Ревю на развитието на импулсните захранвания и зареждащи устройства

Оригиналът е на Кен Шириф (Ken Shirriff) , известен хардуерен специалист

5
2290

Повечето потребители не обръщат особено внимание на компютърното захранване. Почти всички знаят какъв процесор се използва в техния компютър и колко памет е поставена, но най-вероятно нищо няма да могат да кажат за захранващия блок. Това не е за учудване: производителите на компютърни системи също едва най-накрая се замислят за захранващия модул.

Това е много жалко, понеже са положени огромни усилия за създаването на подходящи захранвания, които могат да се видят днес в компютърните системи. Те са значително по-добри от от схемите, които захранваха битовата електроника чак до края на 1970-те години. Този пробив стана възможен благодарение на сериозните успехи постигнати в полупроводниковите технологии преди около половин век. Интересно е, че тази революция е на практика непозната на широката общественост.

Може би ще се учудите, но един от най-ярките революционери от този тип бе Стив Джобс. Според неговия биограф Уолтър Айзексън (Walter Isaacson), Джобс е имал изключително сериозни изисквания към захранващия блок на компютъра Apple II, създаден от Род Холт. Айзексън пише:

„Вместо конвенционалното линейно захранване Холт създаде захранване, което се използва в осцилоскопите. Пулсациите в него не са с честота шестдесет пъти в секунда, а десетки хиляди пъти. По този начин се налага съхраняване на енергия за много по-малко време и отделяната топлина е в съвсем малки количества. „Това импулсно захранване бе също толкова революционно, както и платката на Apple II“ – казва по-късно Джобс. „За създаването на този импулсен блок Род не попадна в учебниците по история, а трябваше. Всеки днешен компютър използва импулсно захранване с дизайна на Род Холт“.

Само че версията на основателя на Apple е коренно невярна. Тази революция в захранванията протече между края на 1960-те и средата на 1970-те години, когато импулсните захранвания замениха съвсем опростените, но неефективни линейни схеми. Apple II, представен през 1977 година печели от тази революция, но съвсем не я предизвиква.

Тази поправка на версията на протеклите събития, дадена от Джобс, съвсем не е дреболия. Към днешен ден импулсните захранвания се използват повсеместно – с тяхна помощ зареждаме смартфоните си, те работят в таблетите и лаптопите, с тях се зареждат някои електромобили, Специалистите, които извършиха тази революция, наистина заслужават уважение. Това е една много интересна история.

Захранващият модул на един десктоп компютър, включително и на Apple II, преобразува променливото напрежение на електрическата мрежа в постоянно, осигурявайки стабилно захранване за цялата компютърна система. Захранващите блокове имат най-различни схеми, но най-популярни са линейните и импулсните решения.

Типичният линеен захранващ блок има огромен трансформатор за понижаване на относително високото напрежение от електрическите контакти, което след това се преобразува в нисковолтово постоянно напрежение с използването на четири диода, включени в класическата мостова схема. След това се използват големи електролитни кондензатори за изглаждане на пулсациите на диодния мост. В компютърните захранвания от този тип се използва и линеен стабилизатор на напрежение, който стабилизира изходното напрежение на едно и също ниво и поддържа това ниво при покачване на входното променливо напрежение, при увеличаване на товара и т.н.

Линейните захранващи блокове са абсурдно опростени и лесни за изготвяне, като в тях се използват съвсем евтини електронни компоненти. Само че имат два сериозни недостатъка.

Първият са големите кондензатори и тежкият и голям трансформатор, които изобщо няма как да бъдат побрани в нещо толкова малко, леко и удобно устройство като съвременния лаптоп или таблет.

Втрият недостатък е линейният стабилизатор на напрежение, който превръща всичко над регулируемия праг в топлина. Тези захранвания обикновено отделят над половината консумирана от тях енергия в топлина. Необходими са огромни метални радиатори и вентилатори, за да се разсее тази топлина.

В началото на XXI техническите постижения вече дават възможност за създаването на компактни импулсни захранвания за неголеми електронни устройства. А след като пада цената на AC/DC преобразователите, те бързо заменят големите и тромави трансформатори в битовите устройства.

Apple превръща захранващия блок в устройство от най-висок клас, представяйки елегантното зарядно за iPod през 2001 година с вграден компактен IC контролер (отляво на снимката). Съвсем скоро USB зарядните устройства стават повсеместни, а съвсем компактното зарядно за iPhone, представено през 2008 година, става едно от най-популярните в целия свят (отдясно).

Най-новата тенденция в зарядните устройства е използването на полупроводникови елементи от галиев нитрид (GaN), които се превключват много по-бързо от силициевите транзистори и са значително по-ефективни. С развитието на технологиите цените сериозно намаляват и днес най-евтините USB зарядни се продават за около един долар, въпреки че за сметка на лошото качество на изходния ток и липсата на някои защити.


Импулсните захранвания работят на съвсем друг принцип. При тях променливото напрежение от електрическата мрежа се изправя с помощта на диоден мост и се филтрира чрез високоволтов кондензатор. Полученото по този начин високо постоянно напрежение се преобразува в променливо високочестотно напрежение с честота често пъти стотици килохерци. Високочестотното напрежение се подава на първичната намотка на импулсен трансформатор, след което, вече понижено се взема от вторичната намотка, изправя се и се стабилизира. Високите честоти дават възможност за използването на съвсем малки и леки трансформатори и кондензатори. В тези захранвания не се използват линейни стабилизатори и в тях се губи съвсем малко енергия. Техният КПД обикновено е 80-90%, поради което се отделя твърде малко топлина.

Но импулсното захранване е много по-сложно от линейното и е по-сложно за проектиране. Освен това изискванията към компонентите са много по-високи и е необходимо използването на силови транзистори, които могат бързо и ефективно да се включват и изключват.

Принципите, легнали в основите на импулсните захранвания с известни на специалистите още от 1930-те години, но тогава тези решения се използват твърде рядко, понеже това е епохата на вакуумните лампи. В някои захранващи блокове от това време се използват тиратрони – специални вакуумни лампи, обикновено запълнени с живачни пари. Те се считат за едни от най-първите и примитивни нискочестотни импулсни стабилизатори и регулатори на напрежение.

Като пример за използването на подобни решения могат да се посочат захранващия блок на телетайпа REC-30 от 1940-те години и захранващият блок на изчислителната машина IBM 704 от 1954 година. Но след появата на силовите транзистори през 1950-те години импулсните захранвания бързо се подобряват. Pioneer Magnetics започва да ги използва през 1958 година, а General Electric публикува схемата на своя транзисторен импулсен захранващ блок през 1959 година.

Разбира се, новите технологии започват да се използват от военните и от НАСА. През 1960-те години НАСА и целият космически сектор използват единствено импулсни захранвания, понеже понеже техните малки размери и тегло, както и тяхната висока ефективност значително превъзхождат немалката им цена. Така например, през 1962 година Telstar, който е първият в света сателит за излъчване на телевизионни предавания и ракетата Minuteman използват единствено импулсни захранвания. С годините цената пада и тези устройства стават достъпни за обикновените хора. През 1966 година компанията Tektronix започва използването на импулсно захранване в в своя портативен осцилоскоп, който може да работи както от електрическата мрежа, така и от батерии.

Тази тенденция бързо се ускорява, понеже производителите на импулсни захранвания започват продажбите на тези устройства и на други компании. През 1967 година RO Associates представя първия 20 KHz импулсен захранващ блок, който става първия успешен комерсиален продукт от този тип. А компанията Nippon Electronic Memory Industry Co. започва разработването на стандартизирани импулсни захранващи блокове в Япония през 1970 година. Към 1972 година всички производители на най-разнообразни захранвания вече предлагат и импулсни модели.

Именно по това време компютърната индустрия също започва да използва импулсни захранвания. Те се появяват най-напред в миникомпютрите Digital Equipment PDP-11/20 през 1969 година и в Hewlett-Packard 2100A през 1971-ва. В средата на 70-те години те вече се използват в компютрите на много компании, включително HP, IBM, Univac, DEC, RCA и друго. Започва тяхната употреба и в цветните телевизори.

Схемите на импулсните захранвания масово започват да се публикуват в компютърните списания от тези години. През 1071 година на мода са 500 W варианти.

Един от ключовите разработчици на импулсни захранвания е Робърт Бошърт, който през 1970 година напуска работа и започва да проектира собствени импулсни захранващи блокове буквално на кухненската си маса. Той се съсредоточва върху опростяването на тяхната конструкция и си поставя за цел да ги направи евтини и конкурентни на линейните захранвания. През 1974 година той започва масовото производство на евтини импулсни захранвания за принтери, след което през 1976 година предлага на пазара изключително успешен модел с мощност 80 W. През 1977 година в Boschert Inc. вече работят 650 души. Бошърт започва да произвежда импулсни захранвания за сателитите, за изтребителите Grumman F-14, а след това за компютрите на HP и Sun, и по този начин името му влиза в историята.

Масовото производство на евтини високоволтови и високоскоростни транзистори в края на 1960-те и началото на 1970-те години от компании като Solid State Products Inc., Siemens Edison Swan и Motorola силно подпомага развитието на импулсните захранвания. Колкото по-голяма е скоростта на превключване на транзистора, толкова е по-висока неговата ефективност. Транзисторът генерира топлина когато е в междинното положение между включено и изключено състояние. Очевидно е, че колкото по-бързо се осъществява този преход, толкова по-малко енергия се преобразува в топлина.

Този вид технологии бележи значителен прогрес когато през 1976 година Робърт Мамано, един от основателите на Silicon General Semiconductors, представя първия специализиран чип за управлението на импулсно захранване. Неговият контролер SG1524 значително опростява конструкцията на тези захранващи блокове и намалява разходите, а това автоматично води до повишаване на продажбите.

В крайна сметка, през 1974 година, всеки който поне малко разбира от електроника е наясно, че протича истинска революция в областта на електронните захранвания.

Персоналният компютър Apple II бе представен през 1977 година. Една от неговите особености е импулсното захранване с изцяло пасивно охлаждане, което дава общо 38 W мощност по шините 5, 12, –5 и –12 V. По този начин се спазва един от основните принципи на Джобс, че компютърът не бива да шуми и да издава излишни звуци, понеже това нарушава концентрацията. В това захранване се използва опростената конструкция на Холт – автономен преобразувател-инвертор с обратна връзка. Тогава Джобс твърди, че сега всеки компютър на неговата компания използва революционната технология на Холт. Но дали през 1977 година този дизайн е революционен? Или е копиран от другите производители на компютри?

Не. Тези преобразователи с обратна връзка по това време се продават от Boschert и редица други компании. Холт получава патенти за някои особености в своя захранващ модул, но те не получават широко разпространение. А използването на отделни дискретни компоненти, както е направено е Apple II, се оказва технологичен път без изход. Бъдещето на импулсните захранвания принадлежи на специализираните IC-контролери.

Ако има компютър, който е оказал много сериозно влияние на конструкцията за захранванията от този тип, то това е IBM PC, представен през 1981 година. По това време, само 4 години след излизането на Apple II, технологиите, използвани в импулсните захранвания значително се усъвършенстват.

Така например, в захранването на IBM PC се използва IC контролер, в който са интегрирани около два пъти повече компоненти в сравнение с аналогичния захранващ блок на Apple II. Тези допълнителни компоненти осигуряват по-добра стабилизация на изходното напрежение и индикация, че всичко работи нормално, когато и четирите изходни напрежения са в норма.

През 1984 година IBM представя значително подобрения IBM Personal Computer AT. В неговото импулсно захранване се използват множество нови чипове, като компанията се отказва от използваната дотогава топология с обратна връзка. Този захранващ блок на IBM веднага става де факто стандарт и остава такъв до 1995 година, когато Intel официално представя спецификациите на форм фактора ATX, който определя освен всичко друго и характеристиките на ATX захранванията. ATX и до днес е стандарт при компютрите.

Въпреки появата на ATX стандарта, през същата тази 1995 година схемите на импулсните захранвания стават значително по-сложни след появата на процесора Pentium Pro, който изисква по-ниско ниско напрежение при по-голям ток, отколкото може да осигури ATX захранването. За да се осигурят тези напрежение и ток Intel представя регулатора на напрежение VRM (voltage regulator module) – импулсен стабилизатор за постоянен ток, който се поставя близо до процесора. Той намалява стандартното 5 V напрежение до 3 V, необходими за работата на процерсора. Видеокартите също имат VRM за захранването на високопроизводителните графични процесори. Но при тях е необходимо напрежение от около 1 V вместо входните 12 V.

В наши дни бързите процесори в персоналните компютри изискват до 150 W от VRM, което е значително повече от необходимите 0,5 W при процесора 6502 в Apple II. Един съвременен процесор консумира над три пъти повече енергия от целия компютър Apple II.

Растящата консумация на електрическа енергия предизвика загриженост за околната среда и бяха приети редица нормативни актове за повишаване ефективността на импулсните захранвания. Линейните захранвания вече са на практика забравени и не се използват в компютрите. В САЩ действа Energy Star и различните 80 Plus сертификати, които подтикват производителите да създават „по-зелени“ захранвания.

Това става чрез използването на по-ефективни компоненти, резонансни схеми за намаляване загубата на мощност при превключването на транзисторите, APFC решения за компенсация на реактивната мощност и за подобряване на КПД, както и редица други решения от подобен род.

Трудно е да съпоставим тази история с твърдението на Джобс, че Холт е трябвало да влезе в учебниците по история. Вероятно Род Холт е най-известният разработчик на импулсни захранвания, въпреки че не е направил нищо революционно.

5
ДОБАВИ КОМЕНТАР

avatar
5 Коментари
0 Отговори на коментарите
0 Последователи
 
Коментарът с най-много реакции
Най-горещият коментар
  Абонирай се  
нови стари оценка
Извести ме за
Adriyan
Adriyan

Браво, много интересна и изчерпателна тема.

Аз-Съм
Аз-Съм

Интересна тема но можеше малко да се доближи и в наши дни какво се е променило и развило какви са стандартите сега кой ги прави и т.н.

Efix
Efix

„През 1071 година на мода са 500 W варианти.“
Само да оправим това, статията е много хубава, благодаря!

Nicko
Nicko

Браво, чудесна статия! Изчетох я с интерес. Много добро впечатление прави това, че се използват правилните наименования на величините. В нашият език няма понятия като волтаж и ампераж, има ток и напрежение.

Valkost
Valkost

БРАВО ! По-често качвайте подобни статии !
„Който не помни историята си няма бъдеще ! “
Пък и вярвам всички ще се съгласят с мен, че в подобни теми липсват коментари на „всезнайковци“ целящи единствено конфронтация ?!