РадиоЛоцман - Все об электронике

1980 - поворотный момент в индустрии источников питания

ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

 

В октябре прошлого года после семи месяцев молчания из-за серьезной модернизации 70-метровой радиоантенны, расположенной в Канберре (Австралия), НАСА отправило набор команд 43-летнему космическому кораблю «Вояджер-2». Находясь в миллиардах миль от Земли с момента своего запуска в 1977 году, «Вояджер-2» подтвердил получение запроса и без каких-либо проблем выполнил команды. Интересно, конечно, но какое это имеет значение для разработчиков источников питания?

Запуск космического корабля «Вояджер-2» в 1977 году является напоминанием о важнейшей роли источников питания в системах электроники.
Запуск космического корабля «Вояджер-2» в 1977 году является напоминанием
о важнейшей роли источников питания в системах электроники.

Хотя разработчики систем часто считают его последним винтиком в устройстве, на самом деле источник питания, вероятно, является одной из самых важных частей их оборудования. От вакуумных тиратронов, использовавшихся в мощных выпрямителях REC-30 высоковольтных источников питания телетайпов в 1930 году, до новейших широкозонных полупроводников – без любопытства и увлеченности многого из этого разработчики силовой электроники не смогли бы сделать возможным. «Вояджер-2» – хороший тому пример, но кто помнит, что происходило в конце семидесятых – начале восьмидесятых годов в индустрии источников питания, и как ведущие инженеры-энергетики изменили облик нашей отрасли?

Назад в прошлое

Запущенный 20 августа 1977 года «Вояджер-2» питался от радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ), который превращает в электричество тепло от распада радиоактивного материала. Генерируемое напряжение стабилизируется и распределяется на 14 научных приборов и на главную плату управления. Вся система питания была разработана «под РИТЭГ», и, несмотря на то, что схема держалась в секрете, была упомянута совершенно новая технология под названием «импульсный источник питания».

Известные с 1930 года принципы импульсного преобразования энергии десятилетиями изучались конструкторами источников питания для аэрокосмической промышленности, и движущей силой исследований и разработок являлось НАСА. Учитывая астрономическую стоимость запуска, а также срок службы космических зондов и спутников, конструкторы космических источников питания стремились к снижению веса, повышению энергоэффективности и компактности. В шестидесятых годах НАСА уже использовало импульсные системы питания на некоторых спутниках, например на Telstar в 1962 году.

Параллельно с исследованиями, проводимыми аэрокосмическими и военными организациями для миниатюризации встроенных систем питания, разработчики источников питания в гражданских отраслях промышленности также анализировали решения, альтернативные старой, тяжелой, громоздкой традиционной архитектуре с трансформатором, выпрямителем и линейным регулятором. Вопрос о том, кто выпустил первый коммерческий импульсный источник питания, остается спорным, но мы можем упомянуть RO Associates, которая в 1967 году представила 20-килогерцовое решение для питания, за которым последовал целый вал продуктов, предложенных, например, японской фирмой NEMIC в 1970 году или Hewlett-Packard в 1973 году.

Для ведущих разработчиков систем питания было очевидно, что будущее за импульсными технологиями. Но в то время эталоном были линейные источники питания, а «коммутация» считалась подозрительным методом, и некоторые предсказывали, что поле помех, создаваемое переключением, может нанести серьезный ущерб конечному приложению.

Мы должны помнить, что в семидесятые годы нормой были линейные источники питания, и, несмотря на то, что Lambda представила линейку «стандартизованных» линейных источников питания, выпуск серии «H» компанией Power-One многими рассматривается как первое «готовое» решение для питания, – сначала в США, а затем в Европе. Основываясь на гениальной концепции гнутой алюминиевой пластины, используемой одновременно в качестве корпуса и теплоотвода, Power-One создала удивительное количество вариантов, предлагая разработчикам систем готовые к использованию источники питания (Рисунок 1).

Линейные источники питания серии «H» компании Power-One.
Рисунок 1. Линейные источники питания серии «H» компании Power-One.

Одновременно в Японии (а из этой страны поступало очень мало информации) производители не только запустили в производство полный спектр линейных источников питания, но и всего через несколько лет выпустили целый ряд решений для импульсного питания. Одним из примеров может служить компания ELCO/COSEL, которая в 1975 году выпустила серию линейных источников «G», а в 1977 году – полную линейку импульсных источников питания серии «H» (Рисунок 2). Надо признать, Япония тогда действительно опережала всех. Другим примером является компания Sony, которая в 1960 году, когда телевизионная промышленность еще использовала электронные лампы, первой применила транзисторы в своих телевизорах и, вероятно, была первой, кто в начале семидесятых использовал импульсный источник питания в телевизионном оборудовании.

Линейные источники питания серии «G» (вверху) и импульсные источники серии «H» (внизу), выпущенные компанией ELCO/COSEL в 1975 году.
Рисунок 2. Линейные источники питания серии «G» (вверху) и импульсные
источники серии «H» (внизу), выпущенные компанией ELCO/COSEL
в 1975 году.

Не следует также забывать, что в конце семидесятых – начале восьмидесятых годов подавляющее большинство компаний, создающих электронное оборудование, имели собственные подразделения источников питания, которые разрабатывали специальные решения в области питания для своих приложений. Неудивительно, что многими штатными разработчиками источников питания выпуск серии «H» компанией Power-One был воспринят как угроза. Чтобы опередить своих конкурентов, многие производители оборудования перешли на использование стандартных блоков питания, переориентировав НИОКР своих внутренних подразделений силовой электроники на новые технологии импульсного питания.

Со страстью, талантом и любопытством

Семидесятые годы были полны талантливых инженеров, ищущих лучших решений для импульсного питания, и для того, чтобы назвать их всех по именам, потребовалась бы отдельная статья. Среди них мне хотелось бы упомянуть двух «гуру силовой электроники» – Роберта Дж. Бошерта (Robert J. Boschert) из Boschert Associates и Фредерика Рода Холта (Frederick Rod Holt) из Apple, которые одновременно работали над более эффективными решениями в области источников питания. Оба стремились сделать блоки питания более компактными, легкими и эффективными.

Согласно легенде, в 1970 году Роберт Бошерт на своей кухне начал разработку более экономичного, конкурентоспособного и легкого источника питания в качестве альтернативы громоздкому трансформатору и линейной модели регулирования. Он сосредоточился на разработке импульсного источника питания для лепестковых и ленточных принтеров, которые он массово выпускал в 1974 году. В 1976 году Бошерт выпустил один из первых «готовых к использованию» импульсных источников питания и подал заявку на патенты 4,037,271 и 4,061,931 для защиты своих прав интеллектуальной собственности (Рисунок 3). Два патента были выданы менее чем за год, а затем последовал коммерческий успех импульсного источника OL25, который получил широкое освещение в прессе и средствах массовой информации. Например, 21 декабря 1978 года в журнале Electronics была опубликована статья «Обратноходовые преобразователи: твердотельное решение для недорогих импульсных источников питания». Роберт Бошерт также был пионером в продаже лицензий на свои права интеллектуальной собственности, и в 1977 году в его компании Boschert Inc. уже было более 600 сотрудников, а компания была сертифицирована для разработки решений в области импульсных источников питания для космоса и военной авиации.

Патенты 4,037,271 и 4,061,931 на импульсные регуляторы, полученные компанией Boschert Associates.
Рисунок 3. Патенты 4,037,271 и 4,061,931 на импульсные регуляторы, полученные компанией Boschert Associates.

В то же время, хотя Стив Джобс (Steve Jobs), известный своей любовью к новым технологиям, и считал, что методы импульсного питания представляют интерес, из-за нехватки времени Apple I был запущен в производство в апреле 1976 года с обычным линейным источником питания. Впрочем, работая над Apple II, Род Холт сконструировал автономный 38-ваттный многоканальный импульсный источник питания (Рисунок 4), на который он подал заявку в феврале 1978 года и получил патент в декабре (4,130,862). Apple II имел успех, и с ростом объемов продаж Apple передала производство блоков питания компании ASTEC, положив начало долгой истории OEM источников питания для компьютеров.

38-ваттный многоканальный импульсный обратноходовой источник питания компьютера Apple II, разработанный Родом Холтом.
Рисунок 4. 38-ваттный многоканальный импульсный обратноходовой источник
питания компьютера Apple II, разработанный Родом Холтом.

В изданной Уолтером Айзексоном (Walter Isaacson) биографии Стива Джобса, хорошо иллюстрирующей конкурентную среду в силовой электронике того времени, пережившей множество конфликтов, связанных со спорами о правах интеллектуальной собственности, написано, что Джобс сказал: «Вместо обычного линейного источника питания Холт сделал такой же, как используется в осциллографах. Он включал и выключал питание не шестьдесят раз в секунду, а тысячи раз; это позволяло ему сохранять энергию в течение гораздо меньшего времени и, таким образом, выделять меньше тепла. Этот импульсный источник питания был столь же революционным, как и материнская плата Apple II». Позже Джобс добавил: «Имя Рода не вошло в учебники истории, а должно было. В каждом компьютере теперь используются импульсные блоки питания, и все они копируют схемотехнику Рода Холта».

Конечно, как хороший маркетолог, Стив Джобс хотел бы, чтобы именно Apple удостоилась похвалы за внедрение импульсных блоков питания в ПК, хотя многие другие, например, IBM и HP одновременно пошли по этому же пути, стремясь к повышению характеристик и снижению затрат.

Однако, несмотря на огромные преимущества этой технологии, ее внедрение и принятие рынком было относительно медленным, и аналитики рынка подсчитали, что из всех источников питания, произведенных в 1978 году, только 8% были основаны на импульсной топологии.

Сделайте мой телетайп меньше, легче и быстрее

Во введении я упомянул тиратронный силовой выпрямитель типа REC-30, использовавшийся в источнике питания телетайпа 1930 года (Рисунок 5) [1]. Мало кто знает, что в те дни, задолго до появления систем связи 1, 2, 3, 4 и 5G, телетайпы были самыми современными телекоммуникационными машинами, побуждавшими разработчиков устройств питания изобретать и внедрять инновации.

Вакуумные тиратроны в блоке питания REC-30 телетайпа светятся синим светом. Оранжевый свет - это неоновая лампа, используемая в качестве источника опорного напряжения. (Источник: righto.com).
Рисунок 5. Вакуумные тиратроны в блоке питания REC-30 телетайпа светятся
синим светом. Оранжевый свет – это неоновая лампа, используемая
в качестве источника опорного напряжения. (Источник: righto.com).

Помимо появления новых схемотехнических решений, значительный вклад в эволюцию индустрии импульсных источников питания был внесен в 1976 Робертом Маммано (Robert Mammano), соучредителем Silicon General Semiconductors, представившим первую микросхему управления, предназначенную для импульсных источников питания (Рисунок 6). Выпуск контроллера SG1524 стал большим шагом вперед для сообщества разработчиков источников питания, и его первым применением стало новое поколение телетайпов, которые позиционировались как «более компактные, легкие и быстрые».

Первая микросхема управления импульсными источниками питания.
Рисунок 6. Первая микросхема управления импульсными источниками питания.

Выпуск микросхемы SG1524, первоначально разработанной для решения проблемы производства телетайпов, заложил начало индустрии современных импульсных источников питания, открыв путь изобретениям и инновациям, которые всем нам приносят пользу и сегодня.

Гонка импульсных источников питания началась

С развитием персональных компьютеров и ИТ-оборудования необходимость дальнейшего улучшения КПД и снижения веса увеличила спрос на конструкторов источников питания. Лидеры компьютерной индустрии, такие как IBM, обзавелись впечатляющими подразделениями силовой электроники, и запуск персонального компьютера IBM 5150 задал темп для разработки специальных источников питания – сначала с использованием микросхемы NE5560, а затем и SG3524. Импульсные источники питания для персональных компьютеров создаются под материнские платы и не могут служить готовыми универсальными решениями для обычных приложений, однако эффект снежного кома способствовал вовлечению контрактных производителей в ускоренную разработку их собственных продуктов, запустив полный спектр коммерческих изделий.

Невозможно перечислить все промышленные продукты и инновации того периода, но, поскольку мы упомянули серию «H» компании Power-One, уместно вспомнить молодого инженера по имени Стив Голдман, который присоединился к Power-One в начале восьмидесятых годов и возглавил команду, разработавшую новое поколение импульсных источников питания серии MAP. Забавно, но MAP можно расшифровать как Майкл Арчер (Michael Archer Product) – имя главного инженера-конструктора Power-One в то время.

Переход вычислительной и промышленной отраслей на импульсную архитектуру источников питания начался одновременно и, хотя должны были пройти годы, прежде чем эта технология возобладала над проверенными временем линейными решениями, по всему миру прошла волна учредительных съездов и конференций, предоставивших разработчикам силовой электроники форумы для обмена знаниями и изучения новых технологий.

1980: поворотный момент в индустрии источников питания

В конце 70-х – начале 80-х годов индустрия источников питания заложила основы всего того, что мы имеем сегодня. Несмотря на то, что еще в 1970 году международной ассоциацией IEEE была учреждена Конференция специалистов по силовой электронике (PESC), разработчики и лидеры отрасли сочли, что им нужна другая площадка для обмена знаниями в области технологий, новыми идеями и передовым опытом. С 20 по 22 марта 1975 года в Беверли-Хиллз, Калифорния, прошла учредительная конференция POWERCON, после чего в 1978 году была организована конференция под названием INTELEC, посвященная главным образом телекоммуникациям. К сожалению, по прошествии девяти лет POWERCON прекратила свою деятельность в 1984 году, оставив сиротой сообщество разработчиков систем питания.

В те дни, когда дедушка Интернета – ARPANET только что принял протокол TCP/IP (январь 1983 г.), разработчики источников питания были еще далеки от возможности общения в чатах и ведения блогов, и с ростом потребности конструкторов силовой электроники в более тесном общении стала очевидной необходимость в «одном месте, где можно поделиться опытом». В 1983 году было основано Китайское общество разработчиков источников питания (China Power Supply Society, CPSS), а в 1985 году была учреждена Ассоциация производителей источников питания (Power Sources Manufacturers Association, PSMA) [3]. Обе организации ставили своей целью обмен знаниями и облегчение общения разработчиков источников питания внутри своих профессиональных сообществ, и сейчас, 35 лет спустя, обе все еще продолжают оказывать им поддержку.

В то же время, когда была сформирована PSMA, восемь увлеченных инженеров – Билл Хейзен (Prime Computer), Дон Дринкуотер (DEC), Фил Хауэр (Unitrode), Джонатан Вуд (Data General), Марти Шлехт (Массачусетский технологический институт), Джек Райт (GE), Трей Бернс (Data General) и Джон Кассакиан (Массачусетский технологический институт) объединились для реализации идеи создания конференции по источникам питания, которая охватывала бы исследования и прикладную электронику и служила бы для вовлечения инженеров-электронщиков в более широкое сообщество, включающее промышленность и проведение выставок. Она должна была называться Выставка и конференция по практической силовой электронике (Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC), и первая конференция прошла с 28 апреля по 1 мая 1986 года в Новом Орлеане.

А история продолжается…

Индустрия силовой электроники пережила множество периодов развития, потрясений и революций. Если появление биполярного транзистора было, возможно, «первой» технологической революцией, то переход от линейного преобразования мощности к импульсной технологии, несомненно, был второй революцией и началом долгого эволюционного пути.

Через 43 года после запуска «Вояджер-2» преодолел 14 миллиардов миль в глубоком космосе, и источники питания, разработанные первопроходцами в начале семидесятых годов, все еще работают. То, что мы делаем в отрасли силовой электроники, волнует и воодушевляет нас всех, и спасибо всем гениальным разработчикам источников питания, которых я не смог назвать в этой статье, внесшим свой вклад в переход от линейной технологии к импульсной.

Ссылки

  1. Teletype Model 19 Thyratron Power Supply
  2. China Power Supply Society (CPSS)
  3. Power Sources Manufacturers Association was incorporated (PSMA)
  4. Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC)

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: 1980 - a pivotal point in the power industry

Изготовление плат и монтаж компонентов для вашего проекта от $2. Получи купон на скидку: JLCNY

ADMV8420 - настраиваемый полосовой СВЧ фильтр от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя