| 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 |
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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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