现代电子技术的发展（上篇）
电子信息技术起源于基于机械计算器，并在后期由于电子管、晶体管发明得到了长足的发展。但是很多出身于其他行业的对这些原理不是很了解。为避免一些不必要的争议，这里梳理一下行业技术的发展历程，以及整个行业技术发明的由衷。
PWM ，英文全称 Pulse Width Modulation，中文译名 脉冲宽度调制
这里长话短说，假设我们有以下的一个发热设备，产品的原理图如下：
这里的 SW1 换成刀闸可能更为合适，R1 这里就当作一个发热丝，那么这就是一个基本的发热器，这种类型的发热设备存在一个关键的缺陷，那就是设备的功率是不可控的，由于设备的输入电压恒定不变，另外设备的电阻也极难自适应去做调整，出于对能源或人名币的尊重，这种类型的产品电路急需改进。PWM 技术就是针对直流供电的设备需要功率调整这个功能而发明的。PWM 的通过高速的切换开关的变化来控制输入电压的波形，它让波形呈一下变化：
横坐标是时间单位（秒），纵坐标是电压（伏特），通过高速的切换开关的导通与闭合，可以调节电源向发热丝传输的功率，这张图片截取了最初的一小段，效果比较明显。单独的展开一段，长这个样子：
图中每个脉冲周期是相同的，不同的地方在于 电压为 0 的时间与周期的比值，这个比值一般叫做占空比。由于设备其实是在间歇型的工作，所以占空比的大小决定了设备功率消耗的大小。
小的时候我曾经使用过电炉，电炉由陶瓷底板和发热丝组成，由于设备功耗大，功率又不能调，还可以剪断发热丝拉伸，让电炉发热功率轻松翻倍，电炉也被称为电老虎，后来电炉这个产品就在市场上消声觅迹了。
VFD（Variable-frequence Driver）,中文名变频器
由于 PWM 技术只能用于直流设备，由于电能传输的技术限制，几乎所有国家的供电网络都采用交流供电，各国电压在 110V – 250V 之间不等。由于很多设备不允许间歇型工作，一个常见的设备就是电动机。设备电机一般都是带负载工作，如果电机间歇型工作，那么中间没有电压的时间电机的旋转磁场就会消失，在诸如举升之类的很多工况下是不允许电机失去力矩的。此外电机的线圈也不允许突然上电或者断电，但是电机等交流设备也需要调整功率，行业设计出了用于交流电供电设备功率调整的VFD（变频器）技术。一个变频设备的波形概要如下（现实当中许多电机是三相交流供电，这幅图中仅仅画了单相供电的一个频率变化）：
本人对电机行业不是很了解，以上图式仅供参考。
个人曾经组装过倒顺开关控制的电机换向控制箱，由于电气技术不够专业，在非常认真的装了很久也还是装的乱七八糟。国家在水泵等浇灌行业强制电机使用变频器，传统的很多简单技术就失去价值。个人在雕刻机的电主轴上折腾过 一个 2KW 的变频器。我发现商用的变频器技术相当的复杂，包含了软启动、电机过流、过压、过负载、缺相保护的诸多功能，一套变频器还可以通过配置来支持好多种不同品牌型号电机。自从变频器普及开了以后，我再也没有见过交流直接驱动的电机了。
DC-DC，直流-直流转换或者叫开关电源
由于直流电不能通过变压器直接切换电压，如果要使用变压器变化电压，往往需要首先把直流电逆变成交流电，然后通过变压器升压或者降压。行业需要更为简单直接对直流的电压转换技术，DC-DC 就是利用开关变换和电容电感储能原理设计的直流输入直流输出的电压转换技术。
全部的开关电源技术还包括正压转负压、升压拓扑、降压拓扑、升降压拓扑、电源隔离等等许多分支技术，这里以最简单的降压 Buck 拓扑为例，介绍 DC-DC(直流-直流)电压转换技术，DCDC 概念原理图如下：
其中开关管 Q1 充当控制电源输入的作用，电感 L1 和 电容 C1 组成一个储能环节或者称为滤波器，肖特基二极管 D1充当续流作用，当 NMOS 管 Q1 关闭，电流从 D1 底部回流。
整个 Buck 拓扑的开关电源包括一个重要的没有画出来的反馈/控制电路部分，通过反馈线返回输出的电压来控制电路根据输出的电压来智能的控制开关管 Q1 的开启和关闭。这样， DCDC 电路可以自动适应多种不同的输入电压，甚至是输入电压抖动变化的时候，输出电压依然平稳。对于桌面设备，一个含有交流半波正弦分量的直流 可以很容易的通过二极管整流桥获得，然后通过这种 DCDC 就能获得非常稳定的电压输出。如果把储能电感 L1 换成隔离变压器、电压反馈线换成光耦，就得到了一个带输入与输出相隔离的开关电源。
大概在读初中一年纪的时候，我购买的复读机还是使用的传统变压器稳压电源。这种绕线式的变压器结构的体积大，成本高，厂家追求更低的成本，行业追求更好的效能，所以大块头的变压器很快就被更小更便宜的脉冲高压变压器给替代了。自从那个复读机之后，我再也没见到过使用大块头的变压器作为电源的家用设备。当然变压器有自己的优点，它非常的稳定可靠性很好还能支持一定的过负载环境，还可以双向传输能量，所以目前在活跃电力电气行业中。
其他常用的还有 Boost 升压拓扑，主要是锂电池等设备的升压，手机和汽车都有在使用。
MCU（Micro Controller Unit），中文叫做微控制器或者简称单片机
1981 年，intel 英特尔设计并生产这个 8 位的单片机，后来 intel 把 8051 全部技术出售给了其他的很多公司，形成了著名的 8051 系列产品，MCU 微控制器主要为行业添加了更为精细化的控制功能，主要有一下几个关键的创新性功能：
1. 由晶体管振荡器（简称晶振）以及晶振驱动的MCU内部定时器中断模块得到可编程的 ms毫秒（毫秒是时间单位，1 毫秒等于千分之一秒）级别的系统响应能力。
2. 由CPU 带来的编程能力，开发人员可以编写 程序来控制系统，使得系统变得非常的灵活。
3. 由串口带来的板对板、板对外部的信号输出输入通讯能力，单片机可以向外部接受或者向外部发送数据。
以MCU 为核心的电路板我做过很多，有 8 位的也有 32 位的，下面是一个基于 ST 公司生产的芯片为核心元件的电路板的部分电子原理图：
单片机每颗的价格一般在 10 元左右，算上软件和电路的成本，每块电路板的批量售价在百元以上。这个价格在一些成本敏感的产品上面限制了单片机的使用。单片机整体用途广泛，这些年每年的产值都在 几百亿元左右，整个行业的主要供应商的出货量都是按亿片为单位计算的。
基于意法半导体 ST 公司的 STM32F030CCT6 的核心板的部分原理图，包含晶振、起振电容和一些电源符号。同为这家公司的 F103 这颗瘆人的料子在前两年的某一段时间的价格从每颗 10 元不到被炒到将近 300 一颗。
这是国产的WCH（沁恒微电子） 的 IDE （集成开发环境），图片里面的这个简单的工程大部分代码主要是完成一些 MCU 内部的技术，用于初始化MCU内部的状态。真正与业务相关的代码只有38到43行的那6 条。以上的示例代码工程完成了两个功能，每隔 0.5s 切换闪烁 LED，此外切换完毕后报告 LED（发光二极管）的状态。
商业化的软件工程内部绝大多数是第三方提供的程序，自己开发的仅仅占一部分，程序员不仅需要懂得如何编写程序，更多的是阅读、理解和使用其他人编写的程序（通常称之为代码库）的能力。
编写代码作为一个专业性很强的技术，相对于任务之类的指导性文件，具有一下鲜明的特征：
- 代码自身清晰可执行，不存在任何歧义，这同时也体现了计算机编程的专业性。
- 计算机代码的执行顺序高度可控，它是指令级别精确的，或者简而言之就是严格按照程序员的意图一条一条来执行。
- 代码的占用数据空间比较少，通常 MCU 内部的代码空间可以支持上万行代码的大型程序。
- 代码高度灵活，可以支持顺序执行、选择分支执行、循环执行、自定义函数执行等等程序流程控制。
- 程序开发环境支持 厂家或者同行开发的软件组件（商业付费的中间件也同时存在）的功能导入，或者自行开发的程序模块化打包销售等等功能。
- 程序可以高效的实现数学算术运算。从而简化一些繁重的计算工作。
MCU 和 配套的软件、硬件一起构成了一个强大的开发设计平台，整个行业被称之为嵌入式开发或者叫做物联网行业。物联网行业中大量使用液晶触摸屏简化里了许多行业工具参数的配置。整个物联网技术可以很好的服务于汽车、工业自动化、仪器仪表、计量设备等相关行业。
ESD （Electro-Static discharge），中文名静电防护 ；TVS（Transient Voltage Suppressors），中文名称瞬态抑制二极管，是静电防护器件的一种。
在电子设备中有一种常用的元件叫做 MOSFET （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）,中文名 金属-氧化物半导体场效应管 或者简称场效应管，下图是一种常见的 MOSFET, 叫做NMOS（Negative Metal-Oxide-Semiconductor N 沟道型金属氧化物半导体）。
此外还有一种叫做 PMOS（Positive Metal-Oxide-Semiconductor P 沟道型金属氧化物半导体）的 MOSFET，PMOS 工艺结构复杂一些不利于普及知识，这里略去。
MOSFET 自身是一种绝佳的控制元件，与 BJT 双极性晶体管（或者简称三极管）依赖电流驱动不同，MOSFET几乎是一个理想元件，它工作基本不消耗电流，具体原理依据栅极G 上面加载的电压在栅极G 与衬垫B 之间的电场效应来工作，所以称为场效应管。这种极低能耗的特征使得这种器件可以大规模的使用，此外集成化制造的工艺可以在同一块硅片上批量制作上亿颗 MOSFET。 这两个技术使得 MOSFET 成为CPU 等芯片产品的核心关键基础元件。
但是，这一层薄薄的二氧化硅绝缘层又相当脆弱，它自身是绝缘的，其绝缘电阻达到 M Ohm兆欧（10 的六次方欧姆）级别。由于人体的服装毛衣与一些生活产品之间的摩擦，使得人体极易带有静电。通常而言，静电的电压在 几千伏特到几万伏特之间不等，冬天的毛衣甚至可以产生肉眼可见的火光。这种高电压对于以 MOSFET为基础的 芯片是致命的破坏。每个家庭的冰箱、洗衣机、空调、电视机等家用电器都大量使用 MCU，笔记本内部甚至了包括几百颗大小不同、功能各异的 CPU。这么多价格不菲MOSFET在没有静电防护的技术下，与人体一接触就会被烧坏。同时单个MOSFET 只有百十纳米大小（纳米是长度单位，1 纳米等于 大小10的负九次方米，即 0.000000001米）。如果MOSFET 被静电击穿了，它不会产生有任何的人体肉眼可见的提示信息。如果没有静电防护技术， CPU 等芯片根本无法走向商用。
在两个N+ 中间，二氧化硅绝缘膜下面存在一个没有画出来的N 沟道，N沟道主要是用于电子的通过。这个沟道的宽度就是常见的纳米工艺。诸如 TSMC28 工艺, 就是指 台积电制造的每个MOSFET 的 N沟道宽度为 28 纳米。由此可见，商用的 MOSFET 体积很小。
在 MOSFET 的大规模商用的背景下，行业亟需静电防护技术，TVS 瞬态抑制二极管就是针对ESD（静电防护）这个需求开发出来的，TVS 可以在 1ps 皮秒（皮秒是一种时间单位，1 皮秒等于10的负12次方秒，就是0.000000000001秒） 之内将自身的阻抗降低，从而吸收静电或者浪涌电压保护后级电路。
