小巧精致包装中的质量

作者拆解 Apple 小巧的英寸立方体 iPhone 充电器,看到了技术先进的反激开关电源,苹果充电器超越了典型充电器。

只需要交流输入(100V 至 240V 之间的任何电压)就可以产生 5 W 的平滑 5V 电源,这样的电路非常复杂且具有创新性。

e425bee4add941d29ac55eaf9b5c9ed2~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
苹果充电器怎么运转?

iPhone 电源适配器是一种开关电源,为了获得所需的准确输出电压,输入电源每秒会打开和关闭约 70,000 次。由于其设计,开关电源通常紧凑且高效,与更简单的线性电源相比,产生的废热很少

更详细地说,交流线路电源首先通过二极管电桥转换为高压直流 。DC 由电源控制器 IC控制的晶体管打开和关闭,直流馈入反激式变压器,将其转换为低压交流电。最后把这个交流电转换成直流电,经过滤波得到平滑无干扰的电源,通过USB接口输出。

反馈电路测量输出电压并向控制器 IC 发送信号,控制器 IC 调整开关频率以获得所需电压。

ed24bc11a1444f148497b7684156a188~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

上面的侧视图显示了一些较大的组件。充电器由两块电路板组成,每块略小于一平方英寸。顶板为初级,具有高压电路,底板为次级,具有低压输出电路

输入交流电首先通过一个熔断电阻(条形),如果发生过载,它将断开电路。输入交流电被转换成高压直流电,通过两个大电解电容(黑色带白色文字和条纹)和电感(绿色)进行平滑处理

c6d5be6edc604b08bcf0badbfacd0a98~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

接下来,高压直流通过 MOSFET 开关晶体管高频斩波(就是左上角的大型三引脚组件)。(第二个晶体管钳位电压尖峰)斩波直流进入反激变压器(黄色,晶体管后面几乎看不到),反激变压器的低压输出线连接到下面的次级板。(不过这些电线在拆卸过程中被切断了。)

次级板将来自变压器的低压转换为直流,过滤它,然后通过 USB 连接器(左下角的银色矩形)将其馈出。灰色带状电缆(在电容下方的右下方几乎看不到)提供从辅助板到控制器 IC 的反馈,以保持电压稳定。

b00fe22e997a48e3be4d5756830eefdb~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

上图更清晰地显示了反激式变压器(黄色),位于 USB 插孔上方。大的蓝色组件是一个特殊的“Y”电容器,用来减少干扰。控制器 IC 在主电路板顶部的变压器上方可见。


主电路板

主电路板的两面都装有表面贴装元件。内侧(下图1)装有大型组件,而外侧(下图2)装有控制器 IC。(上图中的大元器件被去掉,用斜体表示,大家看图应该可以看到)

输入电源连接到板的角落,通过 10Ω 熔断电阻,并由四个二极管整流为直流。两个 RC 缓冲电路吸收电桥产生的 EMI 干扰直流经两个大电解电容和电感滤波,产生 125-340V 直流。

要注意与较薄的控制走线相比,连接这些电容和其他高电流组件的电路板走线的厚度。

8fdd008bcb3d4a4b822d8ff4d522acbb~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

电源由 8 针 STMicrosystems L6565 准谐振 SMPS 控制器芯片控制。控制器 IC 驱动 MOSFET 开关晶体管,该晶体管将高压直流斩波并将其馈入反激变压器的初级绕组。

控制器 IC 采用多种输入(次级电压反馈、输入直流电压、变压器初级电流和变压器退磁感应)并调整开关频率和时序,以通过复杂的内部电路控制输出电压。电流检测电阻让 IC 知道有多少电流流过初级,从而控制晶体管何时应关闭。

21855e5f8a244462905b0c61c11e855a~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

第二个开关晶体管与一些电容和二极管一起,是吸收变压器电压尖峰的谐振钳位电路的一部分。

控制器 IC 需要直流电源才能运行,主要由一个辅助电源电路提供的,该电路由变压器上的一个单独的辅助绕组、一个二极管和滤波电容组成。

由于控制器 IC 需要在变压器开始发电之前上电,解决方案是通过启动功率电阻将高压直流降至低电平,为 IC 提供初始电源,直到变压器启动。IC 还使用辅助绕组来检测变压器消磁,这表明何时打开开关晶体管。

副板

在副板上,来自变压器的低压交流电经过高速肖特基二极管整流,经过电感和电容滤波,连接到USB输出,钽滤波电容在小封装中提供高电容

USB 输出还具有连接到数据引脚的特定电阻,以通过专有的 Apple 协议向 iPhone 指示充电器可以提供多少电流。如果充电器在此处的电阻错误,iPhone 会显示消息“此配件不支持充电”。

d062a228bad743b2a4b824516c2625e7~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

副板包含一个标准的开关电源反馈电路,通过 TL431 稳压器监控输出电压,并通过光耦合器向控制器 IC 提供反馈。如果充电器过热或输出电压过高,第二个反馈电路会关闭充电器以提供保护,带状电缆将此反馈提供给主板。

隔离

因为电源内部可以有高达 340V 的直流电压,所以安全性是一个重要问题。

危险线电压和安全输出电压之间的隔离有严格的规定,它们通过距离(称为爬电距离和电气间隙)和绝缘的组合进行隔离。

这个规定有点难以理解,但两个电路之间需要大约 4 毫米的距离。(通常一些很廉价的充电器可能会完全无视这些安全规则。)

主板具有危险电压,而辅助板具有安全电压。辅助板由两个区域组成:连接到主板的危险区域和低压区域。这些区域之间的隔离边界在苹果充电器中约为 6mm,如上图所示。该隔离边界确保危险电压无法到达输出端。

跨越隔离边界的组件共有三种,它们必须经过专门设计以确保安全。关键部件是变压器,它为电力提供了一种无需直接电气连接即可到达输出的方式。在内部,变压器是广泛绝缘的,如下图所示。

第二种组件类型是光耦合器,它将反馈信号从次级发送到初级。光耦合器内部包含一个 LED 和一个光电晶体管,两侧仅通过光连接,而不是通过电路连接。(要注意光耦合器次级侧的硅绝缘层是为了提供额外的安全性。)最后,Y 电容是一种特殊类型的电容,可以让 EMI(电磁干扰)在高压初级和低压次级之间逃逸。

22859ef290274c94b98398524d1aa9f5~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

上图显示了一些隔离技术。辅助板(左)具有蓝色 Y 电容。注意次级板中间缺少元件,形成隔离边界。辅助板右侧的组件通过灰色带状电缆连接到主板,因此它们处于潜在的高压状态。板之间的另一个连接是来自反激变压器(黄色)的一对电线,将输出功率输送到次级板;这些被切割以分离板。

内部电路示意图

作者整理了一个显示充电器电路的近似示意图,如下图所示。

66ebe4e5a9e94264bfa5ca4e3693421d~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
af8a4816ad294ab7ba132cd6b1398472~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
电路非常小

看下面的图片,和米和芥末籽对比一看,就知道电路有多小了,不知道充电器是怎么包含这么复杂的电路的。

大多数组件是直接焊接到印刷电路板上的表面贴装器件。最小的组件,例如图片中指出的电阻,封装为0402,0.04 英寸 x 0.02 英寸。

芥菜籽左侧的较大电阻可处理更多功率,封装为0805, 0.08 x 0.05 英寸。

a08e9b6be9ea43ed8b3da74dbfef9ad4~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
变压器拆解

反激变压器是充电器的关键部件,是最大的部件,也可能是最昂贵的

变压器的尺寸大约为 1/2" x 1/2" x 1/3"。在内部,变压器具有三个绕组

  • 高压初级输入绕组为控制电路供电的低压辅助绕组和高压-电流低压输出绕组
  • 输出绕组连接到变压器引出的黑线和白线
  • 其他绕组连接到变压器底部的引脚。

变压器的外部有几层绝缘胶带,两股接地线缠绕在变压器的外部以提供屏蔽

7273edc0d1904b8d9ff0e34f1efba128~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

去除屏蔽层和胶带后,铁氧体磁芯的两半可以从绕组上取下来,铁氧体是一种相当脆的陶瓷材料,因此在拆卸过程中磁芯会破裂。

铁芯围绕绕组包含磁场,每个核心片大约为 6mm x 11mm x 4mm,这样的核心被称为 EQ。圆形中心部分比端部略短,当芯块放在一起时会产生一个小的气隙,这个 0.28 毫米的气隙为反激变压器存储磁能。

986077e5a9b649ea994ceb0758e0fa28~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

两层胶带下面是一个 17 匝的细漆线绕组,作者认为这是另一个屏蔽绕组,可以将杂散干扰返回到地面。

bf419bcf2c1b48588490862f9660cd35~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

在屏蔽层和另外两层胶带下面是连接到黑白线的 6 匝次级输出绕组,这个绕组是粗线,因为它提供 1A 输出。

绕组采用三重绝缘,这是 UL 安全要求,以确保高压初级与输出保持隔离

一些充电器会在这里偷工减料,只使用普通电线而不是三层绝缘,而且还节省了胶带。这样的话,如果存在绝缘缺陷或电涌,则无法保护免受高压影响。

1acc555c60c6466499fb8baf38c8414c~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

下一层胶带下面是 11 匝重型初级电源绕组,它为控制器 IC 供电,由于该绕组位于初级侧,因此不需要进行三重绝缘,它只是用一层薄薄的清漆绝缘。

1ce88741eed74e54af96d0fa98f27b26~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

在最后的双层胶带下面是初级输入绕组,它有 4 层每层大约 23 匝。该绕组接收高压输入,由于电流非常低,因此导线可以非常细。

因为初级绕组的匝数大约是次级绕组的 15 倍,所以次级电压将是初级电压的 1/15,但电流是 15 倍。因此,变压器将高压输入转换为低压、大电流输出

535568d121804b46bb8a9776b857b80b~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

下面这个图片显示了变压器的所有组件,从左到右显示了从外部胶带到最里面的绕组和线轴的层数。

440cd1a82bf5402ba0caa8d1d229dd40~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
苹果的巨大利润空间(不代表本人观点,勿喷)

拆解完这个之后,作者意识到了苹果在这些充电器上的利润率多大,苹果充电器售价大约30美元,几乎是所有的利润。三星大概以10美元的价格出售了一个非常相似的立方体充电器,作者也拆解了。

苹果充电器质量更高,作者估计里面有大约一美元的附加组件。不过它的售价要高出 20 美元。

是什么让 Apple 的 iPhone 充电器与众不同

Apple 的电源适配器显然是一种高品质电源,旨在产生经过仔细过滤的电源。苹果显然已经付出了额外的努力来减少 EMI 干扰,可能是为了防止充电器干扰触摸屏。

打开充电器时,作者希望能找到一个标准设计,作者已经将充电器与三星充电器和其他几个高质量的行业设计进行了比较,苹果在几个方面超越了这些设计。

  • 输入交流电通过塑料外壳上的微小铁氧体环进行过滤(见下图)。
  • 二极管电桥输出由两个大电容和一个电感滤波。
  • 另外两个 RC 缓冲器对二极管桥进行滤波,作者只在音频电源的其他地方看到过,以防止 60Hz 嗡嗡声,也许这增强了 iTunes 的聆听体验。
  • 作者拆的其他充电器没有使用铁氧体环,通常只有一个滤波电容。
  • 主电路板在高频元件上有一个接地的金属屏蔽层(见图),这是作者在其他地方没有见过的。
  • 变压器包括一个屏蔽绕组以吸收 EMI。
  • 输出电路使用三个电容,包括两个相对昂贵的钽电容器和一个用于滤波的电感,当许多电源只使用一个电容器时,其他设计中通常会省略 Y 电容。
  • 谐振钳位电路极具创新性。

Apple 的设计以前面讨论过的几种方式提供了额外的安全性:超强 AC 插脚,以及复杂的过温/过压关断电路

2b1e4876356e4efb9cf40344bbb7dd06~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
结论

Apple 的 iPhone 充电器将大量技术塞进了一个狭小的空间。苹果付出了额外的努力来提供比其他名牌充电器更高的质量和安全性,但这种质量需要付出高昂的代价。