半世紀前、より優れたトランジスタとスイッチングレギュレータがコンピュータ電源の設計に革命をもたらしました

インテルは内部に存在しない: 1977 年に発売された初代 Apple II マイクロコンピューターで使用されていたスイッチング電源のコンポーネント部品が X 線で明らかになりました。

コンピュータの電源あまり尊敬されません。

テクノロジー愛好家なら、自分のコンピュータにどのようなマイクロプロセッサが搭載されているか、物理メモリがどのくらい搭載されているかはおそらく知っているでしょうが、電源については何も知らない可能性があります。 心配しないでください。メーカーにとっても、電源の設計は後回しです。

パーソナル コンピュータに搭載されている電源を作成するにはかなりの労力が必要だったため、これは残念なことです。この電源は、1970 年代後半頃まで他の種類の家庭用電化製品に電力を供給していた回路に比べて大幅な進歩を示しています。 この画期的な進歩は、半世紀前の半導体技術の大きな進歩、特にスイッチング トランジスタの改善と IC の革新によってもたらされました。 それにもかかわらず、これは一般の人々だけでなく、マイクロコンピューターの歴史に詳しい多くの人々さえもまったく認識していない革命です。

しかし、電源業界には熱烈な擁護者がいないわけではありません。その中には、あなたを驚かせるかもしれないスティーブ・ジョブズ氏も含まれます。 公認伝記作家ウォルター・アイザックソンによると、ジョブズは先駆的な Apple II パーソナルコンピュータの電源とその設計者ロッド・ホルトに強い感情を抱いていたという。 アイザックソン氏の報告によれば、ジョブズの主張は次のようなものである。

ジョブズの主張は重大ですが、私には納得できなかったので、少し調べてみました。 スイッチング電源は革新的でしたが、その革命は 1960 年代後半から 1970 年代半ばにかけて起こり、スイッチング電源がシンプルだが非効率なリニア電源に取って代わられたことがわかりました。 1977 年に発売された Apple II は、この革命の恩恵を受けましたが、それを扇動することはありませんでした。

ジョブズ氏のバージョンの出来事に対するこの修正は、ちょっとしたエンジニアリングのトリビアをはるかに超えています。 今日、スイッチング電源はどこにでもある主力製品であり、スマートフォン、タブレット、ラップトップ、カメラ、さらには一部の自動車の充電にもスイッチング電源を毎日使用しています。 時計、ラジオ、ホームオーディオアンプ、その他の小型家電に電力を供給します。 この革命を実際に推進したエンジニアは評価されるに値します。 そして、それはとても良い話でもあります。

電源 Apple II のようなデスクトップ コンピュータでは、交流線間電圧を直流に変換し、システムに電力を供給するための非常に安定した電圧を提供します。 電源はさまざまな方法で構築できますが、最も一般的なのはリニア設計とスイッチング設計です。

一般的なリニア電源は、大型の変圧器を使用して、電力線からの比較的高電圧の AC を低電圧の AC に変換し、その後、ダイオードを使用して低電圧の DC に変換します。通常、そのうちの 4 つは古典的なブリッジ構成で配線されています。 ダイオードブリッジの出力を平滑化するために、大きな電解コンデンサが使用されています。 コンピュータの電源にはリニア レギュレータと呼ばれる回路が使用されており、DC 電圧を必要なレベルまで下げ、負荷が変化しても電圧を一定に保ちます。

リニア電源の設計と構築はほとんど簡単です。 また、安価な低電圧半導体を使用しています。 しかし、それらには 2 つの大きな欠点があります。 1 つは大きなコンデンサと大きな変圧器が必要で、現在私たちがスマートフォンやタブレットで使用している充電器ほど小型、軽量、便利なものには決してパッケージ化できません。 もう 1 つは、指定された出力電圧を超える過剰な DC 電圧を廃熱に変換するトランジスタベースの回路であるリニア レギュレータです。 そのため、このような電源は通常、消費電力の半分以上を浪費します。 そして、多くの場合、その熱をすべて取り除くために大きな金属製のヒートシンクやファンが必要になります。

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以前は、小型電子機器には通常、「壁いぼ」と軽蔑的に呼ばれた、かさばる壁用変圧器が使用されていました。 21 世紀に入る頃、技術の進歩により、小型デバイス向けにコンパクトで低電力のスイッチング電源が実用的なものになりました。 スイッチング AC/DC アダプタの価格が下がると、ほとんどの家庭用機器でかさばる壁用変圧器が急速に置き換えられました。

Apple は充電器を高度にデザインされたオブジェクトにし、2001 年にコンパクトな IC 制御フライバック電源を内蔵した洗練された iPod 充電器を発表しました [左]。 USB 充電器はすぐにどこにでも普及し、Apple の超小型インチキューブ充電器 (2008 年に発売) が象徴的なものになりました [右]。

このタイプのハイエンド充電器の最新の傾向は、窒化ガリウム (GaN) 半導体を使用することです。窒化ガリウム (GaN) 半導体は、シリコン トランジスタよりも高速にスイッチングできるため、より効率的です。 テクノロジーを別の方向に推し進め、現在では最も安価な USB 充電器が 1 ドル以下で販売されていますが、電力品質が悪く、安全機能が欠けているという代償を払っています。 —KS

スイッチング電源は異なる原理で動作します。一般的なスイッチング電源では、AC ライン入力が高電圧 DC に変換され、1 秒間に数万回オンとオフが切り替わります。 高周波を採用することで、はるかに小型軽量のトランスと小型のコンデンサの使用が可能になります。 特別な回路がスイッチングのタイミングを正確に調整して出力電圧を制御します。 このような電源はリニア レギュレータを必要としないため、エネルギーの無駄がほとんどありません。通常、効率が 80 ～ 90% であるため、発生する熱も大幅に少なくなります。

ただし、スイッチング電源はリニア電源よりもかなり複雑であるため、設計が難しくなります。 さらに、コンポーネントに対する要求ははるかに高く、高速で効率的にオン/オフを切り替えることができる高電圧パワートランジスタが必要です。

余談ですが、一部のコンピューターではリニア電源でもスイッチング電源でもない電源が使用されていることに言及しておきます。 粗雑ではあるが効果的な手法の 1 つは、商用電源からモーターを動作させ、そのモーターを使用して必要な出力電圧を生成する発電機を駆動することでした。 モーター ジェネレーター ユニットは、少なくとも 1930 年代の IBM パンチカード マシンまで遡り、1970 年代まで Cray スーパーコンピューターなどで使用され続けました。

1950 年代から 1980 年代にかけて普及したもう 1 つのオプションは、定電圧出力を提供する特殊なタイプの変圧器である鉄共振変圧器を使用することでした。 また、可飽和リアクトル、制御可能なインダクタは、1950 年代に真空管コンピュータの電源調整に使用されました。 これは、一部の最新の PC 電源に「マグアンプ」として再登場し [PDF]、追加のレギュレーションを提供します。 しかし最終的には、これらの奇妙なアプローチは主にスイッチング電源に取って代わられました。

背後にある原則スイッチング電源は 1930 年代から電気技術者には知られていましたが、この技術は真空管時代には限定的に使用されていました。 サイラトロンと呼ばれる特別な水銀含有管は、原始的な低周波スイッチング レギュレータと考えられる当時の一部の電源で使用されていました。 例としては、1940 年代の REC-30 テレタイプ電源や、1954 年の IBM 704 コンピュータで使用された電源などがあります。ただし、1950 年代のパワー トランジスタの導入により、スイッチング電源は急速に改善されました。 Pioneer Magnetics は 1958 年にスイッチング電源の製造を開始しました。また、General Electric は 1959 年にトランジスタ化スイッチング電源の初期設計を発表しました。

1960 年代を通じて、NASA と航空宇宙産業は、航空宇宙用途では高コストよりも小型サイズと高効率の利点があったため、スイッチング電源開発の主な推進力を提供しました。 たとえば、1962 年のテルスター衛星 (テレビ映像を送信した最初の衛星) とミニットマン ミサイルは両方ともスイッチング電源を使用しました。 10 年が経過するにつれてコストは下がり、供給品の切り替えが一般向けに販売されるように設計されました。 たとえば、1966 年にテクトロニクスはポータブル オシロスコープにスイッチング電源を使用し、主電源またはバッテリで動作できるようにしました。

電源メーカーがスイッチングユニットを他社に販売し始めたため、この傾向は加速しました。 1967 年、RO Associates は最初の 20 キロヘルツ スイッチング電源製品を発表し、これがスイッチング電源の最初の商業的成功例であると主張しました。 日本電子メモリ工業株式会社は、1970 年に日本で標準化されたスイッチング電源の開発を開始しました。1972 年までに、ほとんどの電源メーカーがスイッチング電源を販売するか、提供しようとしていました。

コンピュータ業界がスイッチング電源を使い始めたのもこの頃です。 初期の例としては、1969 年の Digital Equipment の PDP-11/20 ミニコンピュータや、1971 年の Hewlett-Packard の 2100A ミニコンピュータが挙げられます。1971 年の業界出版物には、スイッチング レギュレータを使用している企業は「コンピュータ業界の『名士』のようなものです。IBM、ハネウェル、ユニバックなど」と述べられています。いくつか例を挙げると、、DEC、バロウズ、RCAなどです。」 1974 年、スイッチング電源を使用するミニコンピュータには、Data General の Nova 2/4、Texas Instruments の 960B、および Interdata のシステムが含まれていました。 1975 年、スイッチング電源は、HP2640A ディスプレイ端末、IBM のタイプライターのような Selectric Composer、および IBM 5100 ポータブル コンピュータで使用されました。 1976 年までに、Data General はシステムの半分でスイッチング電源を使用し、HP は 9825A デスクトップ コンピュータや 9815A 電卓などの小規模システムにスイッチング電源を使用していました。 スイッチング電源も家庭に普及し、1973 年までに一部のカラー テレビに電力を供給しました。

この時代の電子雑誌では、スイッチング電源が広告や記事で大きく取り上げられていました。 1964 年に遡ると、Electronic Design は効率を向上させるためにスイッチング電源を推奨していました。 1971 年 10 月の Electronics World の表紙には、500 ワットのスイッチング電源と「スイッチング レギュレータ電源」というタイトルの記事が掲載されていました。 1972 年の Computer Design では、スイッチング電源と、コンピュータにおけるそのような電源の普及の増加について詳細に論じていますが、一部の企業は依然として懐疑的であると述べられています。 1976 年、Electronic Design 誌の表紙で、新しいスイッチング電源コントローラ IC について説明する「突然スイッチングが簡単になりました」と発表されました。 エレクトロニクス誌はこのテーマに関する長い記事を掲載した。 パワーテックは、「大きなスイッチはスイッチャーへ」というキャッチフレーズで、スイッチング電源の利点を宣伝する 2 ページの広告を掲載しました。 Byte は、Boschert という会社のマイコン用スイッチング電源を発表しました。

ロバート ボシャートは、1970 年に仕事を辞め、キッチン テーブルで電源装置を作り始めましたが、この技術の主要な開発者でした。 彼はこれらの設計を簡素化してリニア電源とのコスト競争力を高めることに重点を置き、1974 年までにプリンタ用の低コスト電源を量産し、1976 年には低コストの 80 W スイッチング電源を生産しました。 1977 年までに、Boschert Inc. は従業員数 650 人の会社に成長しました。 衛星やグラマン F-14 戦闘機用の電源を製造し、その後 HP やサンなどの企業向けのコンピューター電源を製造しました。

1960 年代後半から 1970 年代前半にかけて、ソリッド ステート プロダクツ社 (SSPI)、シーメンス エジソン スワン (SES)、モトローラなどの企業が高電圧、高速トランジスタを低コストで導入したことにより、トランジスタの普及が促進されました。電源を主流に切り替えます。 トランジスタのスイッチング速度が速いほど効率が向上します。これは、トランジスタの熱は主にオン状態とオフ状態の間で切り替わる間に放散されるためであり、デバイスがその遷移を速く行うことができれば、無駄なエネルギーが少なくなります。

当時、トランジスタの速度は飛躍的に向上していました。 実際、トランジスタ技術の進歩は非常に速かったため、1971 年にエレクトロニクス ワールドの編集者は、表紙に掲載されている 500 W 電源は、わずか 18 か月前に入手可能だったトランジスタでは構築できなかったと主張しました。

もう 1 つの注目すべき進歩は、シリコン ジェネラル セミコンダクターズの共同創設者であるロバート マンマーノが、電子テレタイプ マシン用に設計されたスイッチング電源を制御する最初の IC を導入した 1976 年に起こりました。 彼の SG1524 コントローラー IC は、これらの電源の設計を大幅に簡素化し、コストを削減し、売上の急増を引き起こしました。

1～2 年かかるかどうかは別として、1974 年までに、エレクトロニクス業界の知識が少しでもある人なら誰でも、電源設計に真の革命が起きていることは明らかでした。

リーダーとフォロワー: スティーブ・ジョブズは、1981 年に Apple II パーソナル コンピュータを披露しました。1977 年に初めて導入された Apple II は、大型のリニア電源から小型で効率的なスイッチング設計への業界全体の移行の恩恵を受けました。 しかし、ジョブズ氏が後に主張したように、Apple II がこの移行を促したわけではありません。写真: Ted Thai/The LIFE Picture Collection/Getty Images

Apple IIパーソナルコンピュータその機能の 1 つは、5、12、-5、-12 ボルトで 38 W の電力を供給するコンパクトなファンレス スイッチング電源 [PDF] でした。 これは、ホルトのシンプルな設計、オフライン フライバック コンバータ トポロジとして知られる一種のスイッチング電源を使用しました。 ジョブズ氏は、現在ではすべてのコンピューターがホルト氏の革新的なデザインを盗用していると主張した。 しかし、1977 年当時、このデザインは本当に革新的だったのでしょうか? そして、それは他のすべてのコンピュータメーカーによってコピーされたのでしょうか?

いや、いや。 同様のオフライン フライバック コンバータが当時、Boschert および他の企業によって販売されていました。 ホルトは、自社製品のいくつかの特定の機能について特許を取得しましたが、それらの機能は広く使用されることはありませんでした。 そして、Apple IIで行われたように、ディスクリートコンポーネントから制御回路を構築することは、技術的な行き詰まりであることが判明しました。 スイッチング電源の未来は、専用コントローラー IC にありました。

電源設計に永続的な影響を与えたマイクロコンピュータがあるとすれば、それは 1981 年に発売された IBM パーソナル コンピュータです。その時までに、Apple II からわずか 4 年後、電源テクノロジは大きく変化していました。 これらの初期のパーソナル コンピューターは両方とも、複数の出力を備えたオフライン フライバック電源を使用していましたが、共通点はそれだけでした。 それらの駆動、制御、フィードバック、および調整回路はすべて異なっていました。 IBM PC の電源には I2C コントローラーが使用されていましたが、Apple II の電源の約 2 倍のコンポーネントが含まれていました。 これらの追加コンポーネントは、出力に追加のレギュレーションを提供し、4 つの電圧がすべて正しい場合には「パワーグッド」信号を提供します。

1984 年、IBM は、IBM Personal Computer AT と呼ばれるパーソナル コンピュータの大幅にアップグレードされたバージョンをリリースしました。 その電源にはさまざまな新しい回路設計が使用され、以前のフライバック トポロジは完全に放棄されました。 これはすぐに事実上の標準となり、インテルが ATX フォームファクター仕様を導入した 1995 年までそのままでした。この仕様は、今日でも標準となっている ATX 電源を定義するものでした。

ATX 標準の登場にも関わらず、1995 年の Pentium Pro の導入により、コンピュータの電源システムはより複雑になりました。Pentium Pro は、ATX 電源が直接供給できるよりも低電圧、高電流を必要とするマイクロプロセッサです。 この電力を供給するために、インテルは電圧レギュレータ モジュール (VRM)、つまりプロセッサの隣に設置される DC-DC スイッチング レギュレータを導入しました。 これにより、電源の 5 V がプロセッサで使用される 3 V に低下しました。 多くのコンピューターに搭載されているグラフィックス カードには、高性能グラフィックス チップを駆動するための VRM も含まれています。

最近の高速プロセッサは、VRM から 130 W もの電力を必要とする場合があります。これは、Apple II の 6502 プロセッサが使用するわずか 0.5 ワットの電力を大幅に上回ります。 実際、最新のプロセッサ チップだけでも、Apple II コンピュータ全体が消費する電力の 3 倍以上を消費する可能性があります。

コンピュータの消費電力の増大は環境問題の原因となっており、その結果、電源をより効率的にするための取り組みや規制が行われています。 米国では、政府の Energy Star と業界主導の 80 Plus 認証により、メーカーはより多くの「グリーン」電源を生産するようになりました。 彼らは、より効率的な待機電力、より効率的な起動回路、スイッチング トランジスタの電力損失を低減する共振回路、スイッチング ダイオードをより効率的なトランジスタ化回路に置き換える「アクティブ クランプ」回路など、さまざまな技術を使用してこれを実現しました。 。 過去 10 年間のパワー MOSFET トランジスタと高電圧シリコン整流器技術の改善も、効率の向上につながりました。

スイッチング電源の技術は他の面でも進歩し続けています。 現在、多くの電源はアナログ回路を使用する代わりに、デジタル チップとソフトウェア アルゴリズムを使用して出力を制御しています。 電源コントローラの設計は、ハードウェア設計と同じくらいプログラミングの問題になっています。 デジタル電源管理により、電源装置がシステムの他の部分と通信できるようになり、効率とログ記録が向上します。 これらのデジタル テクノロジは現在主にサーバー用に限定されていますが、デスクトップ コンピュータの設計に影響を与え始めています。

四角にするのは難しいこの歴史は、ホルトはもっと知られるべきだ、あるいは「歴史書ではロッドはこの点であまり評価されていないが、彼はそうすべきだ」というジョブズの主張と結びついている。 最高の電源設計者であっても、小さなコミュニティの外では知られることはありません。 2009 年、Electronic Design の編集者はボシャートをエンジニアリングの殿堂に迎え入れました。 Robert Mammano は、2005 年に Power Electronics Technology の編集者から生涯功績賞を受賞しました。 ルディ・セヴァーンズ氏は、スイッチング電源の革新により、2008 年にも同様の生涯功績賞を受賞しました。 しかし、電源設計におけるこれらの著名人の中には、ウィキペディアでさえ有名な人物はいません。

ホルトは無視されてきたというジョブズ氏の繰り返しの主張により、1982年にカリフォルニア誌に掲載されたポール・チオッティの『オタクの復讐』からアイザックソンのベストセラー伝記に至るまで、アップルに関する数十の人気記事や書籍でホルトの業績が記述されるようになった。 2011 年のジョブズ。皮肉なことに、Apple II に関する彼の仕事は決して革新的ではなかったにもかかわらず、ロッド ホルトはおそらく史上最も有名な電源設計者になったのです。

この記事は、2019 年 8 月の印刷号に「コンピュータ電源の静かな作り直し?」として掲載されています。