1.1 稳压电源的发展历史
在当今的生产、生活中，电源处于不可或缺的地位，例如生活中用的空调、计算机、手机、汽车等，必须使用电源；工业中生产电子产品用的贴片机、光刻机等，也必须使用电源。
真空电子管（如图1.1所示）是电子管的一种，也简称为真空管，是电子管最主要的形式。在电子管统治电子线路的时代，大多数的电子线路并不需要供电电源十分稳定，那时的电源并不需要非常稳定及确定的电压值。通常先将交流市电（“市电”是指城市里主要供居民使用的电源）经过变压器转换到合适的电压值后，再通过电子管（可以是真空管、汞整流管、充气闸流管等）的整流变成脉动直流电，最后经过电容输入式滤波或电感输入式滤波将脉动直流电转换成为需要的平滑直流电。为了携带方便，也可以用电池供电，这时的真空管是专用于电池供电的节电型，比如以前的电池式收音机、收发报机及电台。由于真空电子管的电路不太关心供电端输出电压值是否稳定，所以在当时的背景下并没有大力发展稳压电源的电路设计。
随着晶体管技术的发展，晶体管逐渐替代了电子管，现在使用电子管的电路非常少了，仅仅在一些音箱里面还能见到，在其他场景几乎很难见到。因此关于电子管的工作原理，现在的硬件工程师可能很少有了解。
现在，计算机、手机改变了我们的生活，处理着几十年前人类无法想象的事情，但几乎所有技术都基于一个划时代的发明——晶体管。最初人类历史上的计算都是用手工计算，比如算盘。后来有了最原始的计算机，它里面使用了机械部件进行计算，计算机的特点就是用特定方式表示数字，并运用系统自动化地处理数字。再后来有了电子计算机，它使用和机械计算机相同的运算方式。但是电子计算机不使用物理排列数字，而选择“电压”代表数字。大部分计算机使用布尔数学体系，只有两种可能的值——“True”和“False”，并且用二进制数值“1”和“0”表示。在计算机内部通过各种逻辑门电路执行。常见的门电路图如图1.2所示。
图1.1 真空电子管
基于某一个输入或一些输入的计算结果是否满足某一个逻辑陈述，即我们编程时使用的“if... else...”这种逻辑判断结构，这些电路可以处理三种基本逻辑运算——与、或、非；其他运算方法都是通过组合这三种最基本的运算逻辑实现复杂运算，比如加法和减法。对于更多的数据运算，则是使用更多计算单元，计算机就需要通过程序操作“指令”和“数据”。
计算机需要用电的物理量来表示“0”和“1”，比如电压、电流。一般“有电”表示“1”,“没电”表示“0”。世界上第一台通用计算机（如图1.3所示）诞生于1946年2月，它是美国宾夕法尼亚大学物理学家莫克利（Mauchly）和工程师埃克特（Eckert）等共同开发的电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator and Computer,ENIAC），其内部的逻辑单元都是用的真空管。
图1.2 常见的门电路图
图1.3 第一台通用计算机
ENIAC当时由1.8万个电子管组成，是一台又大又笨重的机器，重达30多吨，占地有两三间教室。它当时的运算速度为每秒5000次加法运算。
真空管是一种电子管，在电路中控制电子的流动。参与工作的电极被封装在一个真空的容器内（管壁大多为玻璃），因而得名。也有些地方称之为“胆管”。真空管示意图如图1.4所示。
在真空玻璃管内部放两个电极，并且给阴极（如同电阻丝一样）接上电压，使其温度上升，释放电子。同时，在阴极和阳极之间加一个电势差，由于阳极有正电位，阴极释放的电子就会被吸引过去。这样就形成一种类似二极管的单向导通性。真空管单向导通性示意图如图1.5所示。
为了可以控制是否导通，在真空管的中间位置增加一个电极。这是在两个电极之间增加一个网络状的电路，可以控制电子是否通过。这个网络状的电路称为栅格，通过控制栅极的电压可以控制是否允许电子通过：当栅极接一个负压，则对阴极的电子排斥，阻止电子通过；当栅极接一个正压，则对阴极的电子进行吸引，加速电子通过，从而真空管得以实现快速电流开关。通过栅极加压，可以对电子加速，所以就实现了真空管的信号放大特性。具有信号放大特性的真空管如图1.6所示。
图1.4 真空管
图1.5 真空管单向导通性示意图
图1.6 具有信号放大特性的真空管
虽然真空管可以实现控制通断和信号放大的特性，但是它不稳定、功耗高且笨重。
1947年，美国物理学家肖克利（Shockley）、巴丁（Bardeen）和布拉顿（Brattain）三人合作发明了晶体管——一种有三个支点的半导体固体元件。晶体管问世后，由于其具有功耗低、体积小、价格相对便宜、连接方式灵活等特点，使很多真空管不能实现的功能在电子线路中得以实现，例如脉冲电路和数字电路。晶体管微型计算机的运算速度、可靠性、功耗等远优于真空管微型计算机。随着晶体管的应用领域越来越多，晶体管电路对电源的要求也越来越高，出现了独立存在的晶体管稳压电源，同时在很多晶体管电路中也设置了稳压电源。当时的稳压电源通常是线性稳压电源。
1955年美国的科学家罗耶（Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。因为它是Royer先发明和设计的，故又称“Royer变换器”。Royer结构的基本电路，也称为自激式推挽多谐振荡器，如图1.7所示。它是利用开关晶体管和变压器铁芯的磁通量饱和来进行自激振荡，从而实现开关管“开/关”转换的直流变换器。这种结构在早期的液晶彩电逆变器中应用较多。Royer结构的驱动电路和驱动控制IC配合使用，即可组成一个具有亮度调整和保护功能的逆变器电路。
图1.7 自激式推挽多谐振荡器示意图
注：CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp），中文译名为冷阴极荧光灯管，具有高功率、高亮度等优点，广泛应用于显示器、照明等领域。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以那个时期的直流变换器只能采用低电压输入。由于没有专用的控制开关电源集成电路，最初的开关电源几乎无例外地采用了Royer变换器电路，这种电路虽然满足了当时的需求，但其最大的缺点是效率低、可靠性低，成为日后被淘汰的最主要原因。
开关电源背后的原理早在20世纪30年代就为电气工程师所知，但这种技术在真空管时代的应用有限。当时，某些电源中使用了被称为闸流管的特殊含汞管，这些电源可被视为原始的低频开关稳压器，如20世纪40年代的REC-30电传打字机电源和1954年IBM 704计算机中使用的电源。然而，随着20世纪50年代功率晶体管的引入，开关电源的设计迅速改善。Pioneer Magnetics公司于1958年开始构建开关电源。通用电气公司于1959年发布了晶体管开关电源的早期设计。
20世纪60年代，美国国家航空航天局和航天工业为开关电源的发展提供了主要动力，因为在航天应用中，开关电源体积小、效率高的优势超过了高成本。例如，1962年的Telstar卫星（第一颗传输电视图像的卫星）和Minuteman导弹都使用了开关电源。后来随着成本的降低，开关电源被设计成销售给公众的产品。例如，1966年，Tektronix公司在便携式示波器中使用了开关电源。
随着电源制造商开始向其他公司出售开关电源，向公众销售开关电源这一趋势便加快了。日本电子工业株式会社于1970年开始在日本开发标准化开关电源。到1972年，大多数电源制造商都在销售开关电源或即将提供开关电源。
20世纪70年代以后，与这种技术有关的高频高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地被研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩电等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。
1981年，史蒂夫·乔布斯展示了一台Apple II计算机。Apple II于1977年首次推出，受益于整个行业从笨重的线性电源设计转向小型、高效的开关电源设计。Apple II计算机运用开关电源推动了整个市场对开关电源的认可。
1984年，IBM发布了一款升级版的个人计算机（Personal Computer,PC），名为 IBM Personal Computer AT（简称IBM PC/AT）。它的电源采用了多种新的电路设计，完全抛弃了早期的反激拓扑结构。这种电源很快成为事实上的标准，并一直保持到1995年。当时Intel推出了ATX外形规格，其中定义了ATX电源，它直到今天仍然是标准。
尽管出现了ATX标准，但随着1995年Pentium Pro的问世，计算机电源系统变得更加复杂。Pentium Pro是一种微处理器，它的电源需要比ATX电源直接提供的电压更低，电流更大。为了提供这种电源，Intel推出了电压调节模块（Voltage Regulator Module,VRM），即安装在处理器旁边的DC/DC开关稳压器。它将电源中的5V降低为处理器使用的3V。许多计算机中的显卡也包含VRM，用于驱动它们所包含的高性能显卡芯片。
到了21世纪，随着移动设备的日新月异，充电器的发展推动了半导体进一步发展，氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）日益引起工业界，特别是电气工程师的重视。之所以电气工程师如此重视这两种功率半导体，是因为其材料与传统的硅材料相比有诸多的优点。氮化镓和碳化硅材料具有更大的禁带宽度、更高的临界场强，使得基于这两种材料制作的功率半导体具有耐压高、导通电阻低、寄生参数小等优异特性。氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET应用于开关电源领域，具有损耗小、工作频率高、可靠性高等优点，可以大大提升开关电源的效率、功率密度和可靠性等性能。
传统充电器的痛点在于功率有限、体积大、发热严重，特别是现在手机越做越大，手机充电器个头也越来越大。氮化镓充电器的出现，解决了这个生活难题。氮化镓是一种可以代替硅、锗的新型半导体材料，由它制成的氮化镓开关管，开关频率大幅度提高，损耗却更小。这样充电器就能够使用体积更小的变压器和其他电感元件，从而有效缩小体积、降低发热、提高效率。在氮化镓的技术支撑下，手机的快充功率也有望再创新高。
由于网络与通信的飞速发展，DC/DC变换器成为电源的一个重要分支，能否设计好一个DC/DC变换器，决定了硬件工程师的电源设计水平。在一些高功率的通信电路板中，电源功能占用PCB （Printed-Circuit Board，印制电路板）的面积高达30%。如何优化电源的电路设计和PCB设计，以及如何提升电源的效率及稳定性，成为硬件工程师重要的任务和课题。