1.1 穩壓電源的發展歷史

在當今的生產、生活中，電源處于不可或缺的地位，例如生活中用的空調、計算機、手機、汽車等，必須使用電源；工業中生產電子產品用的貼片機、光刻機等，也必須使用電源。

真空電子管（如圖1.1所示）是電子管的一種，也簡稱為真空管，是電子管最主要的形式。在電子管統治電子線路的時代，大多數的電子線路并不需要供電電源十分穩定，那時的電源并不需要非常穩定及確定的電壓值。通常先將交流市電（“市電”是指城市里主要供居民使用的電源）經過變壓器轉換到合適的電壓值后，再通過電子管（可以是真空管、汞整流管、充氣閘流管等）的整流變成脈動直流電，最后經過電容輸入式濾波或電感輸入式濾波將脈動直流電轉換成為需要的平滑直流電。為了攜帶方便，也可以用電池供電，這時的真空管是專用于電池供電的節電型，比如以前的電池式收音機、收發報機及電臺。由于真空電子管的電路不太關心供電端輸出電壓值是否穩定，所以在當時的背景下并沒有大力發展穩壓電源的電路設計。

隨著晶體管技術的發展，晶體管逐漸替代了電子管，現在使用電子管的電路非常少了，僅僅在一些音箱里面還能見到，在其他場景幾乎很難見到。因此關于電子管的工作原理，現在的硬件工程師可能很少有了解。

現在，計算機、手機改變了我們的生活，處理著幾十年前人類無法想象的事情，但幾乎所有技術都基于一個劃時代的發明——晶體管。最初人類歷史上的計算都是用手工計算，比如算盤。后來有了最原始的計算機，它里面使用了機械部件進行計算，計算機的特點就是用特定方式表示數字，并運用系統自動化地處理數字。再后來有了電子計算機，它使用和機械計算機相同的運算方式。但是電子計算機不使用物理排列數字，而選擇“電壓”代表數字。大部分計算機使用布爾數學體系，只有兩種可能的值——“True”和“False”，并且用二進制數值“1”和“0”表示。在計算機內部通過各種邏輯門電路執行。常見的門電路圖如圖1.2所示。

基于某一個輸入或一些輸入的計算結果是否滿足某一個邏輯陳述，即我們編程時使用的“if... else...”這種邏輯判斷結構，這些電路可以處理三種基本邏輯運算——與、或、非；其他運算方法都是通過組合這三種最基本的運算邏輯實現復雜運算，比如加法和減法。對于更多的數據運算，則是使用更多計算單元，計算機就需要通過程序操作“指令”和“數據”。

計算機需要用電的物理量來表示“0”和“1”，比如電壓、電流。一般“有電”表示“1”,“沒電”表示“0”。世界上第一臺通用計算機（如圖1.3所示）誕生于1946年2月，它是美國賓夕法尼亞大學物理學家莫克利（Mauchly）和工程師埃克特（Eckert）等共同開發的電子數字積分計算機（Electronic Numerical Integrator and Computer,ENIAC），其內部的邏輯單元都是用的真空管。

ENIAC當時由1.8萬個電子管組成，是一臺又大又笨重的機器，重達30多噸，占地有兩三間教室。它當時的運算速度為每秒5000次加法運算。

真空管是一種電子管，在電路中控制電子的流動。參與工作的電極被封裝在一個真空的容器內（管壁大多為玻璃），因而得名。也有些地方稱之為“膽管”。真空管示意圖如圖1.4所示。

在真空玻璃管內部放兩個電極，并且給陰極（如同電阻絲一樣）接上電壓，使其溫度上升，釋放電子。同時，在陰極和陽極之間加一個電勢差，由于陽極有正電位，陰極釋放的電子就會被吸引過去。這樣就形成一種類似二極管的單向導通性。真空管單向導通性示意圖如圖1.5所示。

為了可以控制是否導通，在真空管的中間位置增加一個電極。這是在兩個電極之間增加一個網絡狀的電路，可以控制電子是否通過。這個網絡狀的電路稱為柵格，通過控制柵極的電壓可以控制是否允許電子通過：當柵極接一個負壓，則對陰極的電子排斥，阻止電子通過；當柵極接一個正壓，則對陰極的電子進行吸引，加速電子通過，從而真空管得以實現快速電流開關。通過柵極加壓，可以對電子加速，所以就實現了真空管的信號放大特性。具有信號放大特性的真空管如圖1.6所示。

雖然真空管可以實現控制通斷和信號放大的特性，但是它不穩定、功耗高且笨重。

1947年，美國物理學家肖克利（Shockley）、巴丁（Bardeen）和布拉頓（Brattain）三人合作發明了晶體管——一種有三個支點的半導體固體元件。晶體管問世后，由于其具有功耗低、體積小、價格相對便宜、連接方式靈活等特點，使很多真空管不能實現的功能在電子線路中得以實現，例如脈沖電路和數字電路。晶體管微型計算機的運算速度、可靠性、功耗等遠優于真空管微型計算機。隨著晶體管的應用領域越來越多，晶體管電路對電源的要求也越來越高，出現了獨立存在的晶體管穩壓電源，同時在很多晶體管電路中也設置了穩壓電源。當時的穩壓電源通常是線性穩壓電源。

1955年美國的科學家羅耶（Royer）首先研制成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。因為它是Royer先發明和設計的，故又稱“Royer變換器”。Royer結構的基本電路，也稱為自激式推挽多諧振蕩器，如圖1.7所示。它是利用開關晶體管和變壓器鐵芯的磁通量飽和來進行自激振蕩，從而實現開關管“開/關”轉換的直流變換器。這種結構在早期的液晶彩電逆變器中應用較多。Royer結構的驅動電路和驅動控制IC配合使用，即可組成一個具有亮度調整和保護功能的逆變器電路。

注：CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp），中文譯名為冷陰極熒光燈管，具有高功率、高亮度等優點，廣泛應用于顯示器、照明等領域。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開關狀態，所以由此而制成的穩壓電源輸出的組數多、極性可變、效率高、體積小、重量輕。由于那時的微電子設備及技術十分落后，不能制作出耐壓高、開關速度較高、功率較大的晶體管，所以那個時期的直流變換器只能采用低電壓輸入。由于沒有專用的控制開關電源集成電路，最初的開關電源幾乎無例外地采用了Royer變換器電路，這種電路雖然滿足了當時的需求，但其最大的缺點是效率低、可靠性低，成為日后被淘汰的最主要原因。

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，某些電源中使用了被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壓器，如20世紀40年代的REC-30電傳打字機電源和1954年IBM 704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，開關電源的設計迅速改善。Pioneer Magnetics公司于1958年開始構建開關電源。通用電氣公司于1959年發布了晶體管開關電源的早期設計。

20世紀60年代，美國國家航空航天局和航天工業為開關電源的發展提供了主要動力，因為在航天應用中，開關電源體積小、效率高的優勢超過了高成本。例如，1962年的Telstar衛星（第一顆傳輸電視圖像的衛星）和Minuteman導彈都使用了開關電源。后來隨著成本的降低，開關電源被設計成銷售給公眾的產品。例如，1966年，Tektronix公司在便攜式示波器中使用了開關電源。

隨著電源制造商開始向其他公司出售開關電源，向公眾銷售開關電源這一趨勢便加快了。日本電子工業株式會社于1970年開始在日本開發標準化開關電源。到1972年，大多數電源制造商都在銷售開關電源或即將提供開關電源。

20世紀70年代以后，與這種技術有關的高頻高反壓的功率晶體管、高頻電容、開關二極管、開關變壓器的鐵芯等元件也不斷地被研制和生產出來，使無工頻變壓器開關穩壓電源得到了飛速的發展，并且被廣泛地應用于電子計算機、通信、航天、彩電等領域，從而使無工頻變壓器開關穩壓電源成為各種電源的佼佼者。

1981年，史蒂夫·喬布斯展示了一臺Apple II計算機。Apple II于1977年首次推出，受益于整個行業從笨重的線性電源設計轉向小型、高效的開關電源設計。Apple II計算機運用開關電源推動了整個市場對開關電源的認可。

1984年，IBM發布了一款升級版的個人計算機（Personal Computer,PC），名為 IBM Personal Computer AT（簡稱IBM PC/AT）。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。這種電源很快成為事實上的標準，并一直保持到1995年。當時Intel推出了ATX外形規格，其中定義了ATX電源，它直到今天仍然是標準。

盡管出現了ATX標準，但隨著1995年Pentium Pro的問世，計算機電源系統變得更加復雜。Pentium Pro是一種微處理器，它的電源需要比ATX電源直接提供的電壓更低，電流更大。為了提供這種電源，Intel推出了電壓調節模塊（Voltage Regulator Module,VRM），即安裝在處理器旁邊的DC/DC開關穩壓器。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。

到了21世紀，隨著移動設備的日新月異，充電器的發展推動了半導體進一步發展，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬氧化物半導體場效應晶體管）日益引起工業界，特別是電氣工程師的重視。之所以電氣工程師如此重視這兩種功率半導體，是因為其材料與傳統的硅材料相比有諸多的優點。氮化鎵和碳化硅材料具有更大的禁帶寬度、更高的臨界場強，使得基于這兩種材料制作的功率半導體具有耐壓高、導通電阻低、寄生參數小等優異特性。氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET應用于開關電源領域，具有損耗小、工作頻率高、可靠性高等優點，可以大大提升開關電源的效率、功率密度和可靠性等性能。

傳統充電器的痛點在于功率有限、體積大、發熱嚴重，特別是現在手機越做越大，手機充電器個頭也越來越大。氮化鎵充電器的出現，解決了這個生活難題。氮化鎵是一種可以代替硅、鍺的新型半導體材料，由它制成的氮化鎵開關管，開關頻率大幅度提高，損耗卻更小。這樣充電器就能夠使用體積更小的變壓器和其他電感元件，從而有效縮小體積、降低發熱、提高效率。在氮化鎵的技術支撐下，手機的快充功率也有望再創新高。

由于網絡與通信的飛速發展，DC/DC變換器成為電源的一個重要分支，能否設計好一個DC/DC變換器，決定了硬件工程師的電源設計水平。在一些高功率的通信電路板中，電源功能占用PCB （Printed-Circuit Board，印制電路板）的面積高達30%。如何優化電源的電路設計和PCB設計，以及如何提升電源的效率及穩定性，成為硬件工程師重要的任務和課題。