Hace medio siglo, mejores transistores y reguladores de conmutación revolucionaron el diseño de fuentes de alimentación para computadoras

Intel Not Inside: los rayos X revelan los componentes de una fuente de alimentación conmutada utilizada en la microcomputadora Apple II original, lanzada en 1977.

Fuentes de alimentación de la computadorano recibas mucho respeto.

Como entusiasta de la tecnología, probablemente sepa qué microprocesador tiene su computadora y cuánta memoria física tiene, pero lo más probable es que no sepa nada sobre la fuente de alimentación. No se sienta mal, incluso para los fabricantes, diseñar la fuente de alimentación es una ocurrencia tardía.

Es una pena, porque se necesitó un esfuerzo considerable para crear las fuentes de alimentación que se encuentran en las computadoras personales, que representan una gran mejora con respecto a los circuitos que alimentaron otros tipos de productos electrónicos de consumo hasta fines de la década de 1970. Este avance fue el resultado de los grandes avances logrados en la tecnología de semiconductores hace medio siglo, específicamente las mejoras en los transistores de conmutación y las innovaciones en los circuitos integrados. Y, sin embargo, es una revolución que pasa completamente desapercibida por el público en general e incluso por muchas personas familiarizadas con la historia de las microcomputadoras.

Sin embargo, las fuentes de alimentación no están exentas de campeones ardientes, incluido uno que podría sorprenderlo: Steve Jobs. Según su biógrafo autorizado, Walter Isaacson, Jobs tenía fuertes sentimientos sobre la fuente de alimentación de la pionera computadora personal Apple II y su diseñador, Rod Holt. La afirmación de Jobs, según lo informado por Isaacson, dice así:

La afirmación de Jobs es importante y no me sentó bien, así que investigué un poco. Descubrí que, si bien las fuentes de alimentación conmutadas eran revolucionarias, la revolución tuvo lugar entre finales de la década de 1960 y mediados de la década de 1970, cuando las fuentes de alimentación conmutadas reemplazaron a las fuentes de alimentación lineales simples pero ineficientes. El Apple II, presentado en 1977, se benefició de esta revolución pero no la instigó.

Esta corrección de la versión de los hechos de Jobs es mucho más que una trivia de ingeniería. Hoy en día, las fuentes de alimentación conmutadas son un pilar omnipresente que usamos a diario para cargar nuestros teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles, cámaras e incluso algunos de nuestros automóviles. Alimentan relojes, radios, amplificadores de audio domésticos y otros pequeños electrodomésticos. Los ingenieros que realmente fomentaron esta revolución merecen ser reconocidos. Y es una muy buena historia, también.

La fuente de poder en una computadora de escritorio como la Apple II convierte el voltaje de línea de corriente alterna en corriente continua, proporcionando voltajes altamente estables para alimentar el sistema. Las fuentes de alimentación se pueden construir de varias formas, pero los diseños lineales y de conmutación son los dos más comunes.

Una fuente de alimentación lineal típica usa un transformador voluminoso para convertir la CA de voltaje relativamente alto de las líneas eléctricas en CA de bajo voltaje, que luego se convierte en CC de bajo voltaje usando diodos, generalmente cuatro de ellos cableados en la configuración de puente clásica. Se utilizan condensadores electrolíticos grandes para suavizar la salida del puente de diodos. Las fuentes de alimentación de las computadoras usan un circuito llamado regulador lineal, que reduce el voltaje de CC al nivel deseado y lo mantiene fijo incluso cuando la carga varía.

Las fuentes de alimentación lineales son casi triviales de diseñar y construir. Y utilizan semiconductores económicos de bajo voltaje. Pero tienen dos grandes inconvenientes. Uno son los condensadores grandes y el transformador pesado que se necesitan, que nunca podrían empaquetarse en algo tan pequeño, liviano y conveniente como los cargadores que todos usamos ahora con nuestros teléfonos inteligentes y tabletas. El otro es el regulador lineal, un circuito basado en transistores, que convierte el exceso de voltaje de CC (cualquier cosa por encima del voltaje de salida designado) en calor residual. Por lo tanto, estas fuentes de alimentación suelen desperdiciar más de la mitad de la energía que consumen. Y a menudo requieren grandes disipadores de calor de metal o ventiladores para deshacerse de todo ese calor.

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En el pasado, los dispositivos electrónicos pequeños generalmente usaban transformadores de pared voluminosos, llamados despectivamente "verrugas de pared". A principios del siglo XXI, las mejoras tecnológicas hicieron que los suministros de conmutación compactos y de bajo consumo fueran prácticos para dispositivos pequeños. A medida que bajaba el precio de cambiar los adaptadores de CA/CC, rápidamente reemplazaron los voluminosos transformadores de pared para la mayoría de los dispositivos domésticos.

Apple convirtió el cargador en un objeto de gran diseño, presentando un elegante cargador de iPod en 2001 con una fuente de alimentación flyback compacta controlada por IC en el interior [izquierda]. Los cargadores USB pronto se volvieron omnipresentes, y el cargador ultracompacto de una pulgada cúbica de Apple (presentado en 2008) se volvió icónico [derecha].

La última tendencia en cargadores de gama alta de este tipo es utilizar semiconductores de nitruro de galio (GaN), que pueden cambiar más rápido que los transistores de silicio y, por lo tanto, ser más eficientes. Empujando la tecnología en la otra dirección, los cargadores USB más baratos ahora se venden por menos de un dólar, aunque a costa de una mala calidad de energía y falta de características de seguridad. -KANSAS

Una fuente de alimentación conmutada funciona según un principio diferente: en una fuente de alimentación conmutada típica, la entrada de línea de CA se convierte en CC de alto voltaje, que se enciende y apaga decenas de miles de veces por segundo. Las altas frecuencias empleadas permiten el uso de transformadores mucho más pequeños y livianos y capacitores más pequeños. Un circuito especial cronometra con precisión la conmutación para controlar el voltaje de salida. Debido a que no necesitan reguladores lineales, estos suministros desperdician poca energía: generalmente tienen una eficiencia del 80 al 90 por ciento y, por lo tanto, emiten mucho menos calor.

Sin embargo, una fuente de alimentación conmutada es considerablemente más compleja que una fuente de alimentación lineal y, por lo tanto, es más difícil de diseñar. Además, es mucho más exigente con los componentes, ya que requiere transistores de potencia de alto voltaje que puedan encenderse y apagarse de manera eficiente a alta velocidad.

Como nota al margen, debo mencionar que algunas computadoras han usado fuentes de alimentación que no son ni lineales ni de conmutación. Una técnica rudimentaria pero eficaz consistía en hacer funcionar un motor fuera de línea y utilizar ese motor para impulsar un generador que crea el voltaje de salida deseado. Las unidades de motor-generador se utilizaron durante décadas, al menos desde las máquinas de tarjetas perforadas de IBM de la década de 1930 y continuando hasta la década de 1970 para cosas como las supercomputadoras Cray.

Otra opción, popular desde la década de 1950 hasta la década de 1980, fue usar transformadores ferroresonantes, un tipo especial de transformador que proporciona una salida de voltaje constante. Además, el reactor saturable, un inductor controlable, se utilizó para regular la fuente de alimentación de las computadoras de tubo de vacío en la década de 1950. Reapareció [PDF] como el "amplificador magnético" en algunas fuentes de alimentación de PC modernas, proporcionando una regulación adicional. Pero al final, estos extraños enfoques dieron paso en gran medida a cambiar las fuentes de alimentación.

Los principios detrás Los ingenieros eléctricos conocen la fuente de alimentación conmutada desde la década de 1930, pero esta técnica encontró un uso limitado en la era de los tubos de vacío. Se utilizaron tubos especiales que contenían mercurio llamados tiratrones en algunas fuentes de alimentación de la época que podrían considerarse reguladores de conmutación primitivos de baja frecuencia. Los ejemplos incluyen la fuente de alimentación REC-30 Teletype de la década de 1940 y la fuente utilizada en la computadora IBM 704 de 1954. Sin embargo, con la introducción de los transistores de potencia en la década de 1950, las fuentes de alimentación conmutadas mejoraron rápidamente. Pioneer Magnetics comenzó a construir fuentes de alimentación conmutadas en 1958. Y General Electric publicó un diseño inicial para una fuente de alimentación conmutada transistorizada en 1959.

Durante la década de 1960, la NASA y la industria aeroespacial proporcionaron la principal fuerza impulsora detrás del desarrollo de las fuentes de alimentación conmutadas, porque para las aplicaciones aeroespaciales, las ventajas del tamaño pequeño y la alta eficiencia superaron el alto costo. Por ejemplo, en 1962, el satélite Telstar (el primer satélite en transmitir imágenes de televisión) y el misil Minuteman utilizaron fuentes de alimentación conmutadas. A medida que avanzaba la década, los costos bajaron y el cambio de suministros se convirtió en artículos vendidos al público. En 1966, por ejemplo, Tektronix usó una fuente de alimentación conmutada en un osciloscopio portátil, lo que le permitía funcionar con corriente eléctrica o baterías.

Esa tendencia se aceleró cuando los fabricantes de fuentes de alimentación comenzaron a vender unidades de conmutación a otras empresas. En 1967, RO Associates presentó el primer producto de fuente de alimentación conmutada de 20 kilohercios, que según afirmó fue el primer ejemplo comercialmente exitoso de una fuente de alimentación conmutada. Nippon Electronic Memory Industry Co. comenzó a desarrollar fuentes de alimentación conmutadas estandarizadas en Japón en 1970. En 1972, la mayoría de los fabricantes de fuentes de alimentación vendían fuentes de alimentación conmutadas o estaban a punto de ofrecerlas.

Fue por esta época que la industria informática comenzó a utilizar fuentes de alimentación conmutadas. Los primeros ejemplos incluyen la minicomputadora PDP-11/20 de Digital Equipment en 1969 y la minicomputadora 2100A de Hewlett-Packard en 1971. Una publicación de la industria de 1971 declaró que las empresas que usan reguladores de conmutación "se leen como un 'Quién es quién' de la industria informática: IBM, Honeywell, Univac , DEC, Burroughs y RCA, por nombrar algunos". En 1974, las minicomputadoras que usaban fuentes de alimentación conmutadas incluían la Nova 2/4 de Data General, la 960B de Texas Instruments y los sistemas de Interdata. En 1975, se utilizaron fuentes de alimentación conmutadas en la terminal de pantalla HP2640A, el Selectric Composer similar a una máquina de escribir de IBM y la computadora portátil IBM 5100. En 1976, Data General usaba suministros de conmutación en la mitad de sus sistemas y HP los usaba para sistemas más pequeños, como la computadora de escritorio 9825A y la calculadora 9815A. Las fuentes de alimentación conmutadas también aparecían en el hogar, alimentando algunos televisores en color en 1973.

Las fuentes de alimentación conmutadas aparecieron ampliamente en las revistas de electrónica de esta época, tanto en anuncios como en artículos. Ya en 1964, Electronic Design recomendaba cambiar las fuentes de alimentación para mejorar la eficiencia. La portada de octubre de 1971 de Electronics World presentaba una fuente de alimentación conmutada de 500 vatios y un artículo titulado "La fuente de alimentación del regulador de conmutación". Computer Design en 1972 discutió en detalle las fuentes de alimentación conmutadas y la creciente prevalencia de tales fuentes en las computadoras, aunque mencionó que algunas empresas todavía se mostraban escépticas. En 1976, una portada de Electronic Design anunció: "De repente, es más fácil cambiar", describiendo los nuevos circuitos integrados de controlador de fuente de alimentación de conmutación. Electronics publicó un largo artículo sobre el tema; Powertec publicó anuncios de dos páginas sobre las ventajas de sus fuentes de alimentación conmutadas con el eslogan "El gran cambio son los conmutadores"; y Byte anunciaron fuentes de alimentación conmutadas para microcomputadoras de una empresa llamada Boschert.

Robert Boschert, quien renunció a su trabajo y comenzó a construir fuentes de alimentación en la mesa de su cocina en 1970, fue un desarrollador clave de esta tecnología. Se centró en simplificar estos diseños para hacerlos competitivos en costos con las fuentes de alimentación lineales, y en 1974 estaba produciendo en volumen una fuente de alimentación de bajo costo para impresoras, a la que siguió una fuente de alimentación conmutada de 80 W de bajo costo en 1976. En 1977, Boschert Inc. había crecido hasta convertirse en una empresa de 650 personas. Hizo fuentes de alimentación para satélites y el avión de combate Grumman F-14, y luego produjo fuentes de alimentación para computadoras para compañías como HP y Sun.

La introducción de transistores de alto voltaje y alta velocidad a bajo costo a fines de la década de 1960 y principios de la de 1970, por parte de empresas como Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) y Motorola, entre otras, ayudó a impulsar cambiar las fuentes de alimentación a la corriente principal. Las velocidades de conmutación más rápidas del transistor aumentan la eficiencia porque el calor se disipa en un transistor de este tipo principalmente mientras cambia entre los estados de encendido y apagado, y cuanto más rápido el dispositivo pueda hacer esa transición, menos energía desperdiciará.

Las velocidades de los transistores estaban aumentando a pasos agigantados en ese momento. De hecho, la tecnología de transistores avanzaba tan rápido que los editores de Electronics World afirmaron en 1971 que la fuente de alimentación de 500 W que aparece en su portada no podría haberse construido con los transistores disponibles solo 18 meses antes.

Otro avance notable se produjo en 1976, cuando Robert Mammano, cofundador de Silicon General Semiconductors, presentó el primer circuito integrado para controlar una fuente de alimentación conmutada, diseñado para una máquina de teletipo electrónico. Su controlador IC SG1524 simplificó drásticamente el diseño de estos suministros y redujo los costos, lo que provocó un aumento en las ventas.

En 1974, más o menos un año o dos, estaba claro para cualquier persona con un mínimo conocimiento de la industria electrónica que se estaba produciendo una verdadera revolución en el diseño de fuentes de alimentación.

Líderes y seguidores: Steve Jobs muestra una computadora personal Apple II en 1981. Presentada por primera vez en 1977, la Apple II se benefició del cambio en toda la industria de fuentes de alimentación lineales voluminosas a diseños de conmutación pequeños y eficientes. Pero el Apple II no instigó esta transición, como afirmó más tarde Jobs.Foto: Ted Thai/The LIFE Picture Collection/Getty Images

La computadora personal Apple II se introdujo en 1977. Una de sus características era una fuente de alimentación conmutada compacta y sin ventilador [PDF], que proporcionaba 38 W de potencia a 5, 12, –5 y –12 voltios. Utilizaba el diseño simple de Holt, una especie de fuente de alimentación conmutada conocida como topología de convertidor flyback fuera de línea. Jobs afirmó que todas las computadoras ahora copian el diseño revolucionario de Holt. Pero, ¿era realmente revolucionario este diseño en 1977? ¿Y fue copiado por todos los demás fabricantes de computadoras?

No y no. En ese momento, Boschert y otras empresas vendían convertidores flyback fuera de línea similares. Holt obtuvo una patente sobre un par de características específicas de su suministro, pero esas características nunca llegaron a ser ampliamente utilizadas. Y construir el circuito de control a partir de componentes discretos, como se hizo para el Apple II, resultó ser un callejón sin salida tecnológico. El futuro de las fuentes de alimentación conmutadas pertenecía a los circuitos integrados de controladores de propósito especial.

Si hay una microcomputadora que tuvo un impacto duradero en los diseños de las fuentes de alimentación, fue la computadora personal de IBM, lanzada en 1981. Para entonces, solo cuatro años después del Apple II, la tecnología de las fuentes de alimentación había cambiado mucho. Si bien estas dos primeras computadoras personales usaban fuentes de alimentación flyback fuera de línea con múltiples salidas, eso es todo lo que tenían en común. Sus circuitos de accionamiento, control, retroalimentación y regulación eran todos diferentes. Aunque la fuente de alimentación de la PC de IBM usaba un controlador IC, contenía aproximadamente el doble de componentes que la fuente de alimentación Apple II. Estos componentes adicionales proporcionaron una regulación adicional en las salidas y una señal de "buena potencia" cuando los cuatro voltajes eran correctos.

En 1984, IBM lanzó una versión significativamente mejorada de su computadora personal, llamada IBM Personal Computer AT. Su fuente de alimentación utilizó una variedad de nuevos diseños de circuitos, abandonando por completo la topología flyback anterior. Rápidamente se convirtió en el estándar de facto y permaneció así hasta 1995, cuando Intel introdujo la especificación de factor de forma ATX, que entre otras cosas definió la fuente de alimentación ATX, que sigue siendo estándar en la actualidad.

A pesar de la llegada del estándar ATX, los sistemas de energía de las computadoras se volvieron más complicados en 1995 con la introducción del Pentium Pro, un microprocesador que requería un voltaje más bajo a una corriente más alta que la que podía proporcionar directamente una fuente de alimentación ATX. Para suministrar esta energía, Intel introdujo el módulo regulador de voltaje (VRM), un regulador de conmutación de CC a CC instalado junto al procesador. Redujo los 5 V de la fuente de alimentación a los 3 V utilizados por el procesador. Las tarjetas gráficas que se encuentran en muchas computadoras también contienen VRM para alimentar los chips gráficos de alto rendimiento que contienen.

En la actualidad, un procesador rápido puede requerir hasta 130 W de un VRM, mucho más que el medio vatio de potencia que utiliza el procesador 6502 de Apple II. De hecho, un chip de procesador moderno por sí solo puede usar más de tres veces la energía consumida por toda la computadora Apple II.

El creciente consumo de energía de las computadoras se ha convertido en un motivo de preocupación ambiental, lo que ha dado lugar a iniciativas y regulaciones para hacer que las fuentes de alimentación sean más eficientes. En los Estados Unidos, las certificaciones Energy Star del gobierno y 80 Plus impulsadas por la industria empujaron a los fabricantes a producir más suministros de energía "ecológicos". Han podido hacerlo utilizando una variedad de técnicas: energía de reserva más eficiente, circuitos de arranque más eficientes, circuitos resonantes que reducen las pérdidas de energía en los transistores de conmutación y circuitos de "abrazadera activa" que reemplazan los diodos de conmutación con circuitos transistorizados más eficientes. . Las mejoras en la tecnología de transistores MOSFET de potencia y rectificadores de silicio de alto voltaje en la última década también han llevado a mejoras en la eficiencia.

La tecnología de fuentes de alimentación conmutadas continúa avanzando también de otras formas. Hoy en día, en lugar de utilizar circuitos analógicos, muchas fuentes de alimentación utilizan chips digitales y algoritmos de software para controlar sus salidas. El diseño de un controlador de fuente de alimentación se ha convertido tanto en una cuestión de programación como de diseño de hardware. La administración de energía digital permite que las fuentes de alimentación se comuniquen con el resto del sistema para una mayor eficiencia y registro. Si bien estas tecnologías digitales ahora están reservadas en gran medida para los servidores, están comenzando a influir en el diseño de las computadoras de escritorio.

es dificil cuadrar esta historia con la afirmación de Jobs de que Holt debería ser más conocido o que "Rod no recibe mucho crédito por esto en los libros de historia, pero debería". Incluso los mejores diseñadores de fuentes de alimentación no se dan a conocer fuera de una pequeña comunidad. En 2009, los editores de Electronic Design dieron la bienvenida a Boschert a su Salón de la Fama de la Ingeniería. Robert Mammano recibió un premio a la trayectoria en 2005 de los editores de Power Electronics Technology. Rudy Severns recibió otro premio a su trayectoria en 2008 por sus innovaciones en fuentes de alimentación conmutadas. Pero ninguna de estas luminarias en diseño de fuente de alimentación es famosa en Wikipedia.

La afirmación tan repetida de Jobs de que se ha pasado por alto a Holt llevó a que el trabajo de Holt se describiera en docenas de artículos y libros populares sobre Apple, desde "La venganza de los nerds" de Paul Ciotti, que apareció en la revista California en 1982 hasta la biografía más vendida de Isaacson de Jobs en 2011. Irónicamente, aunque su trabajo en el Apple II no fue revolucionario, Rod Holt probablemente se haya convertido en el diseñador de fuentes de alimentación más famoso de todos los tiempos.

Este artículo aparece en la edición impresa de agosto de 2019 como "¿La reconversión silenciosa de las fuentes de alimentación para computadoras?"