苹果没有革新电源;新的晶体管才是
新传记《史蒂夫·乔布斯》对苹果II的电源和设计师罗德·霍尔特提出了一个引人注目的说法:[1] 霍尔特并没有使用传统的线性电源,而是建造了一个类似于示波器中使用的电源。它每秒切换电源的次数不是六十次,而是成千上万次;这使得它可以储存电力的时间大大缩短,从而产生更少的热量。“那个开关电源与苹果II的逻辑板一样具有革命性,”乔布斯后来说道。“罗德在历史书中得不到很多的认可,但他应该得到。现在的每台电脑都使用开关电源,它们都抄袭了罗德·霍尔特的设计。”我觉得很惊讶,电脑现在使用基于苹果II设计的电源,因此我做了一些调查。结果发现,苹果的电源在使用开关电源的概念上,或者在电源的具体设计上并没有革命性。现代计算机电源完全不同,并没有抄袭霍尔特的设计。事实证明,史蒂夫·乔布斯在如往常一样声称“每个人都在窃取苹果的革命性技术”,完全与事实相悖。开关电源的历史实际上非常有趣。尽管大多数人将电源视为一个无聊的金属盒子,但实际上它背后蕴藏了许多技术发展。实际上,在1960年代末至1970年代中期,开关电源取代了简单但效率低下的线性电源,这确实是一场电源领域的革命,但这是在苹果II于1977年问世之前的几年。对此次革命的功劳应归功于半导体技术的进步,特别是对开关晶体管的改进,以及控制开关电源的新型集成电路。 [2] 关于电源的一些背景 在标准的桌面电脑中,电源将交流电线电压转换为直流电,为多个经过精确调节的低电压提供高电流。电源可以采用多种方式构建,但线性电源和开关电源是与此讨论相关的两种技术。(有关大型机械马达发电机系统[3] 和铁共振变压器[4][5]等过时技术的更多信息,请参见附注。)典型的线性电源使用一个笨重的电源变压器将120V交流电转换为低交流电,再通过二极管桥将其转换为低电压直流电,最后使用线性稳压器将电压降低到所需水平。线性稳压器是一种廉价且易于使用的基于晶体管的组件,它将多余的电压转化为废热,以产生稳定的输出。线性电源几乎是微不足道的设计和构建。[6] 然而,一个主要缺点是,它们通常将约50-65%的电能浪费为热能,[7] 通常需要大型金属散热器或风扇来散热。第二个缺点是它们大且重。另一方面,线性电源中的部件(除了变压器)只需要处理低电压,输出非常稳定且无噪音。开关电源则以全然不同的原理工作:快速开关电源,而不是将多余的电力转化为热量。在开关电源中,交流电输入被转换为高压直流电,电源然后迅速地每秒切换直流电几千次,仔细控制切换的时间,使输出电压平均达到所需值。理论上,不会浪费任何电能,尽管在实践中效率为80%-90%。开关电源的效率远高于线性电源,发热量更少,体积更小、重量更轻。开关电源的主要缺点是,其复杂性远高于线性电源,设计起来困难得多。[8] 此外,它对组件的要求也更高,需要能够在高功率下以高速度高效开关的晶体管。开关电源中的开关、感应器和电容器可以以几种不同的布置(或拓扑)组合,命名如 Buck、Boost、Flyback、Forward、Push-Pull、Half Wave 和 Full-Wave。[9] 开关电源的历史(直到1977年) 开关电源的原理早在1930年代就已被了解[6],并在1950年代开始由离散组件构建。[10] 在1958年,IBM 704计算机使用了一种原始的基于真空管的开关调节器。[11] 先锋磁电公司在1958年开始制造开关电源[12](几十年后在个人计算机电源中做出关键创新[13])。通用电气在1959年发表了一个早期的开关电源设计。[14] 在1960年代,航空航天行业和NASA[15] 是开关电源发展的主要推动力,因为小型化和高效能的优势...
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