Рентгеновский снимок блока питания компьютера Apple II.
Блоки питания не пользуются большим уважением у обычных пользователей. Многие знают, какой процессор находится в их компьютере и сколько в нем физической памяти, но, скорее всего, они ничего не скажут вам о блоке питания в нем. В этом нет ничего удивительного — даже производители зачастую думают об источнике питания в последнюю очередь.
И это позор, потому что потребовалось немало усилий для создания блоков питания, которые вы сейчас можете найти в персональных компьютерах, и они представляют собой значительное улучшение по сравнению со схемами, которые питали бытовую электронику вплоть до конца 1970-х годов. Этот прорыв стал результатом серьезных успехов, достигнутых в области полупроводниковых технологий полвека назад. И все же эта революция практически незнакома широкой публике.
И вы, наверное, удивитесь, но одним из ярых «революционеров» был Стив Джобс. По словам его биографа, Уолтера Айзексона, Джобс имел серьезные требования к блоку питания компьютера Apple II, которые смог воплотить в жизнь конструктор Род Холт:
Вместо обычного линейного источника питания Холт построил такой, который используется в осциллографах. Он включал и выключал питание не шестьдесят раз в секунду, а тысячи раз; это позволило ему хранить энергию гораздо меньшее время и, следовательно, выделять меньше тепла. «Этот импульсный источник питания был таким же революционным, как и логическая плата Apple II», — сказал позже Джобс. «Род не попал за это в учебники истории, хотя должен был. Каждый компьютер теперь использует импульсный источник питания, и все они сдирают дизайн Рода Холта».Однако версия событий, описанная основателем Apple, была, в общем и целом, в корне неверной. Революция произошла между концом 1960-х и серединой 1970-х годов, когда импульсные блоки питания пришли на смену простым, но неэффективным линейным источникам питания. Apple II, представленный в 1977 году, выиграл от этой революции, но отнюдь не спровоцировал ее.
Это исправление к версии событий Джобса — далеко не мелочь. Сегодня импульсные источники питания используются повсеместно, с их помощью мы заряжаем наши смартфоны, планшеты, ноутбуки, фотоаппараты и даже некоторые автомобили. Они питают часы, радио, домашние аудиоусилители и другие мелкие приборы. Инженеры, которые действительно вызвали эту революцию, заслуживают уважения. И это довольно интересная история.
Блок питания настольного компьютера, такого как Apple II, преобразует переменное напряжение из сети в постоянное, обеспечивая высокостабильное питание всей системы. Блоки питания могут работать по различным схемам, но наиболее распространенными являются линейные и импульсные конструкции.
Типичный линейный источник питания использует громоздкий трансформатор для понижения относительного высокого переменного напряжения из сети, которое затем преобразуется в низковольтное постоянное напряжение с использованием четырех диодов, подключенных по классической мостовой конфигурации. Большие электролитические конденсаторы используются для сглаживания выходного сигнала диодного моста. В компьютерных источниках питания используется схема, называемая линейным регулятором, которая снижает постоянное напряжение до требуемого уровня и удерживает его, даже если нагрузка меняется.
Линейные источники питания максимально просты для проектирования и сборки. И они используют недорогие низковольтные полупроводниковые элементы. Но у них есть два основных недостатка. Первый — это большие конденсаторы и здоровенный трансформатор, которые нереально упаковать во что-то столь же маленькое, легкое и удобное, как зарядное устройство, которое мы используем со своим смартфоном и планшетом.
Второй — это линейный регулятор, основанный на транзисторах, который превращает все, что выше назначенного выходного напряжения, в тепло. Таким образом, такие источники питания обычно выделяют более половины потребляемой ими энергии в виде тепла. И они часто требуют больших металлических радиаторов или вентиляторов, чтобы избавиться от него.
В прошлом в небольших электронных устройствах обычно использовались громоздкие настенные трансформаторы, которые пренебрежительно называли «настенными бородавками». В начале XXI века технологические усовершенствования сделали возможными компактные импульсные источники питания для небольших устройств. А после того, как упала цена на AC/DC-преобразователи, они быстро заменили собой громоздкие настенные трансформаторы в большинстве бытовых устройств.
Apple превратила блок питания в высококлассный девайс, представив элегантное зарядное устройство для iPod в 2001 году с компактным IC-контроллером внутри [слева]. Зарядные USB-устройства вскоре стали повсеместными, а ультракомпактный зарядник для iPhone, выпущенный в 2008 году, стал одним из самых популярных во всем мире [справа].
Последняя тенденция в высокопроизводительных зарядных устройствах этого типа заключается в использовании полупроводников на основе нитрида галлия (GaN), которые способны переключаться быстрее, чем кремниевые транзисторы, и, таким образом, более эффективны. Также популяризация технологии производства импульсных БП серьезно снизила цены, и теперь самые дешевые USB-зарядники продаются менее чем за доллар, хотя и за счет плохого качества питания и отсутствующих функций безопасности.
Импульсный источник питания работает по другому принципу: в нем переменное напряжение выпрямляется при помощи диодного моста и сглаживается с помощью емкого конденсатора. Далее напряжение снова преобразуется в переменное высокочастотное (сотни килогерц) с помощью инвертора и подается на первичную обмотку трансформатора, после чего, уже пониженное, снимается со вторичной, снова выпрямляется и подается на выходы блока питания. Высокие частоты позволяют использовать намного меньшие и более легкие трансформаторы и конденсаторы. Поскольку такие БП не нуждаются в линейных регуляторах, они расходуют мало энергии: обычно их КПД составляет 80-90%, из-за чего они выделяют очень мало тепла.
Однако импульсный источник питания устроен значительно сложнее, чем линейный, и, следовательно, его сложнее проектировать. Кроме того, он намного более требователен к компонентам и нуждается в высоковольтных силовых транзисторах, которые могут эффективно включаться и выключаться на высокой скорости.
К слову, некоторые компьютеры использовали источники питания, которые не являются ни линейными, ни импульсными. Грубым, но эффективным методом было использование обычного электродвигателя, который соединялся с валом электрогенератора — последний и создавал желаемое выходное напряжение. Мотор-генераторы использовались в течение десятилетий, по крайней мере, начиная с эпохи перфокарт в вычислительных машинах IBM 30-х годов и вплоть до 1970-х годов в суперкомпьютерах Cray.
Принципы, лежащие в основе импульсного источника питания, были известны инженерам-электрикам еще с 1930-х годов, но эта техника нашла лишь ограниченное применение в эпоху вакуумных ламп. В некоторых источниках питания того времени использовались специальные ртутьсодержащие трубки, называемые тиратронами, которые можно было считать примитивными низкочастотными импульсными регуляторами.
В качестве примеров можно привести блок питания телетайпа REC-30 1940-х годов и блок питания, использовавшийся в компьютере IBM 704 с 1954 года. Однако с появлением силовых транзисторов в 1950-х годах импульсные источники питания быстро улучшились. Pioneer Magnetics начала использовать их в 1958 году, а General Electric опубликовал ранний проект транзисторного импульсного источника питания в 1959 году.
Источник питания компьютера IBM 704.
На протяжении 1960-х годов НАСА и аэрокосмическая отрасль обеспечивали основную движущую силу по разработке импульсных источников питания, поскольку для аэрокосмических применений преимущества небольшого размера и высокой эффективности превосходили немалую их стоимость. Например, в 1962 году Telstar (первый в мире спутник для передачи телевизионных изображений) и ракета Minuteman оба использовали импульсные источники питания. Шли годы, стоимость снижалась, а доступность для простых людей, наоборот, росла. Например, в 1966 году компания Tektronix использовала импульсный блок питания в портативном осциллографе, который позволял ему работать как от сети, так и от батарей.
Эта тенденция ускорилась, поскольку производители блоков питания начали продавать свои импульсные решения другим компаниям. В 1967 году RO Associates представила первый 20-килогерцовый импульсный источник питания, который, по их утверждениям, стал первым коммерчески успешным блоком питания такого типа. Компания Nippon Electronic Memory Industry Co. начала разработку стандартизированных импульсных источников питания в Японии в 1970 году. К 1972 году большинство производителей блоков питания уже имели в ассортименте такие устройства.
Примерно в это же время компьютерная индустрия начала использовать импульсные источники питания. Первыми стали миникомпьютеры Digital Equipment PDP-11/20 в 1969 году и Hewlett-Packard 2100A в 1971. К середине 70-ых они использовались в компьютерах таких компаний, как HP, IBM, Univac, DEC, RCA и многих других, и даже добрались до цветных телевизоров.
Импульсные источники питания широко освещались в компьютерных журналах той эпохи, как в рекламе, так и в статьях. Еще в 1964 году компания Electronic Design рекомендовала использовать импульсные блоки питания для повышения энергоэффективности. В октябре 1971 года на обложке журнала «Мир электроники» были показаны 500-ваттные импульсные источники питания, а к середине 70-ых публикаций на эту тему был уже не один десяток.
Одним из ключевых разработчиков был Роберт Бошерт, который в 1970 году уволился с работы и начал проектировать импульсные источники питания буквально на своем кухонном столе. Он сосредоточился на упрощении их конструкции, чтобы сделать их конкурентоспособными по стоимости с линейными блоками питания, и к 1974 году он массово производил недорогие блоки питания для принтеров, за которыми последовал дешевый импульсный блок питания мощностью 80 Вт в 1976 году. К 1977 году в Boschert Inc. работало уже 650 человек. Он делал источники питания для спутников и истребителей Grumman F-14, а затем стал производить компьютерные блоки питания для таких компаний, как HP и Sun.
Массовое производство дешевых высоковольтных высокоскоростных транзисторов в конце 1960-х и начале 1970-х годов такими компаниями, как Solid State Products Inc., Siemens Edison Swan и Motorola, также помогло популяризировать импульсные блоки питания. Чем выше скорость переключения транзистора, тем выше его эффективность, потому что тепло в нем рассеивается в основном во время его переключения между состояниями включения и выключения, и чем быстрее он может выполнить этот переход, тем меньше энергии он преобразует в тепло.
Скорости переключения транзисторов тогда росли как на дрожжах. Транзисторные технологии развивалась настолько быстро, что в 1971 году редакторы журнала «Мир электроники» заявили, что блок питания мощностью 500 Вт, показанный на его обложке, просто не мог быть построен с использованием транзисторов, доступных всего лишь 18 месяцами ранее.
Еще один заметный прогресс произошел в 1976 году, когда Роберт Маммано, один из основателей Silicon General Semiconductors, представил первую интегральную схему для управления импульсным источником питания, разработанную для электронного телетайпа. Его контроллер SG1524 значительно упростил конструкцию и снизил расходы, что привело к росту продаж.
В итоге к плюс-минус 1974 году всем, кто хоть немного разбирался в электронной промышленности, было ясно, что происходит настоящая революция в разработке источников питания.
Блок питания компьютера Apple II.
Персональный компьютер Apple II был представлен в 1977 году. Одной из его особенностей стал компактный безвентиляторный импульсный источник питания, выдающий суммарно 38 Вт по линиям 5, 12, –5 и –12 вольт. Он использовал простую конструкцию Холта, известную как топологию автономного преобразователя с обратной связью. Джобс утверждал, что теперь каждый компьютер использует революционную технологию Холта. Но был ли этот дизайн действительно революционным в 1977 году? И был ли он скопирован другими производителями компьютеров?
Нет и нет. Подобные автономные преобразователи с обратной связью продавались в то время Boschert и другими компаниями. Холт получил патент на несколько специфических особенностей своего блока питания, но они так и не получили широкого распространения. А построение схемы управления из дискретных компонентов, как это было сделано в Apple II, вообще оказалось технологическим тупиком. Будущее импульсных источников питания принадлежало специализированным IC-контроллерам.
Если и есть компьютер, который оказал серьезное влияние на конструкцию блоков питания, то это был IBM PC, выпущенный в 1981 году. К тому времени, всего через четыре года после выхода Apple II, технологии создания блоков питания серьезно изменились. Хотя оба этих ранних персональных компьютера использовали блоки питания с автономным преобразователем с обратной связью, это почти все, что у них было общего.
К примеру, в блоке питания IBM PC использовался IC-контроллер, который содержал примерно в два раза больше компонентов, чем аналогичный в блоке питания Apple II. Эти дополнительные компоненты обеспечивали дополнительное регулирование на выходе и сигнал «исправная мощность», когда все четыре напряжения были правильными.
В 1984 году IBM выпустила значительно обновленную версию своего персонального компьютера под названием IBM Personal Computer AT. В его источнике питания использовалось множество новых схем и произошел полный отказ от более ранней топологии обратной связи. Он быстро стал стандартом де-факто и оставался таковым до 1995 года, когда Intel представила спецификации форм-фактора ATX, определившие, помимо прочего, основные характеристики источника питания ATX, который до сих пор остается стандартом.
Несмотря на появление стандарта ATX, компьютерные системы электропитания стали более сложными в том же 1995 году с появлением процессора Pentium Pro, который требовал более низкого напряжения при более высоком токе, чем мог дать источник питания ATX напрямую. Чтобы обеспечить требуемое питание, Intel представила модуль регулятора напряжения (VRM) — импульсный стабилизатор постоянного тока, устанавливаемый рядом с процессором. Он уменьшал 5 В от источника питания до 3 В, используемых CPU. Видеокарты также содержат VRM для питания высокопроизводительных графических чипов, которым требуется порядка 1 В вместо входящих 12.
Типичный ATX-блок питания внутри.
В наши дни быстрые домашние процессоры могут требовать до 150 Вт от VRM — значительно больше, чем лишь половина ватта мощности, используемая процессором MOS Technology 6502 в Apple II. Действительно, один только современный процессор может потреблять в три раза больше энергии, чем весь компьютер Apple II.
Растущее энергопотребление компьютеров стало причиной озабоченности по поводу окружающей среды, что привело к инициативам и нормативным актам, направленным на повышение эффективности источников питания. В Соединенных Штатах правительственная компания Energy Star и отраслевые сертификаты 80 Plus подтолкнули производителей к производству более «зеленых» источников питания.
Они смогли сделать это, используя различные методы: более эффективные компоненты и схемы запуска, резонансные схемы, которые уменьшают потерю мощности при переключении транзисторов, а также схемы APFC (компенсации реактивной мощности), улучшающие КПД и позволяющие блоку питания работать более стабильно. Появление MOSFET и высоковольтных выпрямителей в последнее десятилетие также привело к повышению эффективности, которая у лучших источников питания на данный момент составляет 95%.
Технологии проектирования импульсных источников питания продолжают развиваться и в других направлениях. Сегодня вместо аналоговых схем используются цифровые микросхемы и программные алгоритмы для управления выходным напряжением. Проектирование контроллеров источника питания стало такой же задачей программирования, как и разработка аппаратного обеспечения. Цифровое управление питанием позволяет БП обмениваться данными с остальной системой для повышения эффективности и учета потраченной энергии. И хотя эти цифровые технологии в основном заточены под сервера, они уже начинают использоваться в источниках питания для настольных компьютеров.
Трудно сопоставить эту историю с утверждением Джобса о том, что Холт должен был «попасть в учебники истории». Даже самые лучшие разработчики источников питания редко становятся известным за пределами этого крошечного сообщества. Так, в 2009 году редакторы Electronic Design ввели Бошерта в свой Зал инженерной славы. Роберт Маммано получил награду за свои достижения в 2005 году от редакторов Power Electronics Technology. При этом ни один из этих светил в разработке блоков питания не известен даже Википедии.
Часто повторяемое утверждение Джобса о том, что Холта упустили из виду, привело к тому, что работа последнего была описана в десятках популярных статей и книг об Apple, даже в самой продаваемой биографии основателя Apple, написанной Айзексоном в 2011 году. Так что Род Холт, вероятно, стал самым известным разработчиком блоков питания, хотя не сделал ничего революционного.
