有關開關電源的一段歷史

來源：本文由公眾號半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自「spectrum.ieee」，作者Ken Shirriff，謝謝。

蘋果公司雖然沒有引發這場革命，但正如喬布斯聲稱的那樣，蘋果從中受益匪淺。

沒有內置英特爾晶元：X射線揭示了1977年發布的Apple II微型計算機中使用的開關電源的組成部分。（照片：David Arky）

作為技術愛好者，你可能知道你的計算機中的微處理器是什麼，知道它有多少內存，但你很可能對電源一無所知。別難過，即使對於製造商來說，設計電源也是後來才想到的。

這是一件令人遺憾的事情，因為創造PC機中使用的電源需要付出相當大的努力，這與上世紀70年代末之前其他消費電子產品的供電電路相比是巨大的進步。這一突破源於半個世紀前半導體技術的巨大進步，特別是開關晶體管的改進和集成電路的創新。然而，這是一場革命，它完全沒有被公眾所認識，甚至沒有被許多熟悉微型計算機歷史的人所認識。

然而，電源並非沒有熱情的支持者，其中就有一個可能讓你感到意外的人：史蒂夫·喬布斯。據喬布斯的授權傳記作者沃爾特·艾薩克森說，喬布斯對開創性的Apple II PC機及其設計師Rod Holt的電源設計有著強烈的感情。據艾薩克森報道，喬布斯的說法是：

「

Holt沒有使用傳統的線性電源，而是製造了一種類似於用在示波器中的電源。它每秒開關電源的次數不是60次，而是數千次，這使得它能以更短的時間儲存能量，從而減少熱量。喬布斯後來說：「這種開關電源和Apple II邏輯板一樣具有革命性。Rod在歷史上並沒有因此得到很多讚譽，但他應該得到。現在每台計算機都使用開關電源，他們都抄襲Rod Holt的設計。

」

喬布斯的聲明很重要，但我並不認同，所以我做了一些調查。我發現，雖然開關電源是革命性的，但革命發生在20世紀60年代末至70年代中期，因為開關電源取代了簡單但效率低下的線性電源。1977年推出的Apple II從這場革命中受益，但並未引發這場革命。

喬布斯對這件事的改版遠不止工程上的瑣事。今天，開關電源是無處不在的支柱，我們每天都用它給我們的智能手機、平板電腦、筆記本電腦、相機，甚至某些汽車充電。它們為時鐘、收音機、家用音頻放大器和其他小型電器供電。真正引發這場革命的工程師應該得到認可。而且這也是一個很好的故事。

Apple II等台式計算機中的電源將交流電轉換為直流電，為系統提供非常穩定的電壓。電源可以以多種方式構建，但線性設計和開關設計是最常見的兩種。

典型的線性電源使用體積龐大的變壓器，將電力線上的高壓交流電轉換為低壓交流電，然後再用二極體將交流電轉換成低壓直流電，通常用4個二極體組成經典的整流橋結構。大型電解電容器用於平滑二極體電橋的輸出。計算機電源使用一種稱為線性穩壓器的電路，它可以將直流電壓降低到所需的水平，並在負載變化時保持電壓穩定不變。

線性電源的設計和構建幾乎是微不足道的。而且它們使用便宜的低壓半導體。但是它們有兩個主要的缺點。其一是需要大電容和大型變壓器，它們永遠無法被封裝成像我們現在在智能手機和平板電腦上使用的充電器那樣小巧輕便的東西。其二，線性穩壓器一種基於晶體管的電路，會將多餘的直流電壓——任何高於指定輸出電壓的電壓——轉換為餘熱。因此，這樣的供電通常會浪費掉一半以上的功耗。它們經常需要大型金屬散熱器或風扇來散熱。

毫不掩飾缺陷

照片：David Arky

過去，小型電子設備通常使用笨重的壁式變壓器，人們輕蔑地稱之為「牆壁肉贅」。約在21世紀初，技術的進步使得緊湊、低功耗的開關電源適用於小型設備。隨著開關AC/DC適配器價格的下降，它們迅速取代了大多數家用設備中笨重的壁式變壓器。

蘋果公司把充電器變成了一款設計精良的產品，2001年推出了一款時尚的iPod充電器，內置了一個緊湊的IC控制反激式電源（左圖）。USB充電器很快變得無處不在，蘋果公司2008年推出的超小型inch-cube充電器成為了標誌性產品（右圖）。

這類高端充電器的最新趨勢是使用氮化鎵（GaN）半導體，這種半導體的開關速度比硅晶體管快，因此效率更高。技術被推向了另一個方向，最便宜的USB充電器現在的售價不到1美元，儘管代價是電源質量差，缺少安全功能。——K.S.

開關電源的工作原理不同：在典型的開關電源中，交流輸入轉換為高壓直流，每秒開關數萬次。所採用的高頻允許使用更輕巧的變壓器和更小的電容器。一個特殊的電路精確地控制輸出電壓的時間。這些電源不需要線性穩壓器，因此幾乎不浪費電能：它們的效率通常可達80%~90%，因此釋放的熱量要少得多。

然而，開關電源比線性電源複雜得多，因此設計起來比較困難。此外，它對元件的要求更高，要求高壓功率晶體管能夠高效地高速開關。

順便提一下，有些計算機使用的電源既不是線性電源，也不是開關電源。一種原始但有效的技術是使電動機脫離線路電源，並使用該電動機驅動產生所需輸出電壓的發電機。電動發電機組使用了幾十年，至少可以追溯到20世紀30年代的IBM打卡機，並持續到20世紀70年代用於Cray超級計算機等。

20世紀50~80年代流行的另一種選擇是使用鐵磁諧振變壓器，這是一種特殊類型的變壓器，可以提供恆定的電壓輸出。此外還有可飽和電抗器，他是一種可控電感器，在20世紀50年代被用於真空管計算機的電源調節。它在一些現代PC機電源中作為「磁放大器」重新出現，提供額外的調節。但最終，這些奇怪的方法大多讓位於開關電源。

開關電源背後的原理早在20世紀30年代就為電氣工程師所知，但這種技術在真空管時代的應用有限。當時，某些電源中使用了稱為閘流管的特殊含汞管，這些電源可被視為原始的低頻開關穩壓器。例子包括20世紀40年代的REC-30電傳打字機電源以及1954年IBM 704計算機中使用的電源。然而，隨著20世紀50年代功率晶體管的引入，開關電源迅速改善。Pioneer Magnetics公司於1958年開始構建開關電源。通用電氣公司於1959年發布了晶體管開關電源的早期設計。

20世紀60年代，美國宇航局和航天工業為開關電源的發展提供了主要動力，因為在航天應用中，體積小、效率高的優勢超過了高成本。例如，1962年的Telstar衛星（第一顆傳輸電視圖像的衛星）和Minuteman導彈都使用了開關電源。10年之後，成本降低了，開關電源被設計成銷售給公眾的產品。例如，在1966年，Tektronix公司在攜帶型示波器中使用了開關電源，使它能夠使用電源電流或電池。

隨著電源製造商開始向其他公司出售開關電源，這一趨勢加快了。1967年，RO Associates推出了第一款20kHz的開關電源產品，據稱這是第一款商用成功的開關電源。日本電子存儲工業株式會社於1970年開始在日本開發標準化開關電源。到1972年，大多數電源製造商都在銷售開關電源或即將提供開關電源。

大約在這個時候，計算機行業開始使用開關電源。早期的例子包括1969年的數字設備公司的PDP-11/20微型計算機和1971年的惠普公司的2100A微型計算機。1971年的一份行業刊物指出，使用開關穩壓器的公司讀起來就像是計算機行業的「名人堂」：例如，IBM、霍尼韋爾、Univac、DEC、Burroughs和RCA等。1974年，使用開關電源的小型計算機包括數據通用公司的Nova 2/4、德州儀器公司的960B，以及Interdata公司的系統。1975年，開關電源用於HP2640A顯示終端、IBM的類似打字機的SElectric Composer，以及IBM5100攜帶型計算機。到1976年，Data General在其一半系統中使用了開關電源，而惠普則將其用於更小的系統，如9825A台式電腦和9815A計算器。同時，開關電源也出現在家庭中，1973年開始為成為一些彩色電視機的電源。

開關電源廣泛出現在那個時代的電子雜誌上，無論是廣告還是文章。早在1964年，《電子設計》就推薦使用開關電源以提高效率。1971年10月的《電子世界》封面展示了一個500瓦的開關電源和一篇題為「開關穩壓器電源」的文章。1972年，《計算機設計》詳細討論了開關電源以及此類電源在計算機中的日益普及，不過它也提到，一些公司仍然持懷疑態度。1976年，《電子設計》的封面上寫道，「開關突然變得更容易了」，描述了一種新型開關電源控制器IC。《電子學》雜誌就這個問題發表了一篇很長的文章；《電源技術》針對其開關電源的優勢發布了兩頁廣告，其標語為「大變革是轉向開關電源」；《位元組》則宣布了一家名為Boschert的公司開始為微型計算機提供開關電源。

Robert Boschert於1970年辭去工作，開始在自家廚房的餐桌上製造電源，他是這項技術的關鍵開發者之一。他專註於簡化這些設計，使其與線性電源相比具有成本競爭力，到1974年，他開始批量生產用於印表機的低成本電源，1976年又生產了一種低成本的80瓦開關電源。1977年，Boschert 已發展成為一家擁有650名員工的公司。它為衛星和格魯曼F-14戰鬥機製造電源，後來為惠普和太陽等公司生產計算機電源。

20世紀60年代末和70年代初，固態產品公司（SSPI）、西門子愛迪生斯旺公司（SES）和摩托羅拉等公司引入了低成本的高壓高速晶體管，將開關電源推向主流。更快的晶體管開關速度提高了效率，因為在這種晶體管中，熱量主要是在導通和截止狀態之間轉換時耗散的，器件開關越快，浪費的能量就越少。

晶體管速度在當時突飛猛進。的確，晶體管技術發展得如此之快，以至於《電子世界》的編輯在1971年稱，封面上的500瓦電源不可能是用18個月前才有的晶體管製造的。

另一個顯著的進步發生在1976年，當時Silicon General Semiconductors的聯合創始人Robert Mammano推出了第一款用於控制開關電源的IC，專為電子電傳打字機設計。HisSG1524控制器IC極大地簡化了這些電源的設計，降低了成本，引發了銷量的飆升。

到了1974年，差不多一兩年的時間，任何對電子行業稍有了解的人都清楚，電源設計領域正在發生一場真正的革命。

照片：Ted Thai / LIFE圖片集/ Getty Images

領導者和追隨者：1981年，史蒂夫·喬布斯展示了一台Apple II PC機。蘋果II於1977年首次推出，受益於整個行業從笨重的線性電源轉向小型、高效的開關電源設計。但正如喬布斯後來所說，Apple II並沒有引發這種轉變。

Apple II PC機於1977年推出。它的特點之一是緊湊的無風扇開關電源，提供5V、12V、-5V和-12V電壓，功率38 W。它使用Holt的簡單設計，一種稱為離線反激式轉換器拓撲的開關電源。喬布斯聲稱現在每台電腦都剽竊了霍爾特的革命性設計。但是這個設計在1977年真的是革命性的嗎？它是否被其他所有電腦製造商複製了？

事實並非如此。當時Boschert和其他公司也在銷售類似的離線反激式轉換器。Holt獲得了幾個特定功能的專利，但這些功能從未被廣泛使用。而且，像Apple II那樣用分立元件構建控制電路被證明是技術上的死胡同。開關電源的未來屬於專用控制器IC。

如果說有一種微型計算機對電源設計產生了持久的影響，那就是1981年推出的IBM PC機。那時，僅僅在Apple II推出四年後，電源技術發生了巨大的變化。雖然這兩款早期的PC機都使用了帶有多個輸出的離線反激電源，但它們的共同點只有這些。它們的驅動、控制、反饋和調節電路都是不同的。儘管IBM的PC機電源使用了IC控制器，但它包含的組件大約是Apple II電源的兩倍。這些額外的組件對輸出提供額外的調節，並在所有四個電壓都正確時發出「電源正常」的信號。

1984年，IBM發布了一款升級版的個人電腦，名為 IBM Personal Computer AT。它的電源採用了多種新的電路設計，完全拋棄了早期的反激拓撲結構。它很快成為事實上的標準，並一直保持到1995年，當時英特爾推出了ATX外形規格，其中定義了ATX電源，它直到今天仍然是標準。

儘管出現了ATX標準，但隨著1995年Pentium Pro的問世，計算機電源系統變得更加複雜。Pentium Pro是一種微處理器，它需要比ATX電源直接提供的電壓更低，電流更大。為了提供這種電源，英特爾推出了電壓調節模塊（VRM），即安裝在處理器旁邊的DC-DC開關穩壓器。它將電源中的5V降低為處理器使用的3V。許多計算機中的顯卡也包含VRM，用於驅動它們所包含的高性能顯卡晶元。

如今，快速處理器可能需要高達130W的VRM，遠遠超過Apple II 6502處理器使用的0.5W功率。事實上，單是一個現代處理器晶元就可以消耗整個Apple II計算機3倍以上的電能。

計算機日益增長的功耗已成為環境問題的一個原因，導致了一些旨在提高電源效率的舉措和法規。在美國，政府的能源之星和行業領先的80多個認證推動製造商生產更多的「綠色」電源。他們已經能夠使用各種技術做到這一點：更高效的備用電源，更高效的啟動電路，減少開關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關二極體的「有源鉗位」電路。在過去的十年中，功率MOSFET晶體管和高壓硅整流技術的改進也帶來了效率的提高。

開關電源技術在其他方面也在不斷發展。今天，許多電源不再使用模擬電路，而是使用數字晶元和軟體演算法來控制它們的輸出。電源控制器的設計不僅是硬體設計的問題，也是編程的問題。數字電源管理允許電源與系統的其餘部分進行通信，以獲得更高的效率和記錄。雖然這些數字技術現在很大程度上是為伺服器保留的，但它們正開始影響台式計算機的設計。

很難將這段歷史與喬布斯所說的「Holt應該更出名」，「Rod在歷史書中並沒有因此獲得很多讚譽，但他應該得到」相提並論。即使是最優秀的電源設計師也不會在一個小圈子之外為人所知。2009年，《電子設計》的編輯歡迎Boschert進入他們的工程名人堂。Robert Mammano在2005年獲得了《電力電子技術》的編輯頒發的終身成就獎。Rudy Severns因其在開關電源領域的創新而在2008年獲得了另一項終身成就獎。但這些電源設計領域的傑出人物甚至都不是維基百科上的名人。

喬布斯多次強調Holt被忽視了，這導致Holt的作品出現在數十篇有關蘋果的熱門文章和書籍中，從1982年Paul Ciotti在《加州雜誌》上發表的《書獃子的復仇》（Revenge of the Nerds），到2011年艾薩克森為喬布斯寫的最暢銷的《喬布斯傳》，不一而足。因此，具有諷刺意味的是，儘管Rod Holt在Apple II上的工作絕不是革命性的，但他可能已經成為了有史以來最著名的電源設計師。

本文發表在2019年8月的印刷版上，題為《計算機電源的悄然改造》

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