藍光LED諾貝爾獎了,開關電源有戲嗎?兼論我的開關液源發明 |
送交者: kiwaho 2019年04月09日17:45:04 於 [天下論壇] 發送悄悄話 |
近年來,諾貝爾獎評選的畫風漸變。 藍色發光二極管即藍光LED竟然中了"炸藥獎",發明者自己沒想到,一貫善於預測的人沒想到,科學社區沒想到,大家都炸懵了! 顯然,海選的範圍不再局限於高大上玄的科學了,技術,尤其是關鍵實用技術,也入了至尊評委們的法眼。 若是這個趨勢延續下去,我嘀咕下一個當之無愧的技術應該是:開關電源! 想想看,若是沒有開關電源的誕生,當今全球幾十億人口,用於維持基本生活品質的電子小玩意,還有滲透到社會每個層面的信息科技,所有這些成果根本是不可能實現的。 還真別跟我抬槓:“線性電源也能頂上啊”。我的回答:肯定不行的。 廉價消費電子或許不會受太大影響。上世紀常見的拳頭般大電源,配套CD隨身聽的那種,就是傳統的線性穩壓電源。裡面就一個硅鋼片碼出的方正變壓器,次級接個線性穩壓集成電路7805或7809或7812,再並聯一個大電解電容就OK了。 但電腦要是用線性電源,那就沒法活了。電路板要用的5VDC,動輒大幾十安培,12V也是幾十安培,穩壓精度要求又特別高,就算做出能湊合用的產品,下面這些不爽將徹底無法忍受: 1、僅電源模塊可能就貴過其它所有; 2、沉甸甸的,挪動一下就費老鼻子勁; 3、散熱片大得像幾塊磚頭,裡面的大風扇噪音擾的你沒心情用電腦了; 4、電壓不穩的地區,這台電腦可能根本沒法運轉,除非額外投資一台價值不菲,且仍然很沉重的交流穩壓電源。 沉重的體量和經濟負擔,還想從娃娃抓起,讓電腦普及?門都沒有! 現代開關電源支撐的互聯網數據中心,是這樣的架勢: 換成線性電源?恐怕以國家的實力也無法搞成! 沒有開關電源,奢談什麼人工智能、通訊5G/6G前沿科技?統統扯淡! 沒有開關電源,你想上網來跟我抬槓、附和或者怒懟我的觀點?還是寫信交給郵遞員吧! 開關電源的大規模商用,節省下來天量級別的硅鋼片、銅導線和鋁散熱片,這間接地保護了人類賴以生存的環境,同時帶旺了關聯產業鏈,尤其功率MOS、IGBT器件,電源專用集成電路,以及眾多廠商,如Maxium公司等。 今天,你若擁有自己年年升值的房子,別忘了默默感謝一聲開關電源的發明人,因為那些節省下來的海量鋼銅鋁,或許埋入混泥土,大部分流入了房地產建築領域! 夠了,所有證據指向這個結論:沒有開關電源,現在的世界比蒸汽機時代,雖說強是強些,但決不會強到哪去。 所以說,開關電源的發明,比藍光LED的發明,其對人類福祉的重要意義,超出不止一個數量級。 網上搜了一下,捋出下面一些信息: 雖然早在1836年就萌發了雛形,但直到1948年晶體管誕生,也就始終停留在這個無甚價值的雛形。科學發展史也有自身規律可循,顯然,晶體管自身的商業化也需要足夠時間才行。 這不?說那時,那時快。經歷12年的生肖輪迴,隨着晶體管產業的逐漸成熟,終於在1960年,第一個初具商業價值的開關電源發明出來了,發明者是美國通用汽車公司的 Joseph E Murphy 和 Francis J Starzec。 如果現今這兩人至少有一人在世的話,我強烈推薦授之下一個諾貝爾獎! 這也算是我的感恩吧,因為: 我最近的發明靈感源自於這兩個先驅之啟迪 不過,我不是那種重複發明輪子的人,而是採用類比電源的創新,搞出了開關式液源。 其實電源和液源本質上並無二致,只不過電路里跑的是電子,而液路跑的是液體,如液壓油等。它們內部的物理公式都是可以一一對映的,例如:功率 = 電壓 x 電流 = 壓力 x 流量,等等。 具體零部件也是可以一一對映的: 電阻器 <==> 液阻器 二極管 <==> 單向閥 開關三極管 <==> 電磁閥 電容器 <==> 液容儲能器 電感器 <==> 液流軟管線圈 開關電源一定不能缺少電感器,只有它才能將低電壓升至高電壓,而且大家都認為這是電磁感應的功勞。至於變壓器,本質上是兩個電感器共磁芯耦合而成。下圖展示的電腦電源中,稍具一點科普知識的人,都可識別出電感器和變壓器。 正是因為開關電源對輸入電壓的寬範圍適應能力,例如USB的5V充電器,若執意設計的話,完全可適應3V至300V的輸入變化,且交直流不限,從而使得那些電壓供應不穩的地區,或者從220V的國家,攜機去120V的國家,所有這些應用場合,都不會受到影響。 從類比角度看,開關液源似乎也須有軟管“感應”管圈,才能提升液體壓力。這難不倒聰明的人類,生活經驗早就昭示:簡單至一根直水管,也能“感應”出高水壓,那就是水錘效應。 若平時沒注意,讀完此文不妨在家裡試一試,突然快速關斷水龍頭,看看是否水管里是否發出顯著的撞擊聲。注意喲,試驗風險自負:關得太急,有可能水管爆裂啊,若質量不過關的話。 所以說,水往低處流不是絕對的,設計一個巧妙的機關,也是可以讓水往高處流的,正如3V電池能升至12V。 瞧瞧,市面上還有水錘泵賣呢: 也別把這玩藝想得那麼了不得。其實,只要搞懂先人們搞出的成熟開關電源模塊,照貓畫虎,零件一一對映替換,就是一台不錯的開關液源,不限制尺寸就行。 這種“山寨”也沒有必要那麼惟妙惟肖,因為電路裡面很多零件,在液路環境下是多餘的,尤其液路振盪器的頻率很低,低至亞赫茲也有可能,那些高頻濾波等零件就可省去。這就大大簡化了設計,只是整體個頭仍然顯得龐大。 滑稽地倒回去想想,沒準那個電磁感應效應,會不會就是簡單的“電子錘效應”呢。嘿嘿,不能想多了,否則就民科啦。 當然,利用水錘或油錘效應一定要大尺度才行,要做出商品化的範式,可搬來搬去的開關液源,還得另闢奇徑,這恰恰是咱自主知識產權的硬核技術所在,恕我暫時不便詳細透露,等專利出版後,再慢慢道來。 資源擁有方,諸如車廠、天使投資人、風險資本啥的,如果有意助推此技術,可以提前隨時來信,索取詳細技術方案以便評估,恕我暫時只有全英文版本。 下面這張類比示意圖,很棒地表述了電流和液流。 談到電源,指明交流AC或直流DC再正常不過;液源呢?我們似乎默認了都是“直流”,例如大家看到的水泵,總是固定將水從一端搬到另一端,沒見過水在裡面雙向振盪的。 但任何DC-DC的轉換,中間一定要存在交流狀態,即實際上是DC-AC-DC,或者說先DC-AC逆變,再AC-DC整流,因為唯有交流才能感應變壓。前面提到的水錘泵產品,其實裡面是存在“交流AC水流”的。 變壓器的初級與次級是可以隔離的,當然也可連在一起接地,前者稱為“冷板”,後者“熱板”。若是沒有隔離的話,手碰到熱板可能會有觸電的危險。 液路也有等價的“接地”和“隔離”概念,前者指連通大氣的液箱,或者表明初級液迴路用的液體,與次級所用液體,既允許“井水不犯河水”,例如輸入側用水,輸出側用油;又可“共飲一江水”,即兩邊合用一個液箱“接地”。大功率開關液源,肯定要用液壓油作工質,一般初次兩側共用油箱,除非有特殊要求。 我的這一重大發明,必將像開關電源的誕生一樣,開啟人類液壓能源應用的新時代! 往小的說,你甚至可將家裡的自來水的能量,轉換成300個大氣壓的液壓油流,掀起栽重卡車的翻斗,雖然這樣做大無必要,也不合算,因為自來水的價格比從中“偷”出來的動能要貴得多,且還要配套大口徑水管,因為水的壓力低,必然要流量大,才能維持液壓DC-DC轉換器輸出相若的功率。 往大的說,有些配電站,沒準將來要變成“配液站”,通過鋪設的液壓管基礎設施,將高壓液壓油的能量,傳送至特定小區。用戶可把家裡的電馬達,換成液馬達;要電的話,用液壓馬達帶一個廉價小發電機就夠了。因為液壓穩定供應,所以發電機不需要那麼複雜。特別適用於軍營、作戰部、工廠生產線等。下面是我的構思草圖: 一百年前,兩個人間天才特斯拉和愛迪生,發動了那個著名的交直流未來走向之輿論戰,最終特斯拉主張的交流輸電完勝,我們至今仍在享用這一勝利成果。 那麼,高壓液流輸能,是否將來也有一場類似的交直流之爭的惡戰呢?在對手尚未冒泡之前,我先把主張撂這裡:交流液壓輸能仍是正確的大方向。因為交流系統方便於各類再生能源的併網,例如太陽能可以驅動電動液壓泵,將相位同步後,饋入液流網絡。直流輸能雖然也支持再生能源併網,但只能被所在直流側的其它局部用戶分享。 上面這些,姑且當作我的詩、遠方和情懷。 當然,眼前最具價值的應用,當屬我前幾篇文章勁推的新型車用動力總成,小至轎車,大至火車,皆可找到其逞能之地,且本能地具有再生制動功能,無級變速更是應有之義。 很多人想到純電動車,既可不要變速箱,也可自帶再生剎車功能,因為同一件東西,發電機和電動機在特定條件下可互換角色。 既然電流與液流都是“流類”一夥的,基本屬性雷同,那麼理論上,液源動力也可不要變速箱,且天然地自帶再生剎車功能,因為液壓泵和液馬達也能互換角色。 實際上,可以是可以,但僅能停留在要求不高的場合,還需要打一些補丁才能成大器。例如液力變矩器,本身就是一個低端的變速箱(鼓),為何自動波的車還要串聯一個專業變速箱呢?因為前者只能適應較低速度範圍內的變速。同理,低檔電動車可以不要變速箱,但高檔的還是需要,如特斯拉正在中試的5秒左右可起步到滿速的跑車版。 最後,衷心期待開關電源的發明,載入諾貝爾獎的光榮史冊。我嘀咕,你嘀咕,他嘀咕,大家都嘀咕,也許這事就成了! 參考文獻: 1、Switched-mode power supply |
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