蘋果公司雖然沒有引發(fā)這場革命，但正如喬布斯聲稱的那樣，蘋果從中受益匪淺。

沒有內置英特爾芯片：X射線揭示了1977年發(fā)布的AppleII微型計算機中使用的開關電源的組成部分。

作為技術愛好者，你可能知道你的計算機中的微處理器是什么，知道它有多少內存，但你很可能對電源一無所知。別難過，即使對于制造商來說，設計電源也是后來才想到的。

這是一件令人遺憾的事情，因為創(chuàng)造PC機中使用的電源需要付出相當大的努力，這與上世紀70年代末之前其他消費電子產(chǎn)品的供電電路相比是巨大的進步。這一突破源于半個世紀前半導體技術的巨大進步，特別是開關晶體管的改進和集成電路的創(chuàng)新。然而，這是一場革命，它完全沒有被公眾所認識，甚至沒有被許多熟悉微型計算機歷史的人所認識。

然而，電源并非沒有熱情的支持者，其中就有一個可能讓你感到意外的人：史蒂夫·喬布斯。據(jù)喬布斯的授權傳記作者沃爾特·艾薩克森說，喬布斯對開創(chuàng)性的AppleIIPC機及其設計師RodHolt的電源設計有著強烈的感情。據(jù)艾薩克森報道，喬布斯的說法是：

Holt沒有使用傳統(tǒng)的線性電源，而是制造了一種類似于用在示波器中的電源。它每秒開關電源的次數(shù)不是60次，而是數(shù)千次，這使得它能以更短的時間儲存能量，從而減少熱量。喬布斯后來說：“這種開關電源和AppleII邏輯板一樣具有革命性。Rod在歷史上并沒有因此得到很多贊譽，但他應該得到?，F(xiàn)在每臺計算機都使用開關電源，他們都抄襲RodHolt的設計?！?/p>

喬布斯的聲明很重要，但我并不認同，所以我做了一些調查。我發(fā)現(xiàn)，雖然開關電源是革命性的，但革命發(fā)生在20世紀60年代末至70年代中期，因為開關電源取代了簡單但效率低下的線性電源。1977年推出的AppleII從這場革命中受益，但并未引發(fā)這場革命。

喬布斯對這件事的改版遠不止工程上的瑣事。今天，開關電源是無處不在的支柱，我們每天都用它給我們的智能手機、平板電腦、筆記本電腦、相機，甚至某些汽車充電。它們?yōu)闀r鐘、收音機、家用音頻放大器和其他小型電器供電。真正引發(fā)這場革命的工程師應該得到認可。而且這也是一個很好的故事。

AppleII等臺式計算機中的電源將交流電轉換為直流電，為系統(tǒng)提供非常穩(wěn)定的電壓。電源可以以多種方式構建，但線性設計和開關設計是最常見的兩種。

典型的線性電源使用體積龐大的變壓器，將電力線上的高壓交流電轉換為低壓交流電，然后再用二極管將交流電轉換成低壓直流電，通常用4個二極管組成經(jīng)典的整流橋結構。大型電解電容器用于平滑二極管電橋的輸出。計算機電源使用一種稱為線性穩(wěn)壓器的電路，它可以將直流電壓降低到所需的水平，并在負載變化時保持電壓穩(wěn)定不變。

線性電源的設計和構建幾乎是微不足道的。而且它們使用便宜的低壓半導體。但是它們有兩個主要的缺點。其一是需要大電容和大型變壓器，它們永遠無法被封裝成像我們現(xiàn)在在智能手機和平板電腦上使用的充電器那樣小巧輕便的東西。其二，線性穩(wěn)壓器一種基于晶體管的電路，會將多余的直流電壓——任何高于指定輸出電壓的電壓——轉換為余熱。因此，這樣的供電通常會浪費掉一半以上的功耗。它們經(jīng)常需要大型金屬散熱器或風扇來散熱。

毫不掩飾缺陷

過去，小型電子設備通常使用笨重的壁式變壓器，人們輕蔑地稱之為“墻壁肉贅”。約在21世紀初，技術的進步使得緊湊、低功耗的開關電源適用于小型設備。隨著開關AC/DC適配器價格的下降，它們迅速取代了大多數(shù)家用設備中笨重的壁式變壓器。

蘋果公司把充電器變成了一款設計精良的產(chǎn)品，2001年推出了一款時尚的iPod充電器，內置了一個緊湊的IC控制反激式電源。USB充電器很快變得無處不在，蘋果公司2008年推出的超小型inch-cube充電器成為了標志性產(chǎn)品。

這類高端充電器的最新趨勢是使用氮化鎵（GaN）半導體，這種半導體的開關速度比硅晶體管快，因此效率更高。技術被推向了另一個方向，最便宜的USB充電器現(xiàn)在的售價不到1美元，盡管代價是電源質量差，缺少安全功能?！狵.S.

開關電源的工作原理不同：在典型的開關電源中，交流輸入轉換為高壓直流，每秒開關數(shù)萬次。所采用的高頻允許使用更輕巧的變壓器和更小的電容器。一個特殊的電路精確地控制輸出電壓的時間。這些電源不需要線性穩(wěn)壓器，因此幾乎不浪費電能：它們的效率通常可達80%~90%，因此釋放的熱量要少得多。

然而，開關電源比線性電源復雜得多，因此設計起來比較困難。此外，它對元件的要求更高，要求高壓功率晶體管能夠高效地高速開關。

順便提一下，有些計算機使用的電源既不是線性電源，也不是開關電源。一種原始但有效的技術是使電動機脫離線路電源，并使用該電動機驅動產(chǎn)生所需輸出電壓的發(fā)電機。電動發(fā)電機組使用了幾十年，至少可以追溯到20世紀30年代的IBM打卡機，并持續(xù)到20世紀70年代用于Cray超級計算機等。

20世紀50~80年代流行的另一種選擇是使用鐵磁諧振變壓器，這是一種特殊類型的變壓器，可以提供恒定的電壓輸出。此外還有可飽和電抗器，他是一種可控電感器，在20世紀50年代被用于真空管計算機的電源調節(jié)。它在一些現(xiàn)代PC機電源中作為“磁放大器”重新出現(xiàn)，提供額外的調節(jié)。但最終，這些奇怪的方法大多讓位于開關電源。

開關電源背后的原理早在20世紀30年代就為電氣工程師所知，但這種技術在真空管時代的應用有限。當時，某些電源中使用了稱為閘流管的特殊含汞管，這些電源可被視為原始的低頻開關穩(wěn)壓器。例子包括20世紀40年代的REC-30電傳打字機電源以及1954年IBM704計算機中使用的電源。然而，隨著20世紀50年代功率晶體管的引入，開關電源迅速改善。PioneerMagnetics公司于1958年開始構建開關電源。通用電氣公司于1959年發(fā)布了晶體管開關電源的早期設計。

20世紀60年代，美國宇航局和航天工業(yè)為開關電源的發(fā)展提供了主要動力，因為在航天應用中，體積小、效率高的優(yōu)勢超過了高成本。例如，1962年的Telstar衛(wèi)星（第一顆傳輸電視圖像的衛(wèi)星）和Minuteman導彈都使用了開關電源。10年之后，成本降低了，開關電源被設計成銷售給公眾的產(chǎn)品。例如，在1966年，Tektronix公司在便攜式示波器中使用了開關電源，使它能夠使用電源電流或電池。

隨著電源制造商開始向其他公司出售開關電源，這一趨勢加快了。1967年，ROAssociates推出了第一款20kHz的開關電源產(chǎn)品，據(jù)稱這是第一款商用成功的開關電源。日本電子存儲工業(yè)株式會社于1970年開始在日本開發(fā)標準化開關電源。到1972年，大多數(shù)電源制造商都在銷售開關電源或即將提供開關電源。

大約在這個時候，計算機行業(yè)開始使用開關電源。早期的例子包括1969年的數(shù)字設備公司的PDP-11/20微型計算機和1971年的惠普公司的2100A微型計算機。1971年的一份行業(yè)刊物指出，使用開關穩(wěn)壓器的公司讀起來就像是計算機行業(yè)的“名人堂”：例如，IBM、霍尼韋爾、Univac、DEC、Burroughs和RCA等。1974年，使用開關電源的小型計算機包括數(shù)據(jù)通用公司的Nova2/4、德州儀器公司的960B，以及Interdata公司的系統(tǒng)。1975年，開關電源用于HP2640A顯示終端、IBM的類似打字機的SElectricComposer，以及IBM5100便攜式計算機。到1976年，DataGeneral在其一半系統(tǒng)中使用了開關電源，而惠普則將其用于更小的系統(tǒng)，如9825A臺式電腦和9815A計算器。同時，開關電源也出現(xiàn)在家庭中，1973年開始為成為一些彩色電視機的電源。

開關電源廣泛出現(xiàn)在那個時代的電子雜志上，無論是廣告還是文章。早在1964年，《電子設計》就推薦使用開關電源以提高效率。1971年10月的《電子世界》封面展示了一個500瓦的開關電源和一篇題為“開關穩(wěn)壓器電源”的文章。1972年，《計算機設計》詳細討論了開關電源以及此類電源在計算機中的日益普及，不過它也提到，一些公司仍然持懷疑態(tài)度。1976年，《電子設計》的封面上寫道，“開關突然變得更容易了”，描述了一種新型開關電源控制器IC。《電子學》雜志就這個問題發(fā)表了一篇很長的文章；《電源技術》針對其開關電源的優(yōu)勢發(fā)布了兩頁廣告，其標語為“大變革是轉向開關電源”；《字節(jié)》則宣布了一家名為Boschert的公司開始為微型計算機提供開關電源。

RobertBoschert于1970年辭去工作，開始在自家廚房的餐桌上制造電源，他是這項技術的關鍵開發(fā)者之一。他專注于簡化這些設計，使其與線性電源相比具有成本競爭力，到1974年，他開始批量生產(chǎn)用于打印機的低成本電源，1976年又生產(chǎn)了一種低成本的80瓦開關電源。1977年，Boschert已發(fā)展成為一家擁有650名員工的公司。它為衛(wèi)星和格魯曼F-14戰(zhàn)斗機制造電源，后來為惠普和太陽等公司生產(chǎn)計算機電源。

20世紀60年代末和70年代初，固態(tài)產(chǎn)品公司（SSPI）、西門子愛迪生斯旺公司（SES）和摩托羅拉等公司引入了低成本的高壓高速晶體管，將開關電源推向主流。更快的晶體管開關速度提高了效率，因為在這種晶體管中，熱量主要是在導通和截止狀態(tài)之間轉換時耗散的，器件開關越快，浪費的能量就越少。

晶體管速度在當時突飛猛進。的確，晶體管技術發(fā)展得如此之快，以至于《電子世界》的編輯在1971年稱，封面上的500瓦電源不可能是用18個月前才有的晶體管制造的。

另一個顯著的進步發(fā)生在1976年，當時SiliconGeneralSemiconductors的聯(lián)合創(chuàng)始人RobertMammano推出了第一款用于控制開關電源的IC，專為電子電傳打字機設計。HisSG1524控制器IC極大地簡化了這些電源的設計，降低了成本，引發(fā)了銷量的飆升。

到了1974年，差不多一兩年的時間，任何對電子行業(yè)稍有了解的人都清楚，電源設計領域正在發(fā)生一場真正的革命。

領導者和追隨者：1981年，史蒂夫·喬布斯展示了一臺AppleIIPC機。蘋果II于1977年首次推出，受益于整個行業(yè)從笨重的線性電源轉向小型、高效的開關電源設計。但正如喬布斯后來所說，AppleII并沒有引發(fā)這種轉變。

AppleIIPC機于1977年推出。它的特點之一是緊湊的無風扇開關電源，提供5V、12V、-5V和-12V電壓，功率38W。它使用Holt的簡單設計，一種稱為離線反激式轉換器拓撲的開關電源。喬布斯聲稱現(xiàn)在每臺電腦都剽竊了霍爾特的革命性設計。但是這個設計在1977年真的是革命性的嗎？它是否被其他所有電腦制造商復制了？

事實并非如此。當時Boschert和其他公司也在銷售類似的離線反激式轉換器。Holt獲得了幾個特定功能的專利，但這些功能從未被廣泛使用。而且，像AppleII那樣用分立元件構建控制電路被證明是技術上的死胡同。開關電源的未來屬于專用控制器IC。

如果說有一種微型計算機對電源設計產(chǎn)生了持久的影響，那就是1981年推出的IBMPC機。那時，僅僅在AppleII推出四年后，電源技術發(fā)生了巨大的變化。雖然這兩款早期的PC機都使用了帶有多個輸出的離線反激電源，但它們的共同點只有這些。它們的驅動、控制、反饋和調節(jié)電路都是不同的。盡管IBM的PC機電源使用了IC控制器，但它包含的組件大約是AppleII電源的兩倍。這些額外的組件對輸出提供額外的調節(jié)，并在所有四個電壓都正確時發(fā)出“電源正?！钡男盘?。

1984年，IBM發(fā)布了一款升級版的個人電腦，名為IBMPersonalComputerAT。它的電源采用了多種新的電路設計，完全拋棄了早期的反激拓撲結構。它很快成為事實上的標準，并一直保持到1995年，當時英特爾推出了ATX外形規(guī)格，其中定義了ATX電源，它直到今天仍然是標準。

盡管出現(xiàn)了ATX標準，但隨著1995年PentiumPro的問世，計算機電源系統(tǒng)變得更加復雜。PentiumPro是一種微處理器，它需要比ATX電源直接提供的電壓更低，電流更大。為了提供這種電源，英特爾推出了電壓調節(jié)模塊（VRM），即安裝在處理器旁邊的DC-DC開關穩(wěn)壓器。它將電源中的5V降低為處理器使用的3V。許多計算機中的顯卡也包含VRM，用于驅動它們所包含的高性能顯卡芯片。

如今，快速處理器可能需要高達130W的VRM，遠遠超過AppleII6502處理器使用的0.5W功率。事實上，單是一個現(xiàn)代處理器芯片就可以消耗整個AppleII計算機3倍以上的電能。

計算機日益增長的功耗已成為環(huán)境問題的一個原因，導致了一些旨在提高電源效率的舉措和法規(guī)。在美國，政府的能源之星和行業(yè)領先的80多個認證推動制造商生產(chǎn)更多的“綠色”電源。他們已經(jīng)能夠使用各種技術做到這一點：更高效的備用電源，更高效的啟動電路，減少開關晶體管功率損耗的諧振電路，以及用更高效的晶體管電路取代開關二極管的“有源鉗位”電路。在過去的十年中，功率MOSFET晶體管和高壓硅整流技術的改進也帶來了效率的提高。

開關電源技術在其他方面也在不斷發(fā)展。今天，許多電源不再使用模擬電路，而是使用數(shù)字芯片和軟件算法來控制它們的輸出。電源控制器的設計不僅是硬件設計的問題，也是編程的問題。數(shù)字電源管理允許電源與系統(tǒng)的其余部分進行通信，以獲得更高的效率和記錄。雖然這些數(shù)字技術現(xiàn)在很大程度上是為服務器保留的，但它們正開始影響臺式計算機的設計。

很難將這段歷史與喬布斯所說的“Holt應該更出名”，“Rod在歷史書中并沒有因此獲得很多贊譽，但他應該得到”相提并論。即使是最優(yōu)秀的電源設計師也不會在一個小圈子之外為人所知。2009年，《電子設計》的編輯歡迎Boschert進入他們的工程名人堂。RobertMammano在2005年獲得了《電力電子技術》的編輯頒發(fā)的終身成就獎。RudySeverns因其在開關電源領域的創(chuàng)新而在2008年獲得了另一項終身成就獎。但這些電源設計領域的杰出人物甚至都不是維基百科上的名人。

喬布斯多次強調Holt被忽視了，這導致Holt的作品出現(xiàn)在數(shù)十篇有關蘋果的熱門文章和書籍中，從1982年PaulCiotti在《加州雜志》上發(fā)表的《書呆子的復仇》（RevengeoftheNerds），到2011年艾薩克森為喬布斯寫的最暢銷的《喬布斯傳》，不一而足。因此，具有諷刺意味的是，盡管RodHolt在AppleII上的工作絕不是革命性的，但他可能已經(jīng)成為了有史以來最著名的電源設計師。