Как полвека назад Стив Джобс произвел революцию в компьютерных блоках питания


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.



img

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.

Похожее изображение
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.
28

Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий

Мы в соцсетях

Комментарии

cuantro
+621
Жизнь слишком коротка, чтобы читать такие длинные тексты)
2 сентября 2019 в 16:18
#
Ян Леонович
+3326
Но достаточно продолжительна, чтобы писать под ними такие бессмысленные комментарии?
2 сентября 2019 в 17:09
#
–7
Импульсные БП существовали Гораздо раньше.
Но чиркануть про 'гениальность' Джобса периодически то надо, правда?
2 сентября 2019 в 19:36
#
+1764
Пользователь удален Kembrik
Рекомендую все-таки читать статьи перед написанием комментариев)
2 сентября 2019 в 20:04
#
kardigan
+3632
С каких пор менеджер произвёл революцию?
Это ведь был инженер.. как его там.., а Джобс лишь поторапливал его.
Таких революционеров и сейчас пруд пруди.
3 сентября 2019 в 09:44
#
Ян Леонович
+3326
Найдите инженеров, задайте им направление работы, скоординируйте работу для достижения революционного результата, сделайте продукт популярным настолько, что конкуренты будут вынуждены копировать данное техническое решение, хотя раньше не обращали на него внимание — вот это и будет то самое «пруд пруди».
В противном случае вы путаете шахматистов и мастеров-краснодеревщиков, вырезающих красивые шахматные фигуры.
3 сентября 2019 в 11:21
#
Максим
0
Революцию в компьютерных блоках питания... ) Забавно звучит. Подобную несусветную чушь в таком количестве печатать, будто компьютер и компания Стива Джопса являлась первой в сфере электроники и все электронные компоненты разрабатывались непосредственно для PC. У БП долгий путь, это эволюционный путь и трудов многих физиков и инженеров. Стив и Ко, просто позаимствовали готовые технологические решения, они ничего не разрабатывали в плане питания от слова вообще. Конечно если говорить о коробочек в которую упоковали БП то я согласен, Стив в этом молодец, он велик! Импульсные ПБ существуют с 40х годов!!! Как и применение Тиристоров в качестве питания в 60 — 70 годы, даже в СССР... ну извините право, стыдно должно быть за незнание собственной истории развития электроники.
24 сентября 2019 в 21:53
#