苹果 iPhone 充电器拆解：小而昂贵的包装中的质量（2012）

本文现已提供越南语 Bộ sạc iPhone của Apple 版本。拆解 Apple 的小型立方体 iPhone 充电器，可以看到技术先进的反激式开关电源，它超越了典型的充电器。它只需要交流输入（100 到 240 伏之间的任何电压）并产生 5 瓦的平滑 5 伏电源，但实现此目的的电路非常复杂且具有创新性。 iPhone 电源适配器是一种开关电源，其输入电源每秒开关约 70,000 次，以获得所需的准确输出电压。由于其设计，与简单的线性电源相比，开关电源通常紧凑且高效，并且产生的废热很少。更详细地说，交流线路电源首先通过二极管桥转换为高压直流 [1]。 DC 由电源控制器 IC 控制的晶体管打开和关闭。斩波后的直流电馈入反激式 [2] 变压器，将其转换为低压交流电。最后将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。上面的侧视图显示了一些较大的组件。充电器由两个电路板组成，每个电路板略低于一英寸见方。 [3] 顶板是初级，它有高压电路，底板是次级，有低压输出电路。输入交流电首先通过一个易熔电阻（条纹），这会破坏电路如果有灾难性的过载。输入交流电转换为高压直流电，由两个大电解电容（黑底白字和条纹）和电感（绿）平滑。接下来，高压直流被一个 MOSFET 开关晶体管以高频斩波，这是左上角的大型三引脚组件。 （第二个晶体管钳位电压尖峰，如下文所述。）斩波的 DC 进入反激变压器（黄色，晶体管后面几乎不可见），该变压器具有通往下方次级板的低压输出线。 （这些电线在拆卸过程中被切断。）次级板将来自变压器的低电压转换为直流，对其进行滤波，然后通过 USB 连接器（左下方的银色矩形）将其馈出。灰色带状电缆（在电容器下方的右下方几乎看不见）提供从次级板到控制器 IC 的反馈，以保持电压稳定。上图更清楚地显示了反激变压器（黄色），位于 USB 插孔上方。蓝色的大元件是一个特殊的“Y”电容[4]，用于减少干扰。控制器IC在主板顶部的变压器上方可见。 [5] 主电路板两面都装有表面贴装元件。内侧（上图）装有大型元件，而外侧（下图）装有控制器 IC。 （图中去掉了大元件，用斜体表示。）输入电源接板角，通过10Ω可熔电阻，由四个二极管整流成直流。两个RC缓冲电路吸收电桥产生的 EMI 干扰。 [6]直流经两个大电解电容和电感滤波，产生125-340V直流。请注意，与较细的控制走线相比，连接这些电容器和其他高电流组件的电路板走线的厚度。电源由 8 引脚 STMicrosystems L6565 准谐振 SMPS 控制器芯片控制。 [7] 控制器 IC 驱动 MOSFET 开关晶体管，该晶体管对高压直流进行斩波并将其馈入反激变压器的初级绕组。控制器 IC 接受多种输入（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。电流感应电阻器让 IC 知道有多少电流流过初级，从而控制何时应该关闭晶体管。第二个开关晶体管以及一些电容器和二极管是谐振钳位电路的一部分，用于吸收变压器上的电压尖峰。这种不同寻常的创新电路已获得 Flextronics 的专利。 [8] [9] 控制器IC需要直流电源才能运行；这是由辅助电源电路提供的，该电路由变压器上的独立辅助绕组、二极管和滤波电容器组成。由于控制器 IC 需要在变压器开始发电之前通电，您可能想知道如何解决这个先有鸡还是先有蛋的问题。解决方法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。辅助绕组也被 IC 用来检测变压器退磁，指示何时开启开关晶体管。 [7] 在次级板上，来自变压器的低压交流电经高速肖特基二极管整流，经电感和电容滤波后，连接到USB输出端。钽滤波电容器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。 [10] 如果充电器在此处具有错误的电阻，iPhone 会显示消息“此配件不支持充电”。次级板包含一个标准的开关电源反馈电路，它用一个 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进行保护。 [11] 带状电缆向主板提供此反馈。由于电源内部最高可达 340V DC，因此安全性是一个重要问题。严格的规定管理危险线路电压和安全输出电压之间的隔离，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。标准 [12] 有点难以理解，但两个电路之间需要大约 4mm 的距离。 （正如我在 Tiny、便宜、危险：在（假）iPhone 充电器中讨论的那样，便宜的充电器完全无视这些安全规则。）您可能希望主板具有危险电压，而次级板具有安全电压，但是二次板由两个区域组成：与主板相连的危险区域和低压区域。这些区域之间的隔离边界在 Apple 充电器中约为 6mm，可以在上图中看到。此隔离边界可确保危险电压无法到达输出。跨越隔离边界的组件有三类，它们必须经过专门设计以确保安全。关键部件是变压器，它提供了一种无需直接电气连接即可使电力到达输出的方式。在内部，变压器是广泛绝缘的，如下所示。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。在内部，光耦合器包含一个 LED 和一个光电晶体管，因此两侧仅通过光连接，而不是通过电路连接。 （注意光耦合器次级侧的硅绝缘以提供额外的安全性。）最后，Y 电容器是一种特殊类型的电容器 [4]，可让 EMI（电磁干扰）在高压初级和低压初级之间逸出。二次电压。上图显示了一些隔离技术。次级板（左）有蓝色 Y 电容器。注意次级板中间缺少元件，形成隔离边界。次级电路板右侧的组件通过灰色带状电缆连接到初级电路板，因此它们可能处于高压状态。电路板之间的另一个连接是来自反激式变压器（黄色）的一对电线，用于提供输出功率到二级委员会；这些被切割以分离板。我已经整理了一个显示充电器电路的近似示意图。 [13] 点击查看大图。看着这些图片，很容易忘记这些组件有多小，以及充电器如何将所有这些复杂性塞进一英寸。下面稍微放大的图片显示了一个四分之一、一粒米和一个芥菜籽，以进行尺寸比较。大多数组件是直接焊接到印刷电路板上的表面贴装器件。最小的元件，例如图中指出的电阻器，被称为“0402”尺寸，因为它们是 0.04 英寸 x 0.02 英寸。芥菜籽左侧的较大电阻器可处理更多功率，并且被称为“0805”尺寸，因为它们的尺寸为 0.08 x .05 英寸。反激变压器是充电器的关键部件，是最大的部件，也可能是最贵的。 [14] 但里面是什么？我拆开变压器找出答案。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、为控制电路提供电源的低压辅助绕组和高压-电流低压输出绕组，输出绕组接变压器的黑线和白线，其他绕组接变压器底部的管脚，变压器外面有两层绝缘胶带。第二行似乎以“FLEX”开头，对于伟创力。两股接地线缠绕在变压器外部以提供屏蔽。去除屏蔽和胶带后，铁氧体磁芯的两半可以从绕组中移除。铁氧体是一种相当脆的陶瓷材料，因此在移除过程中磁芯破裂。磁芯围绕绕组并包含磁场。每个磁芯块大约为 6mm x 11mm x 4mm；这种类型的磁芯被称为情商。圆形中心部分比两端略短，当芯片放在一起时会产生一个小的气隙。这个 0.28 毫米的气隙存储了反激变压器的磁能。在接下来的两层胶带下面是一个 17 匝的细漆线绕组，我认为这是另一个屏蔽绕组，可以将杂散干扰返回到地面。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。请注意，该绕组是粗线，因为它为 1A 输出供电。另请注意，绕组是三重绝缘的，这是 UL 安全要求，以确保高压初级与输出保持隔离。这是廉价充电器作弊的一个地方——它们只是使用普通电线而不是三重绝缘的电线，而且还在胶带上吝啬。结果是，如果存在绝缘缺陷或电涌，则无法保护您免受高压影响。在下一个双层胶带下是 11 匝大规格初级电源绕组，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。在最后的双层胶带下面是初级输入绕组，它是 4 层，每层大约 23 匝。该绕组接收高压输入。由于电流非常低，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，但是电流的 15 倍。因此，变压器将高压输入转换为低压、大电流输出。最后一张图显示了变压器的所有组件；从左到右显示了从外侧胶带到最内侧绕组和线轴的层数。我很惊讶地意识到苹果在这些充电器上的利润率一定是巨大的。这些充电器的售价约为 30 美元（如果不是假冒产品），但这几乎是所有利润。三星以大约 6 到 10 美元的价格出售一个非常相似的立方体充电器，我也将其拆解（稍后会写出详细信息）。 Apple 充电器质量更高，我估计里面有大约价值一美元的附加组件。 [14] 但它​​的售价要高出 20 美元。 2008 年，苹果公司召回了 iPhone 充电器，原因是交流插头可能会从充电器上脱落并卡在插座中。 [15]有问题的充电器的插脚上附有被描述为只不过是胶水和“一厢情愿”的东西。 [15]Apple 将充电器更换为重新设计的型号，如上图所示的绿点标记所示（假冒充电器不可避免地会模仿）。我决定看看苹果在更换充电器上做了哪些安全改进，并与其他类似的充电器进行比较。我尝试拔出 Apple 充电器、三星充电器和假冒充电器的插脚。假冒的爪子是用钳子拉出来的，因为除了摩擦之外，基本上没有任何东西可以固定它们。三星的叉子用钳子进行了多次拉动和扭曲，因为它们有小金属片将它们固定到位，但最终它们出来了。当我继续使用 Apple 充电器时，即使我用钳子最用力地拉，插脚也没有移动，所以我拿出 Dremel 并通过外壳磨光，以找出固定插脚的东西。它们嵌入了大金属法兰在外壳的塑料中，因此在损坏充电器的情况下，插脚不可能松动。照片显示了 Apple 插头（注意从右半部分取下的塑料厚度）、仅通过摩擦固定的假冒充电器的插脚，以及由小而坚固的金属片固定的三星插脚。苹果在召回后为使充电器更安全所做的努力给我留下了深刻的印象。他们不仅稍微改进了镶爪以使其更安全；显然有人被告知要尽一切努力确保在任何情况下都绝对不可能使镶爪再次松动。 Apple 的电源适配器显然是一款高品质电源，旨在产生经过精心过滤的电源。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。 [16] 当我打开充电器时，我希望能找到一个标准的设计，但我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，[17] 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一个小铁氧体环过滤（见下图）。二极管桥输出由两个大电容和一个电感滤波。另外两个 RC 缓冲器对二极管电桥进行滤波，我只在音频电源的其他地方看到过它以防止 60Hz 嗡嗡声； [6] 也许这会增强 iTunes 的聆听体验。我拆过的其他充电器没有使用铁氧体环，通常只有一个滤波电容。主电路板在高频组件上有一个接地的金属屏蔽层（见照片），我在其他地方没有看到过。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器，包括两个相对昂贵的钽电容器 [14] 和一个用于滤波的电感器，而许多电源只使用一个电容器。其他设计中通常会省略 Y 电容器。谐振钳位电路具有高度创新性。 [9] Apple 的设计以前面讨论过的几种方式提供了额外的安全性：超强交流电插脚，以及复杂的过温/过压关断电路。苹果的初级和次级之间的隔离距离似乎超出了规定。 Apple 的 iPhone 充电器将大量技术塞进了一个狭小的空间。与其他名牌充电器相比，Apple 付出了额外的努力来提供更高的质量和安全性，但这种质量需要付出高昂的代价。如果您对电源感兴趣，请查看我的其他文章：小巧、廉价、危险：在（假）iPhone 充电器内部，我在那里拆开了一个 2.79 美元的 iPhone 充电器，发现它违反了许多安全规则；不要购买其中之一。还要看看 Apple 并没有彻底改变电源；新晶体管检查了开关电源的历史。要查看拆解 Apple 的适配器，请查看由 scourtheearth 和 Ladyada 制作的视频。最后，如果您身边有一个您不想要的有趣充电器，请将其发送给我，也许我会写出详细的拆解说明。另请参阅 Hacker News 上的评论。 [1]您可能想知道为什么电源内部的直流电压远高于线路电压。直流电压大约是交流电压的 sqrt(2) 倍，因为二极管将电容器充电到交流信号的峰值。因此，100 至 240 伏交流输入在内部转换为 145 至 345 伏直流电压。这不足以成为正式的高压，但为了方便起见，我将其称为高压。根据标准，任何低于 50 伏交流电或 120 伏直流电的东西都被认为是超低电压，在正常条件下被认为是安全的。但为了方便起见，我将 5V 输出称为低电压。 [2] Apple 电源采用反激式设计，其中变压器以您预期的“反向”运行。当电压脉冲被发送到变压器时，输出二极管会阻止输出，因此没有输出 - 而是会建立磁场。当电压输入停止时，磁场崩溃导致变压器输出电压。反激电源在低瓦数电源中很常见。 [3]主板尺寸约为 22.5mm x 20.0mm，而副板尺寸约为 22.2mm x 20.2mm。 [4]有关 X 和 Y 电容器的更多信息，请参阅 Kemet 的演示文稿和设计低漏电流电源。 [5] 为清楚起见，本文在拍摄照片之前去除了一些绝缘材料。 Y电容上覆盖着黑色热缩管，电路侧面有胶带，易熔电阻上覆盖着黑色热缩管，USB连接器上有一个黑色绝缘盖。 [6] 缓冲电路可用于减少音频电源中二极管桥产生的 60 Hz 嗡嗡声。音频电源二极管的 RC 缓冲器的详细参考是计算最佳缓冲器，样本设计是音频放大器电源设计。 [7]电源由L6565准谐振SMPS（switched-mode power supply）控制器芯片（datasheet）控制。 （当然，该芯片可能是别的东西，但该电路与 L6565 完全匹配，我检查过的其他芯片都没有。）为了提高效率并减少干扰，该芯片使用了一种称为准谐振的技术，该技术最初是在1980 年代。输出电路设计为当电源关闭时，变压器电压会发生振荡。当电压达到零时，晶体管重新开启。这被称为零电压开关，因为晶体管在其两端基本上没有电压时进行开关，从而最大限度地减少浪费......