Il y a un demi-siècle, de meilleurs transistors et régulateurs à découpage ont révolutionné la conception des alimentations informatiques

Intel Not Inside : les rayons X révèlent les composants d'une alimentation à découpage utilisée dans le micro-ordinateur Apple II d'origine, sorti en 1977.

Alimentations informatiquesn'obtient pas beaucoup de respect.

En tant que passionné de technologie, vous savez probablement quel microprocesseur se trouve dans votre ordinateur et combien de mémoire physique il possède, mais il y a de fortes chances que vous ne sachiez rien sur l'alimentation. Ne vous sentez pas mal, même pour les fabricants, la conception de l'alimentation est une réflexion après coup.

C'est dommage, car il a fallu des efforts considérables pour créer les alimentations que l'on trouve dans les ordinateurs personnels, qui représentent une énorme amélioration par rapport aux circuits qui alimentaient d'autres types d'électronique grand public jusqu'à la fin des années 1970 environ. Cette percée est le résultat d'énormes progrès réalisés dans la technologie des semi-conducteurs il y a un demi-siècle, en particulier des améliorations dans les transistors de commutation et des innovations dans les circuits intégrés. Et pourtant, c'est une révolution totalement méconnue du grand public et même de nombreux connaisseurs de l'histoire des micro-ordinateurs.

Les alimentations ne manquent pourtant pas d'ardents champions, dont un qui pourrait vous surprendre : Steve Jobs. Selon son biographe autorisé, Walter Isaacson, Jobs avait des sentiments très forts à propos de l'alimentation électrique de l'ordinateur personnel pionnier Apple II et de son concepteur, Rod Holt. L'affirmation de Jobs, telle que rapportée par Isaacson, se présente comme suit :

L'affirmation de Jobs est importante, et elle ne me convenait pas, alors j'ai enquêté. J'ai découvert que, bien que les alimentations à découpage aient été révolutionnaires, la révolution a eu lieu entre la fin des années 1960 et le milieu des années 1970 lorsque les alimentations à découpage ont pris le relais des alimentations linéaires simples mais inefficaces. L'Apple II, introduit en 1977, a bénéficié de cette révolution mais ne l'a pas suscitée.

Cette correction apportée à la version des événements de Jobs est bien plus qu'une simple anecdote d'ingénierie. Aujourd'hui, les alimentations à découpage sont un pilier omniprésent, que nous utilisons quotidiennement pour recharger nos smartphones, tablettes, ordinateurs portables, appareils photo et même certaines de nos voitures. Ils alimentent des horloges, des radios, des amplificateurs audio domestiques et d'autres petits appareils. Les ingénieurs qui ont effectivement fomenté cette révolution méritent d'être reconnus. Et c'est aussi une très bonne histoire.

L'alimentation dans un ordinateur de bureau comme l'Apple II convertit la tension de ligne de courant alternatif en courant continu, fournissant des tensions très stables pour alimenter le système. Les alimentations électriques peuvent être construites de différentes manières, mais les conceptions linéaires et à commutation sont les deux plus courantes.

Une alimentation linéaire typique utilise un transformateur volumineux pour convertir le courant alternatif relativement haute tension des lignes électriques en courant alternatif basse tension, qui est ensuite converti en courant continu basse tension à l'aide de diodes, généralement quatre d'entre elles câblées dans la configuration de pont classique. De grands condensateurs électrolytiques sont utilisés pour lisser la sortie du pont de diodes. Les alimentations d'ordinateur utilisent un circuit appelé régulateur linéaire, qui réduit la tension continue au niveau souhaité et la maintient fixe même lorsque la charge varie

Les alimentations linéaires sont presque simples à concevoir et à construire. Et ils utilisent des semi-conducteurs basse tension peu coûteux. Mais ils présentent deux inconvénients majeurs. L'un est les gros condensateurs et le lourd transformateur nécessaire, qui ne pourraient jamais être emballés dans quelque chose d'aussi petit, léger et pratique que les chargeurs que nous utilisons tous maintenant avec nos smartphones et tablettes. L'autre est le régulateur linéaire, un circuit à base de transistors, qui transforme l'excès de tension continue - tout ce qui dépasse la tension de sortie désignée - en chaleur perdue. Ainsi, ces alimentations gaspillent généralement plus de la moitié de l'énergie qu'elles consomment. Et ils nécessitent souvent de grands dissipateurs de chaleur métalliques ou des ventilateurs pour se débarrasser de toute cette chaleur.

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Dans le passé, les petits appareils électroniques utilisaient généralement des transformateurs muraux volumineux, appelés de manière désobligeante "verrues murales". Au tournant du 21e siècle, les améliorations technologiques ont rendu pratiques les alimentations à découpage compactes et à faible consommation pour les petits appareils. Au fur et à mesure que le prix de la commutation des adaptateurs AC/DC a chuté, ils ont rapidement remplacé les transformateurs muraux encombrants pour la plupart des appareils ménagers.

Apple a transformé le chargeur en un objet hautement conçu, en introduisant un élégant chargeur d'iPod en 2001 avec une alimentation électrique compacte flyback contrôlée par IC à l'intérieur [gauche]. Les chargeurs USB sont rapidement devenus omniprésents, le chargeur ultracompact d'Apple (introduit en 2008) devenant emblématique [à droite].

La dernière tendance des chargeurs haut de gamme de ce type est d'utiliser des semi-conducteurs au nitrure de gallium (GaN), capables de commuter plus rapidement que les transistors au silicium et donc d'être plus efficaces. Poussant la technologie dans l'autre sens, les chargeurs USB les moins chers sont désormais vendus pour moins d'un dollar, bien qu'au prix d'une mauvaise qualité d'alimentation et de fonctions de sécurité manquantes. —KS

Une alimentation à découpage fonctionne sur un principe différent : dans une alimentation à découpage typique, l'entrée de ligne CA est convertie en CC haute tension, qui est activée et désactivée des dizaines de milliers de fois par seconde. Les hautes fréquences utilisées permettent l'utilisation de transformateurs beaucoup plus petits et plus légers et de condensateurs plus petits. Un circuit spécial chronomètre précisément la commutation pour contrôler la tension de sortie. Parce qu'ils n'ont pas besoin de régulateurs linéaires, ces alimentations gaspillent peu d'énergie : elles sont généralement efficaces à 80 à 90 % et dégagent donc beaucoup moins de chaleur.

Une alimentation à découpage est cependant considérablement plus complexe qu'une alimentation linéaire, et donc plus difficile à concevoir. De plus, il est beaucoup plus exigeant sur les composants, nécessitant des transistors de puissance haute tension capables de s'allumer et de s'éteindre efficacement à grande vitesse.

En remarque, je dois mentionner que certains ordinateurs ont utilisé des alimentations qui ne sont ni linéaires ni à découpage. Une technique grossière mais efficace consistait à faire fonctionner un moteur hors tension et à utiliser ce moteur pour entraîner un générateur qui crée la tension de sortie souhaitée. Les moteurs-générateurs ont été utilisés pendant des décennies, au moins aussi loin que les machines à cartes perforées IBM des années 1930 et jusque dans les années 1970 pour des choses telles que les superordinateurs Cray.

Une autre option, populaire des années 1950 aux années 1980, consistait à utiliser des transformateurs ferrorésonnants, un type spécial de transformateur qui fournit une tension de sortie constante. En outre, le réacteur saturable, une inductance contrôlable, a été utilisé pour la régulation de l'alimentation des ordinateurs à tube à vide dans les années 1950. Il est réapparu [PDF] en tant qu '"ampli magnétique" dans certaines alimentations PC modernes, fournissant une régulation supplémentaire. Mais au final, ces approches étranges ont largement cédé la place à des alimentations à découpage.

Les principes sous-jacents l'alimentation à découpage est connue des ingénieurs électriciens depuis les années 1930, mais cette technique a trouvé une utilisation limitée à l'ère des tubes à vide. Des tubes spéciaux contenant du mercure appelés thyratrons étaient utilisés dans certaines alimentations électriques de l'époque qui pouvaient être considérées comme des régulateurs de commutation à basse fréquence primitifs. Les exemples incluent l'alimentation électrique REC-30 Teletype des années 1940 et l'alimentation utilisée dans l' ordinateur IBM 704 de 1954. Avec l'introduction des transistors de puissance dans les années 1950, cependant, les alimentations à découpage se sont rapidement améliorées. Pioneer Magnetics a commencé à construire des alimentations à découpage en 1958. Et General Electric a publié une première conception d'une alimentation à découpage transistorisée en 1959.

Au cours des années 1960, la NASA et l'industrie aérospatiale ont été le principal moteur du développement des alimentations à découpage, car pour les applications aérospatiales, les avantages de la petite taille et du rendement élevé l'ont emporté sur le coût élevé. Par exemple, en 1962, le satellite Telstar (le premier satellite à transmettre des images de télévision) et le missile Minuteman utilisaient tous deux des alimentations à découpage. Au fil de la décennie, les coûts ont baissé et les fournitures de commutation ont été conçues pour être vendues au public. En 1966, par exemple, Tektronix a utilisé une alimentation à découpage dans un oscilloscope portable, lui permettant de fonctionner sur secteur ou sur piles.

Cette tendance s'est accélérée lorsque les fabricants d'alimentations ont commencé à vendre des unités de commutation à d'autres sociétés. En 1967, RO Associates a présenté le premier produit d'alimentation à découpage de 20 kilohertz, qui, selon lui, était le premier exemple de succès commercial d'une alimentation à découpage. Nippon Electronic Memory Industry Co. a commencé à développer des alimentations à découpage standardisées au Japon en 1970. En 1972, la plupart des fabricants d'alimentations vendaient des alimentations à découpage ou étaient sur le point de les proposer.

C'est à peu près à cette époque que l'industrie informatique a commencé à utiliser des alimentations à découpage. Les premiers exemples incluent le mini-ordinateur PDP-11/20 de Digital Equipment en 1969 et le mini-ordinateur 2100A de Hewlett-Packard en 1971. Une publication de l'industrie de 1971 a déclaré que les entreprises utilisant des régulateurs de commutation "lisaient comme un" Who's Who "de l'industrie informatique: IBM, Honeywell, Univac , DEC, Burroughs et RCA, pour n'en nommer que quelques-uns." En 1974, les mini-ordinateurs utilisant des alimentations à découpage comprenaient le Nova 2/4 de Data General, le 960B de Texas Instruments et les systèmes d'Interdata. En 1975, des alimentations à découpage ont été utilisées dans le terminal d'affichage HP2640A, le Selectric Composer de type machine à écrire d'IBM et l'ordinateur portable IBM 5100. En 1976, Data General utilisait des alimentations à découpage dans la moitié de ses systèmes, et HP les utilisait pour des systèmes plus petits tels que l'ordinateur de bureau 9825A et la calculatrice 9815A. Des alimentations à découpage faisaient également leur apparition à la maison, alimentant certains téléviseurs couleur en 1973.

Les alimentations à découpage étaient largement présentées dans les magazines d'électronique de cette époque, à la fois dans les publicités et les articles. Dès 1964, Electronic Design recommandait de commuter les alimentations pour une meilleure efficacité. La couverture d'octobre 1971 d' Electronics World présentait une alimentation à découpage de 500 watts et un article intitulé "L'alimentation du régulateur à découpage". Computer Design en 1972 a discuté en détail des alimentations à découpage et de la prévalence croissante de ces alimentations dans les ordinateurs, bien qu'il ait mentionné que certaines entreprises étaient encore sceptiques. En 1976, une couverture d'Electronic Design annonçait: "Soudain, il est plus facile de commuter" décrivant les nouveaux circuits intégrés de contrôleur d'alimentation à découpage. L'électronique a publié un long article sur le sujet; Powertec a diffusé des publicités de deux pages sur les avantages de ses alimentations à découpage avec le slogan "Le grand commutateur est aux commutateurs" ; et Byte a annoncé des alimentations à découpage pour micro-ordinateurs d'une société appelée Boschert.

Robert Boschert, qui a quitté son emploi et a commencé à construire des alimentations électriques sur sa table de cuisine en 1970, était un développeur clé de cette technologie. Il s'est concentré sur la simplification de ces conceptions pour les rendre compétitives par rapport aux alimentations électriques linéaires, et en 1974, il produisait en volume une alimentation électrique à faible coût pour les imprimantes, qui a été suivie d'une alimentation à découpage de 80 W à faible coût en 1976. En 1977, Boschert Inc. était devenue une entreprise de 650 personnes. Il fabriquait des alimentations électriques pour les satellites et l'avion de chasse Grumman F-14, produisant plus tard des alimentations informatiques pour des sociétés telles que HP et Sun.

L'introduction de transistors haute tension et haute vitesse à faible coût à la fin des années 1960 et au début des années 1970, par des sociétés telles que Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) et Motorola, entre autres, a contribué à pousser commutation des alimentations électriques dans le courant dominant. Des vitesses de commutation de transistor plus rapides augmentent l'efficacité car la chaleur est dissipée dans un tel transistor principalement pendant qu'il bascule entre les états marche et arrêt, et plus l'appareil pourrait effectuer cette transition rapidement, moins il gaspillerait d'énergie.

Les vitesses des transistors augmentaient à pas de géant à l'époque. En effet, la technologie des transistors évoluait si rapidement que les éditeurs d'Electronics World ont affirmé en 1971 que l'alimentation de 500 W présentée sur sa couverture ne pouvait pas avoir été construite avec les transistors disponibles à peine 18 mois plus tôt.

Une autre avancée notable est survenue en 1976, lorsque Robert Mammano, cofondateur de Silicon General Semiconductors, a présenté le premier circuit intégré pour contrôler une alimentation à découpage, conçue pour une machine de télétype électronique. Son circuit intégré de contrôleur SG1524 a considérablement simplifié la conception de ces fournitures et réduit les coûts, déclenchant une augmentation des ventes.

En 1974, à peu près un an ou deux, il était clair pour toute personne ayant ne serait-ce qu'un minimum de connaissances sur l'industrie électronique qu'une véritable révolution dans la conception des alimentations était en cours.

Leaders et suiveurs : Steve Jobs présente un ordinateur personnel Apple II en 1981. Introduit pour la première fois en 1977, l'Apple II a bénéficié du passage à l'échelle de l'industrie des blocs d'alimentation linéaires volumineux aux conceptions de commutation petites et efficaces. Mais l'Apple II n'a pas déclenché cette transition, comme Jobs l'a prétendu plus tard. Photo : Ted Thai/The LIFE Picture Collection/Getty Images

L'ordinateur personnel Apple II a été introduit en 1977. L'une de ses caractéristiques était une alimentation à découpage compacte et sans ventilateur [PDF], qui fournissait 38 W de puissance à 5, 12, -5 et -12 volts. Il a utilisé la conception simple de Holt, une sorte d'alimentation à découpage connue sous le nom de topologie de convertisseur flyback hors ligne. Jobs a affirmé que chaque ordinateur déchirait désormais la conception révolutionnaire de Holt. Mais ce design était-il vraiment révolutionnaire en 1977 ? Et a-t-il été copié par tous les autres fabricants d'ordinateurs ?

Non, et non. Des convertisseurs flyback hors ligne similaires étaient vendus à l'époque par Boschert et d'autres sociétés. Holt a obtenu un brevet sur quelques caractéristiques spécifiques de son offre, mais ces caractéristiques n'ont jamais été largement utilisées. Et la construction du circuit de contrôle à partir de composants discrets, comme cela a été fait pour l'Apple II, s'est avérée une impasse technologique. L'avenir des alimentations à découpage appartenait aux contrôleurs intégrés à usage spécial.

S'il y a un micro-ordinateur qui a eu un impact durable sur les conceptions d'alimentation électrique, c'est l'ordinateur personnel IBM, lancé en 1981. À ce moment-là, quatre ans seulement après l'Apple II, la technologie d'alimentation avait considérablement changé. Alors que ces deux premiers ordinateurs personnels utilisaient des alimentations indirectes hors ligne avec plusieurs sorties, c'est à peu près tout ce qu'ils avaient en commun. Leurs circuits d'entraînement, de contrôle, de rétroaction et de régulation étaient tous différents. Même si l'alimentation IBM PC utilisait un contrôleur IC, elle contenait environ deux fois plus de composants que l'alimentation Apple II. Ces composants supplémentaires ont fourni une régulation supplémentaire sur les sorties et un signal "Power Good" lorsque les quatre tensions étaient correctes.

En 1984, IBM a publié une version considérablement améliorée de son ordinateur personnel, appelée IBM Personal Computer AT. Son alimentation utilisait une variété de nouvelles conceptions de circuits, abandonnant entièrement la topologie flyback antérieure. Il est rapidement devenu la norme de facto et l'est resté jusqu'en 1995, lorsqu'Intel a introduit la spécification du facteur de forme ATX, qui définissait entre autres l'alimentation ATX, toujours standard aujourd'hui.

Malgré l'avènement de la norme ATX, les systèmes d'alimentation des ordinateurs sont devenus plus compliqués en 1995 avec l'introduction du Pentium Pro, un microprocesseur qui nécessitait une tension plus faible à un courant plus élevé qu'une alimentation ATX ne pouvait fournir directement. Pour fournir cette alimentation, Intel a introduit le module régulateur de tension (VRM), un régulateur à découpage CC-CC installé à côté du processeur. Il a réduit les 5 V de l'alimentation aux 3 V utilisés par le processeur. Les cartes graphiques présentes sur de nombreux ordinateurs contiennent également des VRM pour alimenter les puces graphiques hautes performances qu'elles contiennent.

De nos jours, un processeur rapide peut nécessiter jusqu'à 130 W d'un VRM, soit bien plus que le simple demi-watt de puissance utilisé par le processeur 6502 de l'Apple II. En effet, une puce de processeur moderne peut à elle seule utiliser plus de trois fois la puissance consommée par l'ensemble de l'ordinateur Apple II.

La consommation électrique croissante des ordinateurs est devenue une source de préoccupation environnementale, entraînant des initiatives et des réglementations visant à rendre les alimentations électriques plus efficaces. Aux États-Unis, les certifications Energy Star du gouvernement et 80 Plus menées par l'industrie ont poussé les fabricants à produire davantage d'alimentations « vertes ». Ils ont pu le faire en utilisant une variété de techniques : une alimentation en veille plus efficace, des circuits de démarrage plus efficaces, des circuits résonnants qui réduisent les pertes de puissance dans les transistors de commutation et des circuits "à pince active" qui remplacent les diodes de commutation par des circuits transistorisés plus efficaces. . Les améliorations de la technologie des transistors MOSFET de puissance et des redresseurs au silicium haute tension au cours de la dernière décennie ont également conduit à des améliorations de l'efficacité.

La technologie des alimentations à découpage continue également de progresser par d'autres moyens. Aujourd'hui, au lieu d'utiliser des circuits analogiques, de nombreuses alimentations utilisent des puces numériques et des algorithmes logiciels pour contrôler leurs sorties. La conception d'un contrôleur d'alimentation est devenue autant une question de programmation que de conception matérielle. La gestion numérique de l'alimentation permet aux blocs d'alimentation de communiquer avec le reste du système pour une efficacité et une journalisation supérieures. Alors que ces technologies numériques sont aujourd'hui largement réservées aux serveurs, elles commencent à influencer la conception des ordinateurs de bureau.

C'est difficile de faire le carré cette histoire avec l'affirmation de Jobs selon laquelle Holt devrait être mieux connu ou que "Rod n'obtient pas beaucoup de crédit pour cela dans les livres d'histoire, mais il devrait." Même les meilleurs concepteurs d'alimentations ne se font pas connaître en dehors d'une petite communauté. En 2009, les éditeurs d'Electronic Design ont accueilli Boschert dans leur Engineering Hall of Fame. Robert Mammano a reçu un prix pour l'ensemble de ses réalisations en 2005 des éditeurs de Power Electronics Technology. Rudy Severns a reçu un autre prix pour l'ensemble de ses réalisations en 2008 pour ses innovations dans les alimentations à découpage. Mais aucun de ces luminaires dans la conception d'alimentations n'est même célèbre sur Wikipédia.

L'affirmation maintes fois répétée de Jobs selon laquelle Holt a été négligé a conduit à la description du travail de Holt dans des dizaines d'articles et de livres populaires sur Apple, de "Revenge of the Nerds" de Paul Ciotti, paru dans le magazine californien en 1982 à la biographie à succès d'Isaacson de Jobs en 2011. Assez ironiquement, même si son travail sur l'Apple II n'était en aucun cas révolutionnaire, Rod Holt est probablement devenu le concepteur d'alimentation électrique le plus célèbre de tous les temps.

Cet article apparaît dans le numéro imprimé d'août 2019 sous le titre "The Quiet Remaking of Computer Power Supplies?"