Краткая история импульсных источников питания

Высокоэффективные импульсные источники питания стали основным компонентом многих современных электронных систем. Каково их происхождение и как они развивались на протяжении десятилетий?

Импульсные источники питания встречаются в электронике повсеместно. Они обеспечивают постоянное напряжение, которое питает наши компьютеры, мобильные телефоны, зарядные устройства, бытовую технику и множество других электронных устройств. Независимо от того, какие электронные устройства находятся под рукой, им необходим надежный источник питания. Источники энергии могут быть разными: аккумуляторы, розетки переменного тока или солнце.

Во всех этих случаях напряжение источника питания должно быть преобразовано в стабильное и пригодное для использования напряжение, чтобы соответствовать требованиям конкретной схемы. Например, номинальное напряжение типичной щелочной батарейки AA составляет 1.5 В, которое постоянно падает по мере уменьшения ее заряда. Из-за этого питаемые схемы нуждаются в эффективных средствах поддержания постоянного входного напряжения. Вот тут-то и приходят на помощь импульсные источники питания.

Преобразование напряжения: линейный или импульсный источник питания?

Есть два основных варианта преобразования нестабильного более высокого входного напряжения в более низкое стабильное выходное напряжение. Один из них – линейный источник питания, а другой – импульсный источник питания.

Основным преимуществом линейных источников питания является простота их проектирования, а дополнительным – хорошая фильтрация питания. Однако они обычно требуют больших емкостей на входе и выходе и могут тратить впустую много энергии. А избыточное постоянное напряжение обычно рассеивается в виде тепла. Это также может создавать тепловые проблемы, для решения которых обычно требуются радиаторы или вентиляторы, помогающие отводить нежелательное тепло.

С другой стороны, в импульсных источниках питания используются транзисторы, которые могут переключаться тысячи раз в секунду для преобразования более высокого постоянного напряжения в более низкое постоянное напряжение. Хотя схемы импульсных источников питания сложнее и могут создавать электромагнитные помехи (ЭМП), для них требуются конденсаторы меньшего размера и они имеет более высокий КПД. Можно ожидать, что КПД импульсного источника питания будет выше 80%, а в большинстве конструкций КПД превышает 90% (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Базовая блок-схема импульсного источника питания. (Архив документов ВМС США [1]).

Генезис импульсного источника питания

Теория импульсных источников питания существует с самых ранних времен. Однако практическое применение эта идея получила только в 1950-х годах после изобретения кремниевого транзистора.

Значительное развитие импульсных источников питания произошло в конце 1950-х годов: General Electric опубликовала проект в 1959 году, а Pioneer Magnetics начала предлагать свои решения. Однако в то время транзисторы стоили очень дорого. Это исключало использование транзисторных источников питания во многих потребительских приложениях и зарезервировало их исключительно для приложений с самыми большими бюджетами.

Например, NASA и аэрокосмическая промышленность начали использовать импульсные источники питания в своих приложениях в 1960-х годах. Это было обусловлено небольшими размерами схем и их высоким КПД. Только спустя десятилетие их стоимость снизится настолько, что транзисторные источники питания смогут найти свое применение в потребительских устройствах.

Революция в области импульсных источников питания началась в 1970-х годах

В конце 1960-х годов импульсные источники питания начали появляться в продуктах, доступных для населения, но настоящая «революция» началась в 1970-х годах. Например, в 1966 году компания Tektronix включила импульсный источник питания в портативный осциллограф, а в 1967 году RO Associates представила 20-килогерцовую импульсную схему, которая считается первым коммерчески успешным импульсным источником питания.

Как бы то ни было, в начале 1970-х годов Hewlett-Packard, IBM и RCA начали интегрировать переключательные схемы в свои компьютеры. Примерно в то же время от импульсных схем начали питаться цветные телевизоры. В 70-е годы в популярных журналах по электронике, таких как Electronic Design, Electronics World и Computer Design, стали появляться статьи на эту тему. К ним относится обложка журнала Electronic Design 1976 года с надписью «Внезапно переключаться стало легче» (Рисунок 2).

Рисунок 2.	В этой статье, заголовок которой вынесен на обложку журнала Electronic Design, рассказывается о появлении импульсного источника питания. Electronic Design выпускался в объеме 200 страниц каждые две недели. (Более подробную информацию можно найти на сайте История мирового радио [2]).

Все достижения того времени были также побочным продуктом эволюции транзисторной технологии. Транзисторы становились все дешевле, быстрее и могли работать при более высоких напряжениях. Неожиданно импульсные схемы стали способны работать на более высоких частотах, что улучшило КПД, размеры и тепловыделение.

Любой новый и первоначально вызывающий ажиотаж источник питания, разработанный в то время, очень скоро исчезал с рынка, на котором появлялись более компактные, эффективные и в целом более производительные конструкции. Поскольку цены на транзисторы начали снижаться, производство этих источников питания обходилось дешевле, что позволяло технологии начать внедряться в повседневные потребительские товары.
Появление стандартов и спецификаций для источников питания

В 1990-х годах стали появляться стандарты на источники питания. Некоторые из них касались форм-факторов, а другие были больше ориентированы на электрические характеристики устройств.

Например, в 1995 году Intel разработала спецификацию блока питания ATX для компьютеров. Этот стандарт преобладает и сегодня – компьютерные блоки питания обычно имеют размеры 150 × 86 × 140 мм. Кроме того, они обеспечивают такие выходные напряжения, как 3.3, 12 и ±5 В. Дополнительные технические характеристики включают допуск по напряжению питания (обычно ±5%) и пульсации напряжения (Таблица 1).

Таблица 1.	Спецификации стандарта ATX версии 2.2. (Документ спецификации ATX [3])
Шина питания Допуск +5 В ±5% –5 В (если используется) ±10% +12 В ±5% –12 В ±10% +3.3 В ±5% +5 В для ждущего режима ±5%

Другой пример стандарта, который появился в 1990-х годах и существует до сих пор, касается электромагнитной совместимости. Действительно, схемы с ключевыми транзисторами могут создавать большое количество электромагнитных помех. Это не было проблемой до тех пор, пока электроника не стала получать все большее распространение в обществе. Такое электромагнитное излучение, создаваемое импульсной схемой, может создавать помехи для других электронных устройств.

В конце концов, Евросоюз принял закон, помогающий контролировать уровень электромагнитных помех, которые может излучать устройство. Вопросы электромагнитной совместимости и сегодня являются ключевым фактором, причем гораздо более строгим, чем в 90-е годы.

В целом, импульсные источники питания являются ключевой частью многих современных электронных систем. Их технология постоянно развивается, что позволяет повышать КПД, уменьшать размеры, увеличивать мощность, снижать пульсации, повышать стабильность и уменьшать электромагнитные излучения. По мере того как электроника продолжает развиваться, становится компактнее и эффективнее, будут развиваться и импульсные источники питания.

Ссылки

1. U.S. Navy document archive
2. World Radio History
3. ATX Specification document