался скептицизм некоторых компаний.
На обложке журнала Electronic Design 1976 года было написано: «Переключение внезапно стало проще» и описывалась новая интегральная схема управления ИБП.
В журнале Electronics была длинная статья на эту тему; Компания Powertec разместила двухстраничную рекламу о преимуществах ИБП со слоганом «Большая перемена — для коммутаторов»; Компания Byte объявила о выпуске ИБП для микрокомпьютеров компании Boschert. Роберт Бошерт, который уволился с работы и начал собирать источники питания на своей кухне в 1970 году, был ключевым разработчиком этой технологии.
Он сосредоточился на упрощении схем, чтобы сделать импульсные блоки питания конкурентоспособными по цене с линейными, и к 1974 году уже производил недорогие блоки питания для принтеров в промышленных количествах, а затем в 1976 году выпустил недорогие ИБП мощностью 80 Вт. К 1977 году Boschert Inc. выросла до компании, насчитывающей 650 человек.
Она производила блоки питания для спутников и истребителя Grumman F-14, а позже компьютерные блоки питания для HP и Sun. Появление в конце 1960-х и начале 1970-х годов недорогих высоковольтных высокочастотных транзисторов, производимых такими компаниями, как Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) и Motorola, помогло вывести ИБП на рынок.
мейнстрим.
Более высокие частоты переключения повышали эффективность, поскольку тепло в таких транзисторах рассеивалось в первую очередь при переключении между состояниями, и чем быстрее устройство могло совершить этот переход, тем меньше энергии оно тратило.
Частоты транзисторов в это время резко возросли.
Транзисторная технология развивалась так быстро, что редакторы журнала Electronics World в 1971 году могли заявить, что 500-ваттный источник питания, изображенный на обложке журнала, не мог быть произведен всего 18 месяцев назад. Еще один заметный прорыв произошел в 1976 году, когда Роберт Маммано, соучредитель Silicon General Semiconductors, представил первую интегральную схему для управления ИБП, предназначенную для электронного телетайпа.
Его контроллер СГ1524 радикально упростили разработку блоков питания и снизили их стоимость, что вызвало всплеск продаж.
К 1974 году, плюс-минус пару лет, каждому человеку, имевшему хотя бы приблизительное представление о состоянии электронной промышленности, было ясно, что в конструкции блоков питания происходит настоящая революция.
Лидеры и последователи: Стив Джобс демонстрирует персональный компьютер Apple II в 1981 году.
Впервые представленный в 1977 году, Apple II выиграл от перехода отрасли от громоздких линейных источников питания к небольшим, эффективным импульсным источникам питания.
Но Apple II не стал инициатором этого перехода, как позже утверждал Джобс.
Персональный компьютер Apple II был представлен в 1977 году.
Одной из его особенностей было компактный ИБП без вентилятора, обеспечивая мощность 38 Вт и напряжение 5, 12, –5 и –12 В.
Он использовал простую схему Холта — ИБП с топологией автономного обратноходового преобразователя.
Джобс сказал, что сегодня каждый компьютер копирует революционный дизайн Холта.
Но была ли эта схема революционной в 1977 году? И каждый ли производитель компьютеров скопировал это? Нет и нет. Подобные обратноходовые преобразователи в то время уже продавались Boschert и другими компаниями.
Холт получил патенты на пару особенностей своего блока питания, но широкого распространения они так и не получили.
А создание схемы управления из дискретных компонентов, как это было сделано для Apple II, оказалось технологическим тупиком.
Будущее ИБП принадлежало интегральным схемам специального назначения.
Если и существовал микрокомпьютер, который оказал длительное влияние на конструкцию блоков питания, то это был персональный компьютер IBM, выпущенный в 1981 году.
К тому времени, всего через четыре года после выпуска Apple II, технология источников питания кардинально изменилась.
Хотя оба этих компьютера использовали ИБП с топологией автономного обратноходового преобразователя и несколькими выходами, это все, что у них было общего.
Цепи питания, управления, обратной связи и стабилизации были разными.
И хотя в блоке питания IBM PC использовался интегральный контроллер, в нем было почти вдвое больше компонентов, чем в блоке питания Apple II. Дополнительные компоненты обеспечивали дополнительную регулировку выходного напряжения и сигнал «хорошей мощности», когда все четыре напряжения были правильными.
В 1984 году IBM выпустила значительно обновленную версию ПК, названную IBM Personal Computer AT. В его блоке питания использовано множество новых схем, полностью отказавшихся от обратноходовой топологии.
Он быстро стал стандартом де-факто и оставался таковым до 1995 года, когда Intel представила форм-фактор ATX, который, как и другие вещи, определявшие блок питания ATX, остается стандартом по сей день.
Но, несмотря на появление стандарта ATX, компьютерные системы питания стали более сложными в 1995 году, когда появился Pentium Pro — микропроцессор, который требовал более низкого напряжения и более высоких токов, чем мог обеспечить напрямую блок питания ATX. Для такого блока питания Intel представила модуль регулирования напряжения (VRM) — импульсный DC-DC преобразователь, установленный рядом с процессором.
Это уменьшило напряжение с 5 В от блока питания до 3 В, используемых процессором.
Многие компьютерные видеокарты также имеют VRM, который питает установленные в них высокоскоростные графические чипы.
Сегодня быстрому процессору VRM может потребоваться до 130 Вт — намного больше, чем пол-ватта мощности, которую использовал процессор Apple II 6502. Один только современный процессор может потреблять в три раза больше энергии, чем весь компьютер Apple II. Растущее энергопотребление компьютеров стало источником экологических проблем, что привело к появлению инициатив и законов, требующих более эффективных источников питания.
В США правительственная сертификация Energy Star и отраслевая сертификация 80 Plus требуют от производителей производить более «зеленые» источники питания.
Сделать это им удается с помощью различных технологий: более эффективное энергопотребление в режиме ожидания, более эффективные схемы запуска, резонансные схемы, снижающие потери мощности в коммутационных транзисторах, схемы активного ограничения, заменяющие переключающие диоды на более эффективные транзисторы.
Усовершенствования в технологиях силовых МОП-транзисторов и высоковольтных кремниевых выпрямителей за последние десять лет также повысили эффективность.
Технология ИБП продолжает развиваться и в других направлениях.
Сегодня вместо использования аналоговых схем многие поставщики используют цифровые микросхемы и программные алгоритмы для управления выходным сигналом.
Разработка контроллера источника питания стала одновременно проблемой проектирования аппаратного обеспечения и проблемой программирования.
Цифровое управление питанием позволяет поставщикам более эффективно взаимодействовать и вести журналы с остальной частью системы.
И хотя эти цифровые технологии в основном встречаются на серверах, они начинают влиять на разработку настольных ПК.
Трудно примирить всю эту историю с мнением Джобса о том, что Холт должен быть более известен или что «Рода не часто хвалят за это в учебниках по истории, но ему следует».
Даже лучшие разработчики блоков питания не становятся известными за пределами небольшого сообщества.
В 2009 году редакция Electronic Design пригласила Бошерта на свой « Зал инженерной славы «Роберт Маммано получил награду» жизненные достижения » в 2005 году от редакции журнала Power Electronics Technology. Руди Севернс получил еще одна такая награда в 2008 году за инновации в ИБП.
Но ни один из этих корифеев в области проектирования блоков питания даже не отмечен в Википедии.
Часто повторяемое мнение Джобса о том, что Холта несправедливо игнорировали, привело к тому, что работы Холта были представлены в десятках популярных статей и книг об Apple, от « Месть ботаников » Пола Чиотти, которая появилась в журнале «Калифорния» в 1982 году, до выхода бестселлера Айзексона о биографии Джобса в 2011 году.
Поэтому иронично, что, хотя его работа над Apple II была далека от революционной, Род Холт был, возможно, самым известным разработчиком BP все время.
Теги: #История ИТ #Apple #Энергия и аккумуляторы #ibm #блок питания
-
Общий Обзор Нанита
19 Oct, 24 -
Глубокое Обучение В R, Обучение Word2Vec
19 Oct, 24
