计算机电源的工作原理及发展史简述

半个世纪以前，晶体管和开关稳压器的

发展彻底改变了计算机电源设计 ━━━━ 技术爱好者也许知道计算机的微处理器型号和物理内存大小，却很可能对电源一无所知。即便是对制造商而言，电源设计也往往是最后才想到的事。 这令人感到遗憾，因为设计个人计算机所用的电源需要付出大量精力，相比于20世纪70年代末之前其他消费性电子产品所采用的电路，这些电源代表着巨大的进步。这一突破源于半个世纪前半导体技术的跨越式发展，尤其是开关晶体管的改进和集成电路的创新。不过，这是一场不为公众所知的革命，甚至熟悉微型计算机历史的人也并不了解。 电源并非没有拥护者，拥护者之中有一个人可能让你意想不到：史蒂夫•乔布斯。乔布斯的授权传记作者沃尔特•艾萨克森说，乔布斯对苹果二代个人计算机电源及其设计师罗德•霍尔特（Rod Holt）有着深厚的感情。艾萨克森这样写过：

霍尔特没有使用传统的线性电源，而是制造了一种类似于示波器所用电源的产品。它每秒开关电源的次数不止60次，而是数千次，因而能够在更短的时间储存电量，并且减少热量释放。乔布斯后来表示：“这种开关电源和苹果二代逻辑板一样是革命性的。罗德没有在历史上获得很多赞誉，但人们应该记住他。现在每台计算机都使用了开关电源，它们都抄袭了罗德•霍尔特的设计。”

乔布斯的话很有见地，但我不完全同意他的观点，因此我做了一些调查。我发现，开关电源是革命性的，因为它取代了简单但效率低下的线性电源，但这场革命发生在20世纪60年代末至70年代中期。1977年推出的苹果二代从这场革命中受益，但这场革命并不是它引发的。

引领者与追随者

1981年，史蒂夫●乔布斯展示了一台苹果二代个人计算机。得益于整个行业从笨重线性电源向小型高效开关电源的转变，苹果二二代于197 7年首次推出。正如乔布斯后来所说，促成这种转变的并非苹果二代。

对乔布斯见解的更正决不仅仅是工程琐事。今天，开关电源几乎无所不在，我们每天用它来为智能手机、平板电脑、笔记本电脑、相机甚至是一些汽车充电。它们为时钟、收音机、家用音响和其他小型电器提供动力。真正领导这场革命的工程师应该被认可。这也是一个值得聆听的故事。

苹果二代这类台式计算机的电源可以将交流电路电压转换成直流，为系统提供非常稳定的电压。电源可以通过多种方式构建，其中线性和开关是最常见的两种。 典型的线性电源使用了体积庞大的变压器，将来自电力线的相对高压的交流电转换成低压交流电，再用通常由4个二极管组成的经典电桥结构将交流电转换成低压直流电。大型电解质电容器用于实现二极管电桥的流畅输出。计算机电源使用了一种被称为线性稳压器的电路，它可以将直流电压降低到理想水平，并在荷载发生变化时依然保持电压不变。 线性电源的设计和制造并不复杂。它们使用的是廉价的低压半导体，但有两个主要缺点。其中之一是它们需要大型电容器和庞大的变压器，永远无法像智能手机和平板电脑的充电器那样小巧、轻量、方便。另一个是线性调节器，这是一种基于晶体管的电路，它会将多余的直流电压（高于指定输出电压的电压）转化为废热。因此，通常此类电源所消耗的电量有一半以上都会被浪费掉，而且往往需要大型金属散热器或风扇来散热。

开关电源的工作原理则有所不同：在典型的开关电源中，交流线路输入会转换成高压直流电，每秒开关数万次。所用的高频率支持使用更轻巧的变压器和更小的电容器。特殊电路可以精确测定开关时间来控制输出电压。这类电源不需要线性稳压器，因而浪费的能量很少。其效率通常为80%到90%，因此释放的热量也少得多。

但开关电源比线性电源复杂得多，因此设计更为棘手。此外，它对元件的要求更高，要求高压功率晶体管能够有效地高速开关。 顺便说明一下，有些计算机的电源既不是线性电源，也不是开关电源。有一种原始但有效的电源技术，那就是让电动机不通电运行，并使用该电动机驱动发电机产生所需的输出电压。电动发电机已存在数十年，至少可以追溯到20世纪30年代的IBM卡片穿孔机，并一直沿用到70年代的克雷超级计算机等。

20世纪50年代到80年代流行的另一种方案是使用铁磁共振变压器——一种提供定压输出的特殊变压器。另外还有饱和电抗器，它是一种可控电感器，在20世纪50年代被用于真空管计算机的电源稳压。它作为“磁放大器”重新出现在了部分现代个人计算机电源中，为其提供额外的稳压。最终，这些稀奇古怪的方法在很大程度上让位给了开关电源。  

电气工程师们从20世纪30年代就熟知开关电源的原理，但这项技术在真空管时代的应用有限。当时，一些电源中使用的特殊含汞管（被称为闸流管）可以看成一种原始的低频开关稳压器，例如20世纪40年代的REC-30电传打字机电源和1954年IBM704计算机使用的电源。20世纪50年代引入功率晶体管后，开关电源得到了迅速发展。先锋磁性元件公司（Pioneer Magnetics）于1958年开始制造开关电源。通用电气在1959年公布了一项晶体管开关电源的早期设计。

20世纪60年代，NASA和航空航天工业为开关电源的发展提供了主要动力，因为航天应用更注重体积小、效率高的优势，而不是成本低。例如，1962年的电星通信卫星（首颗传输电视图像的卫星）和美国民兵导弹都使用了开关电源。随着时间的推移，开关电源的成本逐渐降低，慢慢普及开来。例如，1966年，美国泰克公司在便携式示波器中使用了开关电源，切断电源电流或电池供电。

随着电源制造商开始向其他公司出售开关设备，这一趋势开始加速。1967年，ROAssociates公司推出了第一款20千赫的开关电源产品，声称这是第一款取得商业成功的开关电源。日本电子存储器工业有限公司（NipponElectronic Memory Industry Co.）于1970年开始在日本开发标准化开关电源。到1972年，大多数电源制造商都在销售或准备销售开关电源。 大约在这个时候，计算机行业开始使用开关电源,包括1969年数字设备公司（DigitalEquipment）的PDP-11/20微型计算机和1971年惠普公司的2100A微型计算机。1971年的一份行业出版物称，使用开关式稳压电源的公司“读起来就像计算机行业的‘名人录’，比方说IBM、霍尼韦尔、尤尼瓦克（Univac）、数字设备公司、宝来和美国无线电公司（RCA）等”。

1974年，使用开关电源的小型计算机包括通用数据公司的Nova2/4、德州仪器公司的960B和Interdata的系统。1975年，开关电源应用到了HP2640A显示终端、IBM的打字机式SelectricComposer和IBM 5100便携式计算机。到1976年，通用数据在其半数系统中都使用了开关电源，惠普则将其用于更小的系统，如9825A台式计算机和9815A计算器。

1973年，开关电源也出现在了家用电器中，为部分彩色电视机供电。 当时的电子杂志，无论是广告还是文章都在广泛报告开关电源。早在1964年，《电子设计》（ElectronicDesign）就推荐了可以提高效率的开关电源。1971年10月的《电子世界》（Electronics World）封面上刊载了一个500瓦的开关电源和一篇题为《开关稳压器电源》（TheSwitching Regulator Power Supply）的文章。

1972年，《计算机设计》（Computer Design）详细探讨了开关电源以及此类电源在计算机中的日益普及，不过它也提到，部分公司仍持怀疑态度。1976年，《电子设计》的封面文章宣称“突然之间，开关变得更容易了”，并介绍了一种新的开关电源控制器集成电路。《电子学》（Electronics）就这一问题发表了一篇长文；Powertec公司用两页广告宣传其开关电源的优势，广告语是“转换开关发生巨变”；Byte宣布由Boschert公司为微型计算机提供开关电源。 罗伯特•博舍（Robert Boschert）是这项技术的关键开发者之一。他于1970年辞去工作，开始在自家餐桌上制造电源。他力求简化设计，使其成本能够与线性电源竞争。到1974年，他已批量生产出低成本的打印机电源，随后在1976年又生产了低成本的80瓦开关电源。

到1977年，Boschert公司已经成长为一家拥有650名员工的公司。它为卫星和格鲁曼F-14战斗机制造电源，后来又为惠普和Sun等公司生产计算机电源。 20世纪60年代末和70年代初，SSPI、西门子爱迪生斯旺公司（SES）和摩托罗拉等公司推出了低成本的高压高速晶体管，促使开关电源成为了主流。晶体管开关速度的加快可以提高效率，因为在这种晶体管中，热量多在开关过程中耗散，而且设备实现这种转换的速度越快，浪费的能量就越少。

当时，晶体管速度正在跨越式地提高。的确，晶体管技术飞速发展，《电子世界》的编辑甚至在1971年声称，封面上的500瓦电源不可能是用18个月前才问世的晶体管制成的。 另一次重大进步发生在1976年。当时美国硅通用半导体公司的联合创始人罗伯特•麦马诺（Robert Mammano）推出了首个控制电传打字机开关电源的集成电路。他的SG1524控制器集成电路大大简化了电源设计，降低了成本，促使销量飙升。 1974年前后，只要对电子行业稍有了解的人都知道，电源设计领域发生了一场真正的革命。  

苹果二代个人计算机于1977年推出。它配备了一个设计紧凑、无风扇的开关电源，能够在5伏、12伏、-5伏和-12伏下提供38瓦的功率。它使用了霍尔特的简单设计，即名为离线反激式变换器拓扑结构的开关电源。乔布斯声称如今每台计算机都抄袭了霍尔特的革命性设计，但这项设计在1977年真的具有革命性吗？它真的被其他计算机制造商抄袭了？ 答案是否定的。当时Boschert等公司也在销售类似的离线反激式变换器。霍尔特电源的几个特定功能获得了一项专利，但这些功能从未得到广泛使用。用分立元件构建控制电路，即苹果二代的电路构建方式，也被证明是一个技术死胡同。开关电源的未来属于专用控制器集成电路。

并末使用英特尔:X射线下197 7年发布的原版苹果二代微型计算机所用的开关电源部件。

如果说有一种微型计算机的确对电源设计产生了持久的影响，那应该是1981年推出的IBM个人计算机。当时，即苹果二代发布4年之后，电源技术发生了巨变。这两款早期个人计算机都使用了带有多个输出的离线反激式电源，但它们的共同点仅此而已。它们的驱动、控制、反馈和稳压电路并不相同。IBM个人计算机电源使用了集成电路控制器，它包含的组件大约是苹果二代电源的2倍。这些额外的组件能更好地稳定输出电压，并会在所有4个电压均准确无误时发出“电源良好”的信号。

1984年，IBM发布了一款升级版个人计算机，名为IBMPersonal Computer AT。它的电源采用了多种全新电路设计，完全淘汰了早期的反激式拓扑结构。很快它便成为了业内标准，直到1995年英特尔推出ATX形状系数规范。ATX形状系数规范定义了ATX电源，直到今天仍然是行业标准。 ATX标准出现后，计算机电源系统也变得愈加复杂。1995年，微处理器高能奔腾问世，它要求更低的电压、更高的电流，ATX电源已经无法满足。为此，英特尔公司推出了稳压模块（VRM）——安装在处理器旁的直流-直流开关稳压器。它将电源的5伏电压降至处理器使用的3伏电压。

许多计算机的显卡也包含稳压模块，用于驱动其包含的高性能显卡芯片。 如今，快速处理器可能需要稳压模块提供高达130瓦的功率，远超苹果二代6502处理器仅需的0.5瓦功率。事实上，单是一个现代处理器芯片就可以消耗整个苹果二代计算机3倍以上的电量。 计算机耗电量的提高已成为环境问题的一个诱因，提高电源效率的倡议和条例应运而生。

在美国，政府的能源之星和行业领先的80多个认证促使制造商生产更多“绿色”电源。目前已有多项技术可实现这一点：更高效的备用电源和启动电路、降低开关晶体管功率损耗的谐振电路，以及用更高效的晶体管电路取代开关二极管的“有源钳位”电路。10年来，功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）晶体管和高压硅整流器技术的进步也在促使电源效率不断提高。

在其他领域，开关电源技术也在不断发展。今天，许多电源不再使用模拟电路，而是使用数字芯片和软件算法来控制输出。电源控制器的设计不再仅仅是硬件设计的问题，也是编程的问题。数字电源管理支持电源与系统的其他部分通信，从而提高效率并进行日志记录。这些数字技术目前主要用于服务器，但也已经开始影响台式计算机的设计。

乔布斯认为应该让更多人知道霍尔特，并且认为“罗德没有在历史上获得很多赞誉，但人们应该记住他”，真正的历史却并非如此。即便是最优秀的电源设计师也不太会被圈外人所知。2009年，《电子设计》的编辑们欢迎博舍入驻工程名人堂。罗伯特•麦马诺在2005年获得了《电力电子技术》（Power Electronics Technology）编辑评选的终身成就奖。因其在开关电源方面的创新，鲁迪•塞弗恩斯（Rudy Severns）在2008年获得另一项终身成就奖。不过这些电源设计领域的杰出人物甚至在维基百科上都并不出名。   乔布斯多次强调霍尔特被忽视，因此霍尔特的设计出现在了数十篇有关苹果的热门文章和书籍中，包括1982年保罗•乔蒂（Paul Ciotti）发表于《加州杂志》（California）的《书呆子的复仇》（Revenge ofthe Nerds），以及2011年艾萨克森所著的畅销书《乔布斯传》。因此，具有讽刺意味的是，尽管罗德•霍尔特为苹果二代带来的设计绝非革命性的，但他可能已经成为了有史以来最著名的电源设计师。  

作者：Ken Shirriff

编辑:黄飞