За півстоліття, кращі транзистори та регулятори комутації революціонізували дизайн
Apple, наприклад, виграла, хоча це не спричинило цю революцію, як стверджував Стів Джобс
Комп'ютерні блоки живлення не отримуйте особливої поваги.
Як ентузіаст техніки, ви, мабуть, знаєте, що таке мікропроцесор у вашому комп’ютері та скільки у нього фізичної пам’яті, але, мабуть, ви нічого не знаєте про джерело живлення. Не відчувайте себе погано - навіть для виробників проектування джерела живлення є задумом.
Це ганьба, оскільки для створення джерел живлення, що знаходяться в персональних комп’ютерах, знадобились значні зусилля, що є значним покращенням від схем, що живили інші види побутової електроніки приблизно до кінця 1970-х. Цей прорив став результатом величезних успіхів у напівпровідниковій технології півстоліття тому, зокрема вдосконалення комутації транзисторів та інновацій в ІС. І все ж це революція, яка залишається абсолютно невпізнаною широкою громадськістю і навіть багатьма людьми, знайомими з історією мікрокомп'ютерів.
Однак джерела живлення не позбавлені палких чемпіонів, включаючи той, який може вас здивувати: Стів Джобс. За словами його уповноваженого біографа Уолтера Ісаксона, Джобс сильно переживав з приводу джерела живлення новаторського персонального комп'ютера Apple II та його дизайнера Рода Холта. Претензія Джобса, як повідомляє Ісааксон, звучить так:
Претензія Джобса є великою, і вона мені не сподобалась, тому я зробив деяке розслідування. Я виявив, що, хоча імпульсні джерела живлення були революційними, революція відбулася між кінцем 1960-х та серединою 1970-х років, коли імпульсні джерела живлення переходили від простих, але неефективних лінійних джерел живлення. Apple II, представлений в 1977 році, отримав користь від цієї революції, але не спонукав її.
Це виправлення версії подій Джобса - це набагато більше, ніж трохи інженерних дрібниць. Сьогодні імпульсні джерела живлення є повсюдною опорою, яку ми використовуємо щодня для зарядки смартфонів, планшетів, ноутбуків, камер і навіть деяких наших автомобілів. Вони живлять годинники, радіоприймачі, домашні підсилювачі звуку та інші дрібні прилади. Інженери, які насправді сприяли цій революції, заслуговують на визнання. І це теж непогана історія.
Блок живлення у настільному комп’ютері, як Apple II, перетворює лінійну напругу змінного струму в постійний струм, забезпечуючи високу стабільність напруги для живлення системи. Блоки живлення можуть бути побудовані різними способами, але лінійні та комутаційні конструкції є двома найпоширенішими.
Типовий лінійний блок живлення використовує громіздкий трансформатор для перетворення відносно високовольтного змінного струму від ліній електропередач у низьковольтний змінний струм, який потім перетворюється в низьковольтний постійний струм за допомогою діодів, як правило, чотири з них підключені в класичній конфігурації мосту. Великі електролітичні конденсатори використовуються для згладжування виходу діодного моста. Комп’ютерні джерела живлення використовують схему, яка називається лінійним регулятором, яка зменшує напругу постійного струму до бажаного рівня і підтримує її там, навіть коли навантаження змінюється
Лінійні джерела живлення майже тривіальні для проектування та побудови. І вони використовують недорогі низьковольтні напівпровідники. Але вони мають два основних недоліки. Одним із них є великі конденсатори та необхідний здоровенний трансформатор, які ніколи не можуть бути упаковані у щось таке маленьке, легке та зручне, як зарядні пристрої, які ми всі зараз використовуємо зі своїми смартфонами та планшетами. Інший - лінійний регулятор, схема на основі транзисторів, яка перетворює надлишкову напругу постійного струму - все, що перевищує призначену вихідну напругу - у відпрацьоване тепло. Тож такі блоки живлення зазвичай витрачають більше половини енергії, яку вони споживають. І їм часто потрібні великі металеві радіатори або вентилятори, щоб позбутися всього цього тепла.
Бородавки та все
Раніше в невеликих електронних пристроях зазвичай використовувались громіздкі настінні трансформатори, що зневажливо називали “настінними бородавками”. Приблизно на рубежі 21 століття вдосконалення технологій зробило компактні комутаційні витратні матеріали з низьким енергоспоживанням практичними для невеликих пристроїв. Оскільки ціна на комутаційні адаптери змінного/постійного струму впала, вони швидко замінили громіздкі настінні трансформатори для більшості побутових пристроїв.
Apple зробила зарядний пристрій вишукано розробленим об’єктом, представивши в 2001 році гладкий зарядний пристрій iPod з компактним джерелом живлення з контролем мікросхеми всередині [зліва]. Незабаром зарядні пристрої USB стали всюдисущими, а ультракомпактний зарядний пристрій дюймового куба від Apple (представлений у 2008 році) став знаковим [право].
Остання тенденція у високоякісних зарядних пристроях цього типу полягає у використанні напівпровідників нітриду галію (GaN), які здатні перемикатися швидше, ніж кремнієві транзистори, і таким чином бути більш ефективними. Підштовхуючи технологію в інший бік, найдешевші зарядні пристрої USB зараз продаються за ціною менше долара, хоча ціною поганої якості електроенергії та відсутність функцій безпеки. —K.S.
Імпульсний блок живлення працює за іншим принципом: У типовому імпульсному джерелі живлення вхід змінного струму перетворюється на високовольтний постійний струм, який включається і вимикається десятки тисяч разів на секунду. Використовувані високі частоти дозволяють використовувати набагато менші та легші трансформатори та менші конденсатори. Спеціальний контур точно визначає час перемикання для управління вихідною напругою. Оскільки їм не потрібні лінійні регулятори, такі джерела витрачають мало енергії: вони, як правило, ефективні від 80 до 90 відсотків, і тому віддають набагато менше тепла.
Однак імпульсний блок живлення є набагато складнішим, ніж лінійний блок живлення, і тому його важче спроектувати. Крім того, він набагато вибагливіший до компонентів, вимагаючи високовольтних силових транзисторів, які можуть ефективно вмикати та вимикати на високій швидкості.
Як побічну ноту слід зазначити, що деякі комп’ютери використовували джерела живлення, які не є ні лінійними, ні перемикаючими. Одним грубим, але ефективним методом було відключення двигуна від лінійної потужності та використання цього двигуна для приводу генератора, який створює необхідну вихідну напругу. Блоки-генератори використовувались десятиліттями, принаймні ще за часів машин перфокарт IBM 1930-х і продовжуючи протягом 1970-х для таких речей, як суперкомп'ютери Cray.
Іншим варіантом, популярним з 1950-х до 1980-х років, було використання ферорезонансних трансформаторів, особливого типу трансформаторів, що забезпечують постійну вихідну напругу. Крім того, насичений реактор, керований індуктор, використовувався для регулювання живлення комп’ютерів у вакуумних трубках у 1950-х роках. Він знову з’явився [PDF] як “підсилювач” у деяких сучасних джерелах живлення для ПК, забезпечуючи додаткове регулювання. Але врешті-решт ці дивні підходи в основному поступилися місцем перемикання джерел живлення.
Принципи, що лежать в основі імпульсний блок живлення був відомий інженерам-електрикам з 1930-х років, але ця техніка знайшла обмежене застосування в еру вакуумних труб. Спеціальні лампи, що містять ртуть, звані тиратронами, використовувались в деяких джерелах живлення того часу, які можна було б вважати примітивними, низькочастотними регуляторами комутації. Прикладами можуть служити джерело живлення REC-30 Teletype 1940-х років та джерело живлення, що використовувалося в комп'ютері IBM 704 1954 року. Однак із введенням силових транзисторів у 1950-х роках імпульсні джерела живлення швидко вдосконалювались. Pioneer Magnetics почала будувати імпульсні джерела живлення в 1958 році. А General Electric опублікував ранній проект транзисторного імпульсного джерела живлення в 1959 році.