​开关电源工作原理

开关电源工作原理

开关电源工作原理

来源：本文由公众号半导体行业观察（ID：icbank）翻译自「spectrum.ieee」，作者Ken Shirriff，谢谢。

苹果公司虽然没有引发这场革命，但正如乔布斯声称的那样，苹果从中受益匪浅。

没有内置英特尔芯片：X射线揭示了1977年发布的Apple II微型计算机中使用的开关电源的组成部分。（照片：David Arky）

作为技术爱好者，你可能知道你的计算机中的微处理器是什么，知道它有多少内存，但你很可能对电源一无所知。别难过，即使对于制造商来说，设计电源也是后来才想到的。

这是一件令人遗憾的事情，因为创造PC机中使用的电源需要付出相当大的努力，这与上世纪70年代末之前其他消费电子产品的供电电路相比是巨大的进步。这一突破源于半个世纪前半导体技术的巨大进步，特别是开关晶体管的改进和集成电路的创新。然而，这是一场革命，它完全没有被公众所认识，甚至没有被许多熟悉微型计算机历史的人所认识。

然而，电源并非没有热情的支持者，其中就有一个可能让你感到意外的人：史蒂夫·乔布斯。据乔布斯的授权传记作者沃尔特·艾萨克森说，乔布斯对开创性的Apple II PC机及其设计师Rod Holt的电源设计有着强烈的感情。据艾萨克森报道，乔布斯的说法是：

“

Holt没有使用传统的线性电源，而是制造了一种类似于用在示波器中的电源。它每秒开关电源的次数不是60次，而是数千次，这使得它能以更短的时间储存能量，从而减少热量。乔布斯后来说：“这种开关电源和Apple II逻辑板一样具有革命性。Rod在历史上并没有因此得到很多赞誉，但他应该得到。现在每台计算机都使用开关电源，他们都抄袭Rod Holt的设计。

”

乔布斯的声明很重要，但我并不认同，所以我做了一些调查。我发现，虽然开关电源是革命性的，但革命发生在20世纪60年代末至70年代中期，因为开关电源取代了简单但效率低下的线性电源。1977年推出的Apple II从这场革命中受益，但并未引发这场革命。

乔布斯对这件事的改版远不止工程上的琐事。今天，开关电源是无处不在的支柱，我们每天都用它给我们的智能手机、平板电脑、笔记本电脑、相机，甚至某些汽车充电。它们为时钟、收音机、家用音频放大器和其他小型电器供电。真正引发这场革命的工程师应该得到认可。而且这也是一个很好的故事。

Apple II等台式计算机中的电源将交流电转换为直流电，为系统提供非常稳定的电压。电源可以以多种方式构建，但线性设计和开关设计是最常见的两种。

典型的线性电源使用体积庞大的变压器，将电力线上的高压交流电转换为低压交流电，然后再用二极管将交流电转换成低压直流电，通常用4个二极管组成经典的整流桥结构。大型电解电容器用于平滑二极管电桥的输出。计算机电源使用一种称为线性稳压器的电路，它可以将直流电压降低到所需的水平，并在负载变化时保持电压稳定不变。

线性电源的设计和构建几乎是微不足道的。而且它们使用便宜的低压半导体。但是它们有两个主要的缺点。其一是需要大电容和大型变压器，它们永远无法被封装成像我们现在在智能手机和平板电脑上使用的充电器那样小巧轻便的东西。其二，线性稳压器一种基于晶体管的电路，会将多余的直流电压——任何高于指定输出电压的电压——转换为余热。因此，这样的供电通常会浪费掉一半以上的功耗。它们经常需要大型金属散热器或风扇来散热。

毫不掩饰缺陷

照片：David Arky

过去，小型电子设备通常使用笨重的壁式变压器，人们轻蔑地称之为“墙壁肉赘”。约在21世纪初，技术的进步使得紧凑、低功耗的开关电源适用于小型设备。随着开关AC/DC适配器价格的下降，它们迅速取代了大多数家用设备中笨重的壁式变压器。

苹果公司把充电器变成了一款设计精良的产品，2001年推出了一款时尚的iPod充电器，内置了一个紧凑的IC控制反激式电源（左图）。USB充电器很快变得无处不在，苹果公司2008年推出的超小型inch-cube充电器成为了标志性产品（右图）。

这类高端充电器的最新趋势是使用氮化镓（GaN）半导体，这种半导体的开关速度比硅晶体管快，因此效率更高。技术被推向了另一个方向，最便宜的USB充电器现在的售价不到1美元，尽管代价是电源质量差，缺少安全功能。——K.S.

开关电源的工作原理不同：在典型的开关电源中，交流输入转换为高压直流，每秒开关数万次。所采用的高频允许使用更轻巧的变压器和更小的电容器。一个特殊的电路精确地控制输出电压的时间。这些电源不需要线性稳压器，因此几乎不浪费电能：它们的效率通常可达80%~90%，因此释放的热量要少得多。

然而，开关电源比线性电源复杂得多，因此设计起来比较困难。此外，它对元件的要求更高，要求高压功率晶体管能够高效地高速开关。

顺便提一下，有些计算机使用的电源既不是线性电源，也不是开关电源。一种原始但有效的技术是使电动机脱离线路电源，并使用该电动机驱动产生所需输出电压的发电机。电动发电机组使用了几十年，至少可以追溯到20世纪30年代的IBM打卡机，并持续到20世纪70年代用于Cray超级计算机等。

20世纪50~80年代流行的另一种选择是使用铁磁谐振变压器，这是一种特殊类型的变压器，可以提供恒定的电压输出。此外还有可饱和电抗器，他是一种可控电感器，在20世纪50年代被用于真空管计算机的电源调节。它在一些现代PC机电源中作为“磁放大器”重新出现，提供额外的调节。但最终，这些奇怪的方法大多让位于开关电源。

开关电源背后的原理早在20世纪30年代就为电气工程师所知，但这种技术在真空管时代的应用有限。当时，某些电源中使用了称为闸流管的特殊含汞管，这些电源可被视为原始的低频开关稳压器。例子包括20世纪40年代的REC-30电传打字机电源以及1954年IBM 704计算机中使用的电源。然而，随着20世纪50年代功率晶体管的引入，开关电源迅速改善。Pioneer Magnetics公司于1958年开始构建开关电源。通用电气公司于1959年发布了晶体管开关电源的早期设计。

20世纪60年代，美国宇航局和航天工业为开关电源的发展提供了主要动力，因为在航天应用中，体积小、效率高的优势超过了高成本。例如，1962年的Telstar卫星（第一颗传输电视图像的卫星）和Minuteman导弹都使用了开关电源。10年之后，成本降低了，开关电源被设计成销售给公众的产品。例如，在1966年，Tektronix公司在便携式示波器中使用了开关电源，使它能够使用电源电流或电池。

随着电源制造商开始向其他公司出售开关电源，这一趋势加快了。1967年，RO Associates推出了第一款20kHz的开关电源产品，据称这是第一款商用成功的开关电源。日本电子存储工业株式会社于1970年开始在日本开发标准化开关电源。到1972年，大多数电源制造商都在销售开关电源或即将提供开关电源。

大约在这个时候，计算机行业开始使用开关电源。早期的例子包括1969年的数字设备公司的PDP-11/20微型计算机和1971年的惠普公司的2100A微型计算机。1971年的一份行业刊物指出，使用开关稳压器的公司读起来就像是计算机行业的“名人堂”：例如，IBM、霍尼韦尔、Univac、DEC、Burroughs和RCA等。1974年，使用开关电源的小型计算机包括数据通用公司的Nova 2/4、德州仪器公司的960B，以及Interdata公司的系统。1975年，开关电源用于HP2640A显示终端、IBM的类似打字机的SElectric Composer，以及IBM5100便携式计算机。到1976年，Data General在其一半系统中使用了开关电源，而惠普则将其用于更小的系统，如9825A台式电脑和9815A计算器。同时，开关电源也出现在家庭中，1973年开始为成为一些彩色电视机的电源。

开关电源广泛出现在那个时代的电子杂志上，无论是广告还是文章。早在1964年，《电子设计》就推荐使用开关电源以提高效率。1971年10月的《电子世界》封面展示了一个500瓦的开关电源和一篇题为“开关稳压器电源”的文章。1972年，《计算机设计》详细讨论了开关电源以及此类电源在计算机中的日益普及，不过它也提到，一些公司仍然持怀疑态度。1976年，《电子设计》的封面上写道，“开关突然变得更容易了”，描述了一种新型开关电源控制器IC。《电子学》杂志就这个问题发表了一篇很长的文章；《电源技术》针对其开关电源的优势发布了两页广告，其标语为“大变革是转向开关电源”；《字节》则宣布了一家名为Boschert的公司开始为微型计算机提供开关电源。

Robert Boschert于1970年辞去工作，开始在自家厨房的餐桌上制造电源，他是这项技术的关键开发者之一。他专注于简化这些设计，使其与线性电源相比具有成本竞争力，到1974年，他开始批量生产用于打印机的低成本电源，1976年又生产了一种低成本的80瓦开关电源。1977年，Boschert 已发展成为一家拥有650名员工的公司。它为卫星和格鲁曼F-14战斗机制造电源，后来为惠普和太阳等公司生产计算机电源。

20世纪60年代末和70年代初，固态产品公司（SSPI）、西门子爱迪生斯旺公司（SES）和摩托罗拉等公司引入了低成本的高压高速晶体管，将开关电源推向主流。更快的晶体管开关速度提高了效率，因为在这种晶体管中，热量主要是在导通和截止状态之间转换时耗散的，器件开关越快，浪费的能量就越少。

晶体管速度在当时突飞猛进。的确，晶体管技术发展得如此之快，以至于《电子世界》的编辑在1971年称，封面上的500瓦电源不可能是用18个月前才有的晶体管制造的。

另一个显着的进步发生在1976年，当时Silicon General Semiconductors的联合创始人Robert Mammano推出了第一款用于控制开关电源的IC，专为电子电传打字机设计。HisSG1524控制器IC极大地简化了这些电源的设计，降低了成本，引发了销量的飙升。

到了1974年，差不多一两年的时间，任何对电子行业稍有了解的人都清楚，电源设计领域正在发生一场真正的革命。

照片：Ted Thai / LIFE图片集/ Getty Images

领导者和追随者：1981年，史蒂夫·乔布斯展示了一台Apple II PC机。苹果II于1977年首次推出，受益于整个行业从笨重的线性电源转向小型、高效的开关电源设计。但正如乔布斯后来所说，Apple II并没有引发这种转变。

Apple II PC机于1977年推出。它的特点之一是紧凑的无风扇开关电源，提供5V、12V、-5V和-12V电压，功率38 W。它使用Holt的简单设计，一种称为离线反激式转换器拓扑的开关电源。乔布斯声称现在每台电脑都剽窃了霍尔特的革命性设计。但是这个设计在1977年真的是革命性的吗？它是否被其他所有电脑制造商复制了？

事实并非如此。当时Boschert和其他公司也在销售类似的离线反激式转换器。Holt获得了几个特定功能的专利，但这些功能从未被广泛使用。而且，像Apple II那样用分立元件构建控制电路被证明是技术上的死胡同。开关电源的未来属于专用控制器IC。

如果说有一种微型计算机对电源设计产生了持久的影响，那就是1981年推出的IBM PC机。那时，仅仅在Apple II推出四年后，电源技术发生了巨大的变化。虽然这两款早期的PC机都使用了带有多个输出的离线反激电源，但它们的共同点只有这些。它们的驱动、控制、反馈和调节电路都是不同的。尽管IBM的PC机电源使用了IC控制器，但它包含的组件大约是Apple II电源的两倍。这些额外的组件对输出提供额外的调节，并在所有四个电压都正确时发出“电源正常”的信号。

1984年，IBM发布了一款升级版的个人电脑，名为 IBM Personal Computer AT。它的电源采用了多种新的电路设计，完全抛弃了早期的反激拓扑结构。它很快成为事实上的标准，并一直保持到1995年，当时英特尔推出了ATX外形规格，其中定义了ATX电源，它直到今天仍然是标准。

尽管出现了ATX标准，但随着1995年Pentium Pro的问世，计算机电源系统变得更加复杂。Pentium Pro是一种微处理器，它需要比ATX电源直接提供的电压更低，电流更大。为了提供这种电源，英特尔推出了电压调节模块（VRM），即安装在处理器旁边的DC-DC开关稳压器。它将电源中的5V降低为处理器使用的3V。许多计算机中的显卡也包含VRM，用于驱动它们所包含的高性能显卡芯片。

如今，快速处理器可能需要高达130W的VRM，远远超过Apple II 6502处理器使用的0.5W功率。事实上，单是一个现代处理器芯片就可以消耗整个Apple II计算机3倍以上的电能。

计算机日益增长的功耗已成为环境问题的一个原因，导致了一些旨在提高电源效率的举措和法规。在美国，政府的能源之星和行业领先的80多个认证推动制造商生产更多的“绿色”电源。他们已经能够使用各种技术做到这一点：更高效的备用电源，更高效的启动电路，减少开关晶体管功率损耗的谐振电路，以及用更高效的晶体管电路取代开关二极管的“有源钳位”电路。在过去的十年中，功率MOSFET晶体管和高压硅整流技术的改进也带来了效率的提高。

开关电源技术在其他方面也在不断发展。今天，许多电源不再使用模拟电路，而是使用数字芯片和软件算法来控制它们的输出。电源控制器的设计不仅是硬件设计的问题，也是编程的问题。数字电源管理允许电源与系统的其余部分进行通信，以获得更高的效率和记录。虽然这些数字技术现在很大程度上是为服务器保留的，但它们正开始影响台式计算机的设计。

很难将这段历史与乔布斯所说的“Holt应该更出名”，“Rod在历史书中并没有因此获得很多赞誉，但他应该得到”相提并论。即使是最优秀的电源设计师也不会在一个小圈子之外为人所知。2009年，《电子设计》的编辑欢迎Boschert进入他们的工程名人堂。Robert Mammano在2005年获得了《电力电子技术》的编辑颁发的终身成就奖。Rudy Severns因其在开关电源领域的创新而在2008年获得了另一项终身成就奖。但这些电源设计领域的杰出人物甚至都不是维基百科上的名人。

乔布斯多次强调Holt被忽视了，这导致Holt的作品出现在数十篇有关苹果的热门文章和书籍中，从1982年Paul Ciotti在《加州杂志》上发表的《书呆子的复仇》（Revenge of the Nerds），到2011年艾萨克森为乔布斯写的最畅销的《乔布斯传》，不一而足。因此，具有讽刺意味的是，尽管Rod Holt在Apple II上的工作绝不是革命性的，但他可能已经成为了有史以来最著名的电源设计师。

本文发表在2019年8月的印刷版上，题为《计算机电源的悄然改造》

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