作者拆解 Apple 小巧的英寸立方體 iPhone 充電器，看到了技術先進的反激開關電源，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）就可以產生 5 W 的平滑 5V 電源，這樣的電路非常復雜且具有創新性。

? ? ? 蘋果充電器怎么運轉？

? iPhone 電源適配器是一種開關電源，為了獲得所需的準確輸出電壓，輸入電源每秒會打開和關閉約 70,000 次。由于其設計，開關電源通常緊湊且高效，與更簡單的線性電源相比，產生的廢熱很少。 更詳細地說，交流線路電源首先通過二極管電橋轉換為高壓直流 。DC 由電源控制器 IC控制的晶體管打開和關閉，直流饋入反激式變壓器，將其轉換為低壓交流電。最后把這個交流電轉換成直流電，經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 發送信號，控制器 IC 調整開關頻率以獲得所需電壓。 ?

? 上面的側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，具有高壓電路，底板為次級，具有低壓輸出電路。 輸入交流電首先通過一個熔斷電阻（條形），如果發生過載，它將斷開電路。輸入交流電被轉換成高壓直流電，通過兩個大電解電容（黑色帶白色文字和條紋）和電感（綠色）進行平滑處理。 ?

? 接下來，高壓直流通過?MOSFET 開關晶體管高頻斬波（就是左上角的大型三引腳組件）。（第二個晶體管鉗位電壓尖峰）斬波直流進入反激變壓器（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板。（不過這些電線在拆卸過程中被切斷了。） 次級板將來自變壓器的低壓轉換為直流，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。大的藍色組件是一個特殊的“Y”電容器，用來減少干擾?？刂破?IC 在主電路板頂部的變壓器上方可見。

主電路板

電路板的兩面都裝有表面貼裝元件。內側（下圖1）裝有大型組件，而外側（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，并由四個二極管整流為直流。兩個 RC 緩沖電路吸收電橋產生的 EMI 干擾。直流經兩個大電解電容和電感濾波，產生 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 準諧振 SMPS?控制器芯片控制。控制器 IC 驅動 MOSFET 開關晶體管，該晶體管將高壓直流斬波并將其饋入反激變壓器的初級繞組。

控制器 IC 采用多種輸入

（次級電壓反饋、輸入直流電壓、變壓器初級電流和變壓器退磁感應）并調整開關頻率和時序，以通過復雜的內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，從而控制晶體管何時應關閉。

? 第二個開關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。 控制器 IC 需要直流電源才能運行，主要由一個輔助電源電路提供的，該電路由變壓器上的一個單獨的輔助繞組、一個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電之前上電，解決方案是通過啟動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。IC 還使用輔助繞組來檢測變壓器消磁，這表明何時打開開關晶體管。 ?

副板

在副板上，來自變壓器的低壓交流電經過高速肖特基二極管整流，經過電感和電容濾波，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據引腳的特定電阻，以通過專有的 Apple 協議向 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誤，iPhone 會顯示消息“此配件不支持充電”。

? 副板包含一個標準的開關電源反饋電路，通過 TL431 穩壓器監控輸出電壓，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，第二個反饋電路會關閉充電器以提供保護，帶狀電纜將此反饋提供給主板。

隔離

因為電源內部可以有高達 340V 的直流電壓，所以安全性是一個重要問題。 危險線電壓和安全輸出電壓之間的隔離有嚴格的規定，它們通過距離（稱為爬電距離和電氣間隙）和絕緣的組合進行隔離。 這個規定有點難以理解，但兩個電路之間需要大約 4 毫米的距離。（通常一些很廉價的充電器可能會完全無視這些安全規則。） 主板具有危險電壓，而輔助板具有安全電壓。輔助板由兩個區域組成：連接到主板的危險區域和低壓區域。這些區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電壓無法到達輸出端。 跨越隔離邊界的組件共有三種，它們必須經過專門設計以確保安全。

關鍵部件是變壓器，它為電力提供了一種無需直接電氣連接即可到達輸出的方式。在內部，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，它將反饋信號從次級發送到初級。光耦合器內部包含一個 LED 和一個光電晶體管，兩側僅通過光連接，而不是通過電路連接。（要注意光耦合器次級側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）在高壓初級和低壓次級之間逃逸。 ?

? 上圖顯示了一些隔離技術。輔助板（左）具有藍色 Y 電容。注意次級板中間缺少元件，形成隔離邊界。輔助板右側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。板之間的另一個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板；這些被切割以分離板。 ?

內部電路示意圖 作者整理了一個顯示充電器電路的近似示意圖，如下圖所示。

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? 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雜的電路的。 大多數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"。在內部，變壓器具有三個繞組：

高壓初級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，鐵氧體是一種相當脆的陶瓷材料，因此在拆卸過程中磁芯會破裂。 鐵芯圍繞繞組包含磁場，每個核心片大約為 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，當芯塊放在一起時會產生一個小的氣隙，這個 0.28 毫米的氣隙為反激變壓器存儲磁能。

? 兩層膠帶下面是一個?17 匝的細漆線繞組，作者認為這是另一個屏蔽繞組，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 匝次級輸出繞組，這個繞組是粗線，因為它提供 1A 輸出。 該繞組采用三重絕緣，這是?UL?安全要求，以確保高壓初級與輸出保持隔離。 一些充電器會在這里偷工減料，只使用普通電線而不是三層絕緣，而且還節省了膠帶。這樣的話，如果存在絕緣缺陷或電涌，則無法保護免受高壓影響。

? 下一層膠帶下面是?11 匝重型初級電源繞組，它為控制器 IC 供電，由于該繞組位于初級側，因此不需要進行三重絕緣，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，因此導線可以非常細。 因為初級繞組的匝數大約是次級繞組的 15 倍，所以次級電壓將是初級電壓的 1/15，但電流是 15 倍。因此，變壓器將高壓輸入轉換為低壓、大電流輸出。

? 下面這個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。

? 利潤空間在哪 拆解完這個之后，作者意識到了蘋果在這些充電器上的利潤率多大，蘋果充電器售價大約30美元，幾乎是所有的利潤。三星大概以10美元的價格出售了一個非常相似的立方體充電器，作者也拆解了。 蘋果充電器質量更高，作者估計里面有大約一美元的附加組件。不過它的售價要高出 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電源，旨在產生經過仔細過濾的電源。蘋果顯然已經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，作者希望能找到一個標準設計，作者已經將充電器與三星充電器和其他幾個高質量的行業設計進行了比較，蘋果在幾個方面超越了這些設計。

輸入交流電通過塑料外殼上的微小鐵氧體環進行過濾（見下圖）。

二極管電橋輸出由兩個大電容和一個電感濾波。

另外兩個 RC 緩沖器對二極管橋進行濾波，作者只在音頻電源的其他地方看到過，以防止 60Hz 嗡嗡聲，也許這增強了 iTunes 的聆聽體驗。

作者拆的其他充電器沒有使用鐵氧體環，通常只有一個濾波電容。

主電路板在高頻元件上有一個接地的金屬屏蔽層（見圖），這是作者在其他地方沒有見過的。

變壓器包括一個屏蔽繞組以吸收 EMI。

輸出電路使用三個電容，包括兩個相對昂貴的鉭電容器和一個用于濾波的電感，當許多電源只使用一個電容器時，其他設計中通常會省略 Y 電容。

諧振鉗位電路極具創新性。

Apple 的設計以前面討論過的幾種方式提供了額外的安全性：超強 AC 插腳，以及復雜的過溫/過壓關斷電路。

? ? 結論

Apple 的 iPhone 充電器將大量技術塞進了一個狹小的空間。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量和安全性，但這種質量需要付出高昂的代價。

編輯：黃飛 ?

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