Apple a beneficiat, deși nu a declanșat această revoluție, așa cum a susținut Steve Jobs

Surse de alimentare pentru computer nu primi prea mult respect.

secol

În calitate de pasionat de tehnologie, probabil că știți ce microprocesor este în computerul dvs. și câtă memorie fizică are, dar șansele sunt că nu știți nimic despre sursa de alimentare. Nu vă simțiți rău - chiar și pentru producători, proiectarea sursei de alimentare este o idee ulterioară.

Este o rușine, deoarece a fost nevoie de un efort considerabil pentru a crea sursele de alimentare găsite în computerele personale, care reprezintă o îmbunătățire imensă față de circuitele care alimentau alte tipuri de electronice de consum până la sfârșitul anilor 1970. Această descoperire a rezultat din progresele uriașe realizate în tehnologia semiconductoarelor cu o jumătate de secol în urmă, în special îmbunătățirile în comutarea tranzistoarelor și inovațiile în circuite integrate. Și totuși, este o revoluție care este complet nerecunoscută de publicul larg și chiar de mulți oameni familiarizați cu istoria microcomputerelor.

Cu toate acestea, sursele de alimentare nu sunt lipsite de campioni înfocați, inclusiv unul care te-ar putea surprinde: Steve Jobs. Potrivit biografului său autorizat, Walter Isaacson, Jobs a avut sentimente puternice cu privire la alimentarea cu energie a computerului personal pionier Apple II și a designerului său, Rod Holt. Afirmația lui Jobs, așa cum a raportat Isaacson, este următoarea:

Afirmația lui Jobs este una mare și nu mi-a venit bine, așa că am făcut unele investigații. Am descoperit că, deși sursele de alimentare cu comutare au fost revoluționare, revoluția a avut loc între sfârșitul anilor 1960 și mijlocul anilor 1970, deoarece sursele de alimentare cu comutare au preluat de la surse de alimentare liniare simple, dar ineficiente. Apple II, introdus în 1977, a beneficiat de această revoluție, dar nu a instigat-o.

Această corecție a versiunii de evenimente a lui Jobs este mult mai mult decât o trivia de inginerie. Astăzi, sursele de alimentare cu comutare sunt un pilon omniprezent, pe care îl folosim zilnic pentru a încărca smartphone-urile, tabletele, laptopurile, camerele și chiar unele dintre mașinile noastre. Alimentează ceasurile, aparatele de radio, amplificatoarele audio de acasă și alte aparate mici. Inginerii care au promovat de fapt această revoluție merită să fie recunoscuți. Și este și o poveste destul de bună.

Sursa de alimentare într-un computer desktop ca Apple II convertește tensiunea de curent alternativ în curent continuu, oferind tensiuni foarte stabile pentru alimentarea sistemului. Sursele de alimentare pot fi construite într-o varietate de moduri, dar modelele liniare și de comutare sunt cele mai comune.

O sursă de alimentare liniară tipică folosește un transformator voluminos pentru a converti AC de înaltă tensiune relativ de la liniile de alimentare în AC de joasă tensiune, care este apoi transformat în DC de joasă tensiune folosind diode, de obicei patru dintre ele cablate în configurația clasică de pod. Condensatorii electrolitici mari sunt utilizați pentru a netezi ieșirea podului diodă. Sursele de alimentare ale computerului utilizează un circuit numit regulator liniar, care reduce tensiunea de curent continuu la nivelul dorit și îl menține fixat chiar dacă sarcina variază

Sursele de alimentare liniare sunt aproape banale pentru proiectare și construire. Și folosesc semiconductori de joasă tensiune ieftini. Dar au două dezavantaje majore. Unul este condensatorul mare și transformatorul puternic necesar, care nu ar putea fi niciodată împachetat în nimic atât de mic, ușor și convenabil precum încărcătoarele pe care le folosim cu toții acum cu smartphone-urile și tabletele noastre. Celălalt este regulatorul liniar, un circuit bazat pe tranzistori, care convertește excesul de tensiune continuă - orice depășește tensiunea de ieșire desemnată - în căldură reziduală. Astfel, astfel de surse de alimentare risipesc de obicei mai mult de jumătate din puterea pe care o consumă. Și adesea necesită chiuvete metalice mari sau ventilatoare pentru a scăpa de toată căldura respectivă.

Negii și toate

În trecut, dispozitivele electronice mici foloseau de obicei transformatoare de perete voluminoase, denumite în mod disprețuitor „negii de perete”. În jurul secolului al XXI-lea, îmbunătățirile tehnologice au făcut ca consumabilele de comutare compacte și de mică putere să fie practice pentru dispozitivele mici. Odată cu scăderea prețului de comutare a adaptoarelor AC/DC, acestea au înlocuit rapid transformatoarele de perete voluminoase pentru majoritatea dispozitivelor de uz casnic.

Apple a transformat încărcătorul într-un obiect extrem de proiectat, introducând în 2001 un încărcător elegant pentru iPod, cu o sursă de alimentare flyback compactă controlată de IC în interiorul [stânga]. Încărcătoarele USB au devenit în curând omniprezente, încărcătorul ultracompact inch-cub de la Apple (introdus în 2008) devenind iconic [dreapta].

Cea mai recentă tendință în ceea ce privește încărcătoarele de acest tip este utilizarea semiconductoarelor de nitrură de galiu (GaN), care sunt capabile să comute mai repede decât tranzistoarele de siliciu și să fie astfel mai eficiente. Împingând tehnologia în cealaltă direcție, cele mai ieftine încărcătoare USB sunt acum vândute cu mai puțin de un dolar, deși cu prețul unei calități slabe a energiei și a caracteristicilor de siguranță lipsă. —K.S.

O sursă de alimentare de comutare funcționează pe un principiu diferit: într-o sursă de alimentare de comutare tipică, intrarea liniei de curent alternativ este convertită în curent continuu de înaltă tensiune, care este pornit și oprit de zeci de mii de ori pe secundă. Frecvențele înalte utilizate permit utilizarea transformatoarelor mult mai mici și mai ușoare și a condensatoarelor mai mici. Un circuit special crește precis comutarea pentru a controla tensiunea de ieșire. Deoarece nu au nevoie de regulatoare liniare, astfel de consumabile risipesc puțină energie: sunt de obicei eficiente între 80 și 90% și, prin urmare, degajă mult mai puțină căldură.

Cu toate acestea, o sursă de comutare este mult mai complexă decât o sursă de alimentare liniară și, prin urmare, este mai dificil de proiectat. În plus, este mult mai solicitant în ceea ce privește componentele, necesitând tranzistoare de putere de înaltă tensiune care se pot porni și opri eficient la viteză mare.

Ca o notă laterală, ar trebui să menționez că unele computere au folosit surse de alimentare care nu sunt nici liniare, nici comutatoare. O tehnică brută, dar eficientă, a fost aceea de a porni un motor de la puterea liniei și de a folosi acel motor pentru a acționa un generator care creează tensiunea de ieșire dorită. Unitățile generatoare de motoare au fost folosite de zeci de ani, cel puțin încă de pe vremea mașinilor de perforat carduri IBM din anii 1930 și continuând până în anii 1970 pentru lucruri precum supercomputere Cray.

O altă opțiune, populară din anii 1950 până în anii 1980, a fost utilizarea transformatoarelor ferorezonante, un tip special de transformator care asigură o ieșire constantă de tensiune. De asemenea, în anii 1950, reactorul saturabil, un inductor controlabil, a fost utilizat pentru reglarea alimentării cu energie a computerelor cu tuburi vidate. A reapărut [PDF] ca „amplificator magnetic” în unele surse moderne de alimentare pentru PC, oferind o reglementare suplimentară. Dar, în cele din urmă, aceste abordări ciudate au cedat în mare măsură comutării surselor de alimentare.

Principiile din spatele sursa de comutare a fost cunoscută de inginerii electrici încă din anii 1930, dar această tehnică a găsit o utilizare limitată în epoca tuburilor de vid. Tuburi speciale care conțin mercur, numite tiratroni, au fost utilizate în unele surse de alimentare ale timpului care ar putea fi considerate regulatoare de comutare primitive, de joasă frecvență. Exemplele includ sursa de alimentare REC-30 Teletype din anii 1940 și sursa utilizată în computerul IBM 704 din 1954. Cu introducerea tranzistoarelor de putere în anii 1950, totuși, sursele de alimentare de comutare s-au îmbunătățit rapid. Pioneer Magnetics a început să construiască surse de alimentare cu comutare în 1958. Și General Electric a publicat un proiect timpuriu pentru o sursă de alimentare cu comutare tranzistorizată în 1959.

Prin anii 1960, NASA și industria aerospațială au constituit principala forță motrice din spatele dezvoltării surselor de alimentare de comutare, deoarece pentru aplicațiile aerospațiale, avantajele dimensiunilor mici și ale eficienței ridicate au depășit costul ridicat. De exemplu, în 1962, satelitul Telstar (primul satelit care a transmis imagini de televiziune) și racheta Minuteman au folosit ambele surse de alimentare de comutare. Pe măsură ce deceniul a continuat, costurile au scăzut și schimbarea consumabilelor a fost concepută în lucruri vândute publicului. În 1966, de exemplu, Tektronix a folosit o sursă de comutare într-un osciloscop portabil, permițându-i să curgă curentul de rețea sau bateriile.

Această tendință s-a accelerat pe măsură ce producătorii de surse de energie au început să vândă unități de comutare către alte companii. În 1967, RO Associates a introdus primul produs de alimentare cu energie electrică de 20 kilohertz, despre care a afirmat că a fost primul exemplu de succes comercial al unei surse de alimentare de comutare. Nippon Electronic Memory Industry Co. a început să dezvolte surse de alimentare cu comutare standardizate în Japonia în 1970. Până în 1972, majoritatea producătorilor de surse de alimentare vândeau consumabile sau erau pe cale să le ofere.

În această perioadă industria computerelor a început să utilizeze surse de alimentare cu comutare. Printre primele exemple se numără minicomputerul PDP-11/20 al echipamentului digital în 1969 și minicomputerul Hewlett-Packard 2100A în 1971. O publicație din 1971 a declarat că companiile care utilizează regulatoare de comutare „citesc ca„ Cine este cine ”din industria calculatoarelor: IBM, Honeywell, Univac, DEC, Burroughs și RCA, pentru a numi câteva. ” În 1974, minicomputerele care foloseau surse de alimentare cu comutare includeau Data General’s Nova 2/4, Texas Instruments ’960B și sisteme de la Interdata. În 1975, sursele de alimentare de comutare au fost folosite în terminalul de afișare HP2640A, Selectric Composer de tipul mașinii de scris IBM și computerul portabil IBM 5100. Până în 1976, Data General folosea surse de comutare în jumătate din sistemele sale, iar HP le folosea pentru sisteme mai mici, cum ar fi calculatorul de birou 9825A și calculatorul 9815A. În casă au apărut și surse de comutare, alimentând unele televizoare color până în 1973.

Sursele de alimentare cu comutare au fost prezentate pe scară largă în revistele electronice din această epocă, atât în ​​reclame, cât și în articole. Încă din 1964, Electronic Design a recomandat comutarea surselor de alimentare pentru o eficiență mai bună. Coperta din Electronics World din octombrie 1971 conținea o sursă de alimentare cu comutare de 500 de wați și un articol intitulat „Alimentarea cu regulator de comutare”. Computer Design în 1972 a discutat în detaliu comutarea surselor de alimentare și prevalența crescândă a acestor consumabile în computere, deși a menționat că unele companii erau încă sceptice. În 1976, o copertă a designului electronic a anunțat „Brusc este mai ușor să comutați”, descriind noile circuite integrate ale controlerului de alimentare cu energie electrică. Electronics a publicat un articol lung pe această temă; Powertec a difuzat anunțuri de două pagini cu privire la avantajele surselor sale de alimentare cu comutator, cu cuvântul slogan „Marele comutator este pentru comutatoare”; și Byte a anunțat surse de alimentare pentru microcomputatoare de la o companie numită Boschert.

Robert Boschert, care a renunțat la slujbă și a început să construiască surse de alimentare pe masa de bucătărie în 1970, a fost un dezvoltator cheie al acestei tehnologii. El s-a concentrat pe simplificarea acestor modele pentru a le face competitive cu sursele de alimentare liniare și, până în 1974, producea în volum o sursă de alimentare cu preț redus pentru imprimante, care a fost urmată de o sursă de alimentare cu comutare de 80 W în 1976. 1977, Boschert Inc. ajunsese la o companie de 650 de persoane. A realizat surse de alimentare pentru sateliți și avioane de vânătoare Grumman F-14, producând ulterior surse de alimentare pentru computere pentru companii precum HP și Sun.

Introducerea tranzistoarelor de înaltă tensiune, de mare viteză la un cost redus la sfârșitul anilor 1960 și începutul anilor 1970, de către companii precum Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) și Motorola, printre altele, au contribuit la împingerea surselor de alimentare de comutare în mainstream. Vitezele mai rapide de comutare a tranzistorilor sporesc eficiența, deoarece căldura este disipată într-un astfel de tranzistor, în special în timp ce comută între stările de pornire și oprire și cu cât dispozitivul ar putea face mai rapid această tranziție, cu atât ar pierde mai puțină energie.

Vitezele tranzistorului au crescut cu salturi în acel moment. Într-adevăr, tehnologia tranzistorului se mișca atât de repede încât editorii din Electronics World au susținut în 1971 că sursa de alimentare de 500 W prezentă pe capac nu ar fi putut fi construită cu tranzistoarele disponibile cu doar 18 luni mai devreme.

Un alt progres notabil a avut loc în 1976, când Robert Mammano, cofondator al Silicon General Semiconductors, a introdus primul CI care controlează o sursă de alimentare de comutare, proiectată pentru o mașină electronică de teletip. Controlerul său SG1524 IC a simplificat drastic proiectarea acestor consumabile și a redus costurile, declanșând o creștere a vânzărilor.

Până în 1974, să dăm sau să luăm un an sau doi, era clar pentru oricine care avea chiar și o mică cunoștință despre industria electronică că avea loc o adevărată revoluție în proiectarea alimentării cu energie electrică.

Computerul personal Apple II a fost introdus în 1977. Una dintre caracteristicile sale a fost o sursă de alimentare compactă, fără ventilator [PDF], care furniza 38 W putere la 5, 12, –5 și –12 volți. A folosit designul simplu al lui Holt, un fel de sursă de alimentare de comutare cunoscută sub numele de topologie a convertorului flyback off-line. Jobs a susținut că fiecare computer rupe acum designul revoluționar al lui Holt. Dar acest design a fost cu adevărat revoluționar în 1977? Și a fost copiat de orice alt producător de computere?

Nu, și nu. Convertizoare flyback similare off-line erau vândute în acel moment de Boschert și de alte companii. Holt a obținut un brevet pentru câteva caracteristici specifice ale ofertei sale, dar aceste caracteristici nu au devenit niciodată utilizate pe scară largă. Și construirea circuitelor de control din componente discrete, așa cum s-a făcut pentru Apple II, s-a dovedit a fi un punct mort tehnologic. Viitorul surselor de comutare a aparținut IC-urilor de control special.

Dacă există un microcomputer care a avut un impact de durată asupra proiectelor de alimentare cu energie, acesta a fost computerul personal IBM, lansat în 1981. Până atunci, la doar patru ani după Apple II, tehnologia de alimentare cu energie s-a schimbat foarte mult. În timp ce ambele computere personale timpurii foloseau surse de alimentare off-line flyback cu ieșiri multiple, cam toate acestea aveau în comun. Circuitele lor de acționare, control, feedback și reglare erau toate diferite. Chiar dacă sursa de alimentare IBM PC utilizează un controler IC, aceasta conținea aproximativ două ori mai multe componente decât sursa de alimentare Apple II. Aceste componente suplimentare au oferit o reglementare suplimentară a ieșirilor și un semnal „putere bună” atunci când toate cele patru tensiuni erau corecte.

În 1984, IBM a lansat o versiune actualizată semnificativ a computerului său personal, numită IBM Personal Computer AT. Sursa sa de alimentare a folosit o varietate de noi concepte de circuite, abandonând în totalitate topologia anterioară flyback. A devenit rapid standardul de facto și a rămas așa până în 1995, când Intel a introdus specificația factorului de formă ATX, care, printre altele, a definit sursa de alimentare ATX, încă standardă astăzi.

În ciuda apariției standardului ATX, sistemele de alimentare ale computerelor au devenit mai complicate în 1995 odată cu introducerea Pentium Pro, un microprocesor care necesita o tensiune mai mică la un curent mai mare decât ar putea furniza direct o sursă de alimentare ATX. Pentru a furniza această energie, Intel a introdus modulul de reglare a tensiunii (VRM) - un regulator de comutare DC-to-DC instalat lângă procesor. A redus 5 V de la sursa de alimentare la 3 V utilizată de procesor. Plăcile grafice găsite în multe computere conțin, de asemenea, VRM-uri pentru a alimenta cipurile grafice de înaltă performanță pe care le conțin.

Un procesor rapid în zilele noastre ar putea necesita până la 130 W de la un VRM - mult mai mult decât doar jumătate de watt de putere utilizat de procesorul 6502 al Apple II. Într-adevăr, un cip modern de procesor singur poate folosi mai mult de trei ori puterea consumată de întregul computer Apple II.

Consumul tot mai mare de energie al computerelor a devenit un motiv de îngrijorare pentru mediu, rezultând inițiative și reglementări pentru eficientizarea surselor de alimentare. În Statele Unite, Energy Star a guvernului și certificările 80 Plus conduse de industrie au împins producătorii să producă mai multe surse de alimentare „verzi”. Ei au reușit să facă acest lucru folosind o varietate de tehnici: putere de așteptare mai eficientă, circuite de pornire mai eficiente, circuite rezonante care reduc pierderile de putere în tranzistoarele de comutare și circuite „clamp activ” care înlocuiesc diodele de comutare cu circuite transistorizate mai eficiente . Îmbunătățirile tranzistorului MOSFET de putere și tehnologia redresorului de siliciu de înaltă tensiune din ultimul deceniu au dus, de asemenea, la îmbunătățiri ale eficienței.

Tehnologia comutării surselor de alimentare continuă să avanseze și în alte moduri. Astăzi, în loc să folosească circuite analogice, multe surse de alimentare utilizează cipuri digitale și algoritmi software pentru a-și controla ieșirile. Proiectarea unui controler de alimentare a devenit atât o chestiune de programare cât și de proiectare hardware. Gestionarea digitală a energiei permite surselor de alimentare să comunice cu restul sistemului pentru eficiență și logare mai mari. În timp ce aceste tehnologii digitale sunt în mare parte rezervate pentru servere acum, ele încep să influențeze proiectarea computerelor desktop.

Este greu de pătrat această istorie cu afirmația lui Jobs că Holt ar trebui să fie mai bine cunoscut sau că „Rod nu obține foarte mult credit pentru acest lucru în cărțile de istorie, dar ar trebui”. Chiar și cei mai buni designeri de alimentare nu devin cunoscuți în afara unei comunități minuscule. În 2009, editorii de design electronic au salutat-o ​​pe Boschert în sala lor de renume pentru inginerie. Robert Mammano a primit un premiu pentru realizarea vieții în 2005 de la editorii de tehnologie electronică de putere. Rudy Severns a primit încă un astfel de premiu pentru realizarea vieții în 2008 pentru inovațiile sale în alimentarea cu energie electrică. Dar niciunul dintre aceste corpuri de iluminat în proiectarea sursei de alimentare nu este chiar celebru pe Wikipedia.

Afirmația mult repetată a lui Jobs că Holt a fost trecută cu vederea a dus la descrierea operei lui Holt în zeci de articole și cărți populare despre Apple, de la „Revenge of the Nerds” a lui Paul Ciotti, care a apărut în revista California în 1982 până la cea mai bine vândută biografie a lui Isaacson. Locuri de muncă în 2011. Atât de ironic, chiar dacă munca sa pe Apple II nu a fost în niciun caz revoluționară, Rod Holt a devenit probabil cel mai faimos proiectant de alimentare cu energie.

Acest articol apare în ediția tipărită din august 2019 sub denumirea „Refacerea liniștită a surselor de alimentare pentru computer?”

Despre autor

Ken Shirriff a fost programator pentru Google înainte de a se retrage în 2016. În aceste zile, el este ocupat să reînvie hardware-ul și software-ul vechi al computerului, pe care le documentează pe blogul său.