Apple thực sự không cách mạng hóa nguồn điện; đó là công việc của bóng bán dẫn mới

Cuốn tiểu sử mới về Steve Jobs đưa ra một tuyên bố đáng chú ý về bộ nguồn của máy tính Apple II và người thiết kế nó, Rod Holt. Theo đó, thay vì sử dụng bộ nguồn tuyến tính thông thường, Holt đã xây dựng một bộ nguồn tương tự như những cái dùng trong máy hiện sóng, tự động bật/tắt nguồn hàng nghìn lần mỗi giây để giảm thiểu nhiệt tỏa ra. Steve Jobs từng nhận định: "Bộ nguồn chuyển mạch đó cách mạng không kém gì bo mạch logic của Apple II. Mọi máy tính hiện nay đều dùng bộ nguồn chuyển mạch và chúng đều sao chép thiết kế của Rod Holt."

Tuy nhiên, sự thật có đúng như vậy? Thật đáng ngạc nhiên khi nghĩ rằng các máy tính ngày nay sử dụng bộ nguồn dựa trên thiết kế của Apple II. Sau khi điều tra kỹ lưỡng, tôi nhận thấy rằng bộ nguồn của Apple thực chất không hề cách mạng, dù xét về khái niệm sử dụng bộ nguồn chuyển mạch cho máy tính hay về thiết kế cụ thể của nó. Các bộ nguồn máy tính hiện đại hoàn toàn khác biệt và không hề sao chép bất cứ thứ gì từ thiết kế của Rod Holt. Rất có thể Steve Jobs đã đưa ra nhận định quen thuộc rằng tất cả mọi người đều đang đánh cắp công nghệ cách mạng của Apple, hoàn toàn trái ngược với sự thật.

Bộ nguồn của Apple II Plus

Lịch sử của bộ nguồn chuyển mạch thực sự rất thú vị. Mặc dù hầu hết mọi người coi nguồn điện là một chiếc hộp kim loại tẻ nhạt, nhưng đằng sau nó là rất nhiều sự phát triển công nghệ. Đã có một cuộc cách mạng về nguồn điện vào cuối những năm 1960 đến giữa những năm 1970 khi các bộ nguồn chuyển mạch thay thế các bộ nguồn tuyến tính đơn giản nhưng kém hiệu quả. Tuy nhiên, điều này diễn ra vài năm trước khi Apple II ra mắt năm 1977. Công lao cho cuộc cách mạng này thuộc về những tiến bộ trong công nghệ bán dẫn, cụ thể là cải tiến trong các bóng chuyển mạch (transistor), và sau đó là các IC sáng tạo để điều khiển bộ nguồn chuyển mạch.

Bối cảnh về nguồn điện

Trong một máy tính để bàn tiêu chuẩn, bộ nguồn chuyển đổi điện lưới AC thành DC, cung cấp nhiều điện áp thấp được điều chỉnh cẩn thận với dòng điện lớn. Có hai kỹ thuật chính liên quan đến cuộc thảo luận này: tuyến tính và chuyển mạch.

Một bộ nguồn tuyến tính điển hình sử dụng một biến áp lớn để chuyển đổi điện áp 120V AC thành điện áp AC thấp, chuyển đổi này thành DC thấp áp qua cầu diode, sau đó sử dụng bộ ổn định tuyến tính để giảm điện áp xuống mức mong muốn. Bộ ổn định tuyến tính là một linh kiện dựa trên bóng transistor rẻ tiền và dễ sử dụng, biến điện áp dư thừa thành nhiệt lãng phí để tạo ra đầu ra ổn định. Bộ nguồn tuyến tính gần như dễ dàng thiết kế và chế tạo. Một nhược điểm lớn là chúng thường lãng phí khoảng 50-65% công suất dưới dạng nhiệt, thường đòi hỏi các tản nhiệt kim loại lớn hoặc quạt để tản nhiệt. Nhược điểm thứ hai là chúng lớn và nặng. Mặt tích cực là các linh kiện (ngoại trừ biến áp) trong bộ nguồn tuyến tính chỉ cần xử lý điện áp thấp và đầu ra rất ổn định, ít nhiễu.

Ngược lại, bộ nguồn chuyển mạch hoạt động dựa trên nguyên tắc hoàn toàn khác: bật/tắt nguồn rất nhanh thay vì biến công suất dư thừa thành nhiệt. Trong bộ nguồn chuyển mạch, đầu vào AC lưới điện được chuyển đổi thành DC cao áp, sau đó bộ nguồn bật/tắt DC này hàng nghìn lần mỗi giây, kiểm soát cẩn thận thời gian chuyển mạch sao cho điện áp đầu ra trung bình ở mức mong muốn. Về lý thuyết, không có công suất nào bị lãng phí, mặc dù trong thực tế hiệu suất sẽ đạt 80-90%. Bộ nguồn chuyển mạch hiệu quả hơn nhiều, tỏa ít nhiệt hơn, và nhỏ gọn, nhẹ hơn nhiều so với bộ nguồn tuyến tính.

Nhược điểm chính của bộ nguồn chuyển mạch là nó phức tạp hơn nhiều so với bộ nguồn tuyến tính và khó thiết kế hơn nhiều. Ngoài ra, nó đòi hỏi khắt khe hơn đối với các linh kiện, yêu cầu các bóng transistor có thể chuyển đổi bật/tắt hiệu quả ở tốc độ cao dưới công suất lớn. Các công tắc, cuộn cảm và tụ điện trong bộ nguồn chuyển mạch có thể được sắp xếp theo nhiều cách khác nhau (hay cấu trúc topology), với các tên gọi như Buck, Boost, Flyback, Forward, Push-Pull, nửa sóng và toàn sóng.

Lịch sử nguồn điện chuyển mạch đến năm 1977

Nguyên lý của bộ nguồn chuyển mạch đã được biết đến từ những năm 1930 và được chế tạo từ các linh kiện rời vào những năm 1950. Năm 1958, máy tính IBM 704 đã sử dụng một bộ ổn định chuyển mạch sơ khai dựa trên bóng chân không. Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và NASA là động lực chính thúc đẩy sự phát triển của bộ nguồn chuyển mạch trong những năm 1960, bởi những ưu điểm về kích thước nhỏ và hiệu suất cao bù đắp cho chi phí cao. Ví dụ, NASA đã sử dụng bộ nguồn chuyển mạch cho các vệ tinh như Telstar vào năm 1962.

Ngành công nghiệp máy tính bắt đầu sử dụng bộ nguồn chuyển mạch vào cuối những năm 1960 và chúng ngày càng trở nên phổ biến. Các ví dụ bao gồm máy tính mini PDP-11/20 năm 1969, Honeywell H316R năm 1970, và máy tính mini HP 2100A năm 1971.

Đến năm 1976, Data General đang sử dụng bộ nguồn chuyển mạch cho một nửa hệ thống của họ, Hitachi và Ferranti cũng đang sử dụng chúng. Đến năm 1976, bộ nguồn chuyển mạch bắt đầu xuất hiện trong các phòng khách, cung cấp năng lượng cho các máy thu TV màu.

Sự tiến bộ của bộ nguồn chuyển mạch trong những năm 1970 phần lớn được thúc đẩy bởi các linh kiện mới. Đánh giá điện áp của bóng chuyển mạch thường là yếu tố giới hạn, vì vậy sự ra đời của các bóng transistor chịu điện áp cao, tốc độ cao, công suất lớn với chi phí thấp vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970 đã làm tăng đáng kể sự phổ biến của chúng.

Một nhà phát triển chính của bộ nguồn chuyển mạch là Robert Boschert, người đã nghỉ việc và bắt đầu chế tạo bộ nguồn trên bàn ăn bếp của mình vào năm 1970. Ông tập trung vào việc đơn giản hóa bộ nguồn chuyển mạch để làm cho chúng cạnh tranh về giá với bộ nguồn tuyến tính, và đến năm 1974 ông đã sản xuất hàng loạt các bộ nguồn chi phí thấp cho máy in, sau đó là bộ nguồn chuyển mạch 80W chi phí thấp vào năm 1976.

Apple II và bộ nguồn của nó

Máy tính cá nhân Apple II được giới thiệu năm 1977. Một trong những tính năng của nó là bộ nguồn chuyển mạch nhỏ gọn, không quạt, cung cấp công suất 38W ở các mức điện áp 5, 12, -5 và -12 volt. Bộ nguồn Apple II của Holt sử dụng một thiết kế rất đơn giản với cấu trúc chuyển đổi flyback trực tuyến (off-line flyback converter).

Steve Jobs nói rằng mọi máy tính hiện nay đều sao chép thiết kế cách mạng của Rod Holt. Nhưng liệu thiết kế này có thực sự cách mạng không? Có phải nó đã bị các máy tính khác sao chép? Như đã minh họa ở trên, bộ nguồn chuyển mạch đã được nhiều máy tính sử dụng vào thời điểm Apple II được ra mắt. Thiết kế này không đặc biệt cách mạng, vì các bộ chuyển đổi flyback trực tuyến đơn giản tương tự đã được Boschert và các công ty khác bán ra.

Bộ nguồn 150W kiểu XT tiêu típ sử dụng thiết kế nửa cầu

Bộ nguồn mà Rod Holt thiết kế cho Apple đủ sáng tạo để nhận được bằng sáng chế, nhưng tôi đã xem xét kỹ bằng sáng chế này để xem是否有 bất kỳ tính năng cách mạng nào khác không. Bằng sáng chế mô tả hai cơ chế để bảo vệ bộ nguồn chống lại sự cố. Tuy nhiên, dường như các cơ chế này không có tác động lớn đến thiết kế nguồn máy tính sau này. Một số ví dụ về việc sử dụng cơ chế cuộn dây kẹp (clamp winding) xuất hiện trong các bộ nguồn của Boschert, Apple III, Lisa, Macintosh, và thậm chí Tandy, nhưng cơ chế này đã được mô tả trong một cuốn sách về nguồn điện năm 1976, trước cả khi Apple II ra mắt.

Nguồn điện thời kỳ sau Apple và Kết luận

Năm 1981, IBM PC được ra mắt, đã có tác động kéo dài đến các thiết kế nguồn điện máy tính. Bộ nguồn cho IBM PC 5150 gốc được sản xuất bởi Astec và Zenith. Nó sử dụng thiết kế flyback được điều khiển bởi IC điều khiển nguồn NE5560. Tôi so sánh chi tiết bộ nguồn IBM PC 5150 với bộ nguồn Apple II và nhận thấy chúng khác nhau ở hầu hết mọi khía cạnh, ngoại trừ việc cả hai đều là bộ nguồn flyback trực tuyến với nhiều đầu ra. Rõ ràng là bộ nguồn IBM 5150 không "sao chép" thiết kế của Apple II.

Ngày nay, các bộ nguồn máy tính hiện đại chứa nhiều bộ chuyển mạch và ổn định khác nhau. Một bộ nguồn hiện đại có thể chứa một mạch chuyển mạch PFC, một bộ nguồn chuyển mạch flyback cho điện năng chờ, một bộ chuyển đổi forward để tạo ra 12 volt, và các bộ chuyển đổi DC-DC để tạo ra 5 volt và 3.3 volt. Vì vậy, bộ nguồn ATX có thể được coi là năm bộ nguồn chuyển mạch khác nhau trong một hộp.

Để tóm lại, thiết kế của Rod Holt cho Apple II không bị sao chép bởi các máy tính khác. Những bộ nguồn máy tính hiện đại phức tạp hơn nhiều và có nguồn gốc từ sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn chứ không phải từ một thiết kế của Apple. Cuộc cách mạng nguồn điện thực sự đã diễn ra nhờ sự ra đời của các bóng bán dẫn mới và công nghệ điều khiển IC, chứ không phải bắt đầu từ một chiếc máy tính cá nhân vào năm 1977.