變壓器都拆了，看看iPhone 充電器內(nèi)部電路

小巧精致包裝中的質(zhì)量作者拆解 Apple 小巧的英寸立方體 iPhone 充電器，看到了技術(shù)先進(jìn)的反激開關(guān)電源，蘋果充電器超越了典型充電器。只需要交流輸入（100V 至 240V 之間的任何電壓）就可以產(chǎn)生 5 W 的平滑 5V 電源，這樣的電路非常復(fù)雜且具有創(chuàng)新性。蘋果充電器怎么運(yùn)轉(zhuǎn)？iPhone 電源適配器是一種開關(guān)電源，為了獲得所需的準(zhǔn)確輸出電壓，輸入電源每秒會(huì)打開和關(guān)閉約 70,000 次。由于其設(shè)計(jì)，開關(guān)電源通常緊湊且高效，與更簡單的線性電源相比，產(chǎn)生的廢熱很少。更詳細(xì)地說，交流線路電源首先通過二極管電橋轉(zhuǎn)換為高壓直流 。DC 由電源控制器 IC控制的晶體管打開和關(guān)閉，直流饋入反激式變壓器，將其轉(zhuǎn)換為低壓交流電。最后把這個(gè)交流電轉(zhuǎn)換成直流電，經(jīng)過濾波得到平滑無干擾的電源，通過USB接口輸出。反饋電路測量輸出電壓并向控制器 IC 發(fā)送信號(hào)，控制器 IC 調(diào)整開關(guān)頻率以獲得所需電壓。上面的側(cè)視圖顯示了一些較大的組件。充電器由兩塊電路板組成，每塊略小于一平方英寸。頂板為初級(jí)，具有高壓電路，底板為次級(jí)，具有低壓輸出電路。輸入交流電首先通過一個(gè)熔斷電阻（條形），如果發(fā)生過載，它將斷開電路。輸入交流電被轉(zhuǎn)換成高壓直流電，通過兩個(gè)大電解電容（黑色帶白色文字和條紋）和電感（綠色）進(jìn)行平滑處理。接下來，高壓直流通過MOSFET 開關(guān)晶體管高頻斬波（就是左上角的大型三引腳組件）。（第二個(gè)晶體管鉗位電壓尖峰）斬波直流進(jìn)入反激變壓器（黃色，晶體管后面幾乎看不到），反激變壓器的低壓輸出線連接到下面的次級(jí)板。（不過這些電線在拆卸過程中被切斷了。）
次級(jí)板將來自變壓器的低壓轉(zhuǎn)換為直流，過濾它，然后通過USB 連接器（左下角的銀色矩形）將其饋出。灰色帶狀電纜（在電容下方的右下方幾乎看不到）提供從輔助板到控制器 IC 的反饋，以保持電壓穩(wěn)定。上圖更清晰地顯示了反激式變壓器（黃色），位于 USB 插孔上方。大的藍(lán)色組件是一個(gè)特殊的“Y”電容器，用來減少干擾。控制器 IC 在主電路板頂部的變壓器上方可見。
主電路板主電路板的兩面都裝有表面貼裝元件。內(nèi)側(cè)（下圖1）裝有大型組件，而外側(cè)（下圖2）裝有控制器 IC。（上圖中的大元器件被去掉，用斜體表示，大家看圖應(yīng)該可以看到）輸入電源連接到板的角落，通過 10Ω 熔斷電阻，并由四個(gè)二極管整流為直流。兩個(gè) RC 緩沖電路吸收電橋產(chǎn)生的 EMI 干擾。直流經(jīng)兩個(gè)大電解電容和電感濾波，產(chǎn)生 125-340V 直流。要注意與較薄的控制走線相比，連接這些電容和其他高電流組件的電路板走線的厚度。電源由 8 針 STMicrosystems L6565 準(zhǔn)諧振 SMPS控制器芯片控制。控制器 IC 驅(qū)動(dòng) MOSFET 開關(guān)晶體管，該晶體管將高壓直流斬波并將其饋入反激變壓器的初級(jí)繞組。控制器 IC 采用多種輸入（次級(jí)電壓反饋、輸入直流電壓、變壓器初級(jí)電流和變壓器退磁感應(yīng)）并調(diào)整開關(guān)頻率和時(shí)序，以通過復(fù)雜的內(nèi)部電路控制輸出電壓。電流檢測電阻讓 IC 知道有多少電流流過初級(jí)，從而控制晶體管何時(shí)應(yīng)關(guān)閉。第二個(gè)開關(guān)晶體管與一些電容和二極管一起，是吸收變壓器電壓尖峰的諧振鉗位電路的一部分?？刂破?IC 需要直流電源才能運(yùn)行，主要由一個(gè)輔助電源電路提供的，該電路由變壓器上的一個(gè)單獨(dú)的輔助繞組、一個(gè)二極管和濾波電容組成。由于控制器 IC 需要在變壓器開始發(fā)電之前上電，解決方案是通過啟動(dòng)功率電阻將高壓直流降至低電平，為 IC 提供初始電源，直到變壓器啟動(dòng)。IC 還使用輔助繞組來檢測變壓器消磁，這表明何時(shí)打開開關(guān)晶體管。副板在副板上，來自變壓器的低壓交流電經(jīng)過高速肖特基二極管整流，經(jīng)過電感和電容濾波，連接到USB輸出，鉭濾波電容在小封裝中提供高電容。USB 輸出還具有連接到數(shù)據(jù)引腳的特定電阻，以通過專有的 Apple 協(xié)議向 iPhone 指示充電器可以提供多少電流。如果充電器在此處的電阻錯(cuò)誤，iPhone 會(huì)顯示消息“此配件不支持充電”。副板包含一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源反饋電路，通過 TL431 穩(wěn)壓器監(jiān)控輸出電壓，并通過光耦合器向控制器 IC 提供反饋。如果充電器過熱或輸出電壓過高，第二個(gè)反饋電路會(huì)關(guān)閉充電器以提供保護(hù)，帶狀電纜將此反饋提供給主板。隔離因?yàn)殡娫磧?nèi)部可以有高達(dá) 340V 的直流電壓，所以安全性是一個(gè)重要問題。危險(xiǎn)線電壓和安全輸出電壓之間的隔離有嚴(yán)格的規(guī)定，它們通過距離（稱為爬電距離和電氣間隙）和絕緣的組合進(jìn)行隔離。這個(gè)規(guī)定有點(diǎn)難以理解，但兩個(gè)電路之間需要大約 4 毫米的距離。（通常一些很廉價(jià)的充電器可能會(huì)完全無視這些安全規(guī)則。）主板具有危險(xiǎn)電壓，而輔助板具有安全電壓。輔助板由兩個(gè)區(qū)域組成：連接到主板的危險(xiǎn)區(qū)域和低壓區(qū)域。這些區(qū)域之間的隔離邊界在蘋果充電器中約為 6mm，如上圖所示。該隔離邊界確保危險(xiǎn)電壓無法到達(dá)輸出端?？缭礁綦x邊界的組件共有三種，它們必須經(jīng)過專門設(shè)計(jì)以確保安全。關(guān)鍵部件是變壓器，它為電力提供了一種無需直接電氣連接即可到達(dá)輸出的方式。在內(nèi)部，變壓器是廣泛絕緣的，如下圖所示。第二種組件類型是光耦合器，它將反饋信號(hào)從次級(jí)發(fā)送到初級(jí)。光耦合器內(nèi)部包含一個(gè) LED 和一個(gè)光電晶體管，兩側(cè)僅通過光連接，而不是通過電路連接。（要注意光耦合器次級(jí)側(cè)的硅絕緣層是為了提供額外的安全性。）最后，Y 電容是一種特殊類型的電容，可以讓 EMI（電磁干擾）在高壓初級(jí)和低壓次級(jí)之間逃逸。上圖顯示了一些隔離技術(shù)。輔助板（左）具有藍(lán)色 Y 電容。注意次級(jí)板中間缺少元件，形成隔離邊界。輔助板右側(cè)的組件通過灰色帶狀電纜連接到主板，因此它們處于潛在的高壓狀態(tài)。板之間的另一個(gè)連接是來自反激變壓器（黃色）的一對電線，將輸出功率輸送到次級(jí)板；這些被切割以分離板。內(nèi)部電路示意圖作者整理了一個(gè)顯示充電器電路的近似示意圖，如下圖所示。
電路非常小看下面的圖片，和米和芥末籽對比一看，就知道電路有多小了，不知道充電器是怎么包含這么復(fù)雜的電路的。大多數(shù)組件是直接焊接到印刷電路板上的表面貼裝器件。最小的組件，例如圖片中指出的電阻，封裝為0402，0.04 英寸 x 0.02 英寸。芥菜籽左側(cè)的較大電阻可處理更多功率，封裝為0805， 0.08 x 0.05 英寸。變壓器拆解反激變壓器是充電器的關(guān)鍵部件，是最大的部件，也可能是最昂貴的。變壓器的尺寸大約為 1/2" x 1/2" x 1/3"。在內(nèi)部，變壓器具有三個(gè)繞組：

• 高壓初級(jí)輸入繞組為控制電路供電的低壓輔助繞組和高壓-電流低壓輸出繞組
• 輸出繞組連接到變壓器引出的黑線和白線
• 而其他繞組連接到變壓器底部的引腳。
  

變壓器的外部有幾層絕緣膠帶，兩股接地線纏繞在變壓器的外部以提供屏蔽。去除屏蔽層和膠帶后，鐵氧體磁芯的兩半可以從繞組上取下來，鐵氧體是一種相當(dāng)脆的陶瓷材料，因此在拆卸過程中磁芯會(huì)破裂。鐵芯圍繞繞組包含磁場，每個(gè)核心片大約為 6mm x 11mm x 4mm，這樣的核心被稱為 EQ。圓形中心部分比端部略短，當(dāng)芯塊放在一起時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的氣隙，這個(gè) 0.28 毫米的氣隙為反激變壓器存儲(chǔ)磁能。兩層膠帶下面是一個(gè)?17 匝的細(xì)漆線繞組，作者認(rèn)為這是另一個(gè)屏蔽繞組，可以將雜散干擾返回到地面。在屏蔽層和另外兩層膠帶下面是連接到黑白線的 6 匝次級(jí)輸出繞組，這個(gè)繞組是粗線，因?yàn)樗峁?1A 輸出。該繞組采用三重絕緣，這是UL安全要求，以確保高壓初級(jí)與輸出保持隔離。一些充電器會(huì)在這里偷工減料，只使用普通電線而不是三層絕緣，而且還節(jié)省了膠帶。這樣的話，如果存在絕緣缺陷或電涌，則無法保護(hù)免受高壓影響。下一層膠帶下面是?11 匝重型初級(jí)電源繞組，它為控制器 IC 供電，由于該繞組位于初級(jí)側(cè)，因此不需要進(jìn)行三重絕緣，它只是用一層薄薄的清漆絕緣。在最后的雙層膠帶下面是初級(jí)輸入繞組，它有 4 層，每層大約 23 匝。該繞組接收高壓輸入，由于電流非常低，因此導(dǎo)線可以非常細(xì)。因?yàn)槌跫?jí)繞組的匝數(shù)大約是次級(jí)繞組的 15 倍，所以次級(jí)電壓將是初級(jí)電壓的 1/15，但電流是 15 倍。因此，變壓器將高壓輸入轉(zhuǎn)換為低壓、大電流輸出。下面這個(gè)圖片顯示了變壓器的所有組件，從左到右顯示了從外部膠帶到最里面的繞組和線軸的層數(shù)。利潤空間在哪拆解完這個(gè)之后，作者意識(shí)到了蘋果在這些充電器上的利潤率多大，蘋果充電器售價(jià)大約30美元，幾乎是所有的利潤。三星大概以10美元的價(jià)格出售了一個(gè)非常相似的立方體充電器，作者也拆解了。蘋果充電器質(zhì)量更高，作者估計(jì)里面有大約一美元的附加組件。不過它的售價(jià)要高出 20 美元。為什么 iPhone 充電器與眾不同Apple 的電源適配器顯然是一種高品質(zhì)電源，旨在產(chǎn)生經(jīng)過仔細(xì)過濾的電源。蘋果顯然已經(jīng)付出了額外的努力來減少 EMI 干擾，可能是為了防止充電器干擾觸摸屏。打開充電器時(shí)，作者希望能找到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，作者已經(jīng)將充電器與三星充電器和其他幾個(gè)高質(zhì)量的行業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較，蘋果在幾個(gè)方面超越了這些設(shè)計(jì)。

• 輸入交流電通過塑料外殼上的微小鐵氧體環(huán)進(jìn)行過濾（見下圖）。
• 二極管電橋輸出由兩個(gè)大電容和一個(gè)電感濾波。
• 另外兩個(gè) RC 緩沖器對二極管橋進(jìn)行濾波，作者只在音頻電源的其他地方看到過，以防止 60Hz 嗡嗡聲，也許這增強(qiáng)了 iTunes 的聆聽體驗(yàn)。
• 作者拆的其他充電器沒有使用鐵氧體環(huán)，通常只有一個(gè)濾波電容。
• 主電路板在高頻元件上有一個(gè)接地的金屬屏蔽層（見圖），這是作者在其他地方?jīng)]有見過的。
• 變壓器包括一個(gè)屏蔽繞組以吸收 EMI。
• 輸出電路使用三個(gè)電容，包括兩個(gè)相對昂貴的鉭電容器和一個(gè)用于濾波的電感，當(dāng)許多電源只使用一個(gè)電容器時(shí)，其他設(shè)計(jì)中通常會(huì)省略 Y 電容。
• 諧振鉗位電路極具創(chuàng)新性。
  

Apple 的設(shè)計(jì)以前面討論過的幾種方式提供了額外的安全性：超強(qiáng) AC 插腳，以及復(fù)雜的過溫/過壓關(guān)斷電路。結(jié)論Apple 的 iPhone 充電器將大量技術(shù)塞進(jìn)了一個(gè)狹小的空間。蘋果付出了額外的努力來提供比其他名牌充電器更高的質(zhì)量和安全性，但這種質(zhì)量需要付出高昂的代價(jià)。
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