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楼主: rollei120

[充电器] 【翻译】国外DX拆解苹果绿的充电器+解读设计 (完)

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 楼主| 发表于 2012-10-26 06:52 | 显示全部楼层

它是如何工作的

iPhone充电器的类型属于开关电源,在1秒内,它将输入的电源来回导通和关断70000次(1秒7万次,即频率为70KHz。),目的是为了满足输出的精准度。对比结构简单的线性电源,开关电源在体积、效率和发热方面有明显的优势。

这里详细说明一下工作原理:(我在这里,分了一下段,方便大家理解。-rollei120注)

-          交流输入的电压经过桥堆后,会转化成高压的直流电(high voltage DC[1],作者标注了参考文献,可在博客的最后面找到。可见作者态度很严谨,关键的地方都注明的出处,如同学术文章,值得我们学习!-rollei120注)。

-          电源控制IC会控制功率三极管(或者MOS管)的导通和关断,将经过桥堆后的高压直流电斩波(即变成频率很高的交变高压电),然后经过反激式变压器(flyback [2] transformer)转化成低压的交流电。

-          该低压交流电经过滤波后,变成我们所需的低压直流电,通过USB接口输入到我们的用电设备。

-          另外,还有反馈电路不断监测输出的电压值,并反馈这些信号给控制IC,以便IC能及时调整开关频率,从而获得精准的电压。


                               
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上面的侧视图可以看到一些大的元件。整个充电器由2个电路板组成,每块板在1寸见方左右[3]。顶上那块板是电源的高压电路部分,称之为初级(primary)。底下那块板是低压输出电路部分,称之为次级(secondary)。

1,  输入的交流电,先经过保险电阻。当有灾难性的过载情况时,保险电阻会熔断,切断电源保证安全。

2,  桥堆后面的的2个大电容(黑底白字,带条纹的元件)和电感(绿色的),负责滤波功能,将转换后的电滤成平滑的直流高压电。


                               
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3,  接下来,高压直流电会被开关管(三极管或MOS管)切成(chopped)高频交流形式,顶部板子左边那个3脚的元件便是开关三极管。(旁边另外一个三极管,是用来钳位电压尖峰的,后面会解释。)

4,  被开关管整形后的电压进入到反激式变压器(在三极管后面的,黄色的大元件),之后会被变压器转换成低压电,由变压器的低压输出线(两个黄色的线,作者在拆的时候,把线剪断了)送到次级板(secondary board)。

5,  次级板把从变压器输出的低压电转换成直流,滤波后输出到USB接口。

6,  次级板的反馈信号通过灰色的排线反馈回控制IC,以保证输出电压的精准性。



                               
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上图中,那个在USB接口上面的(黄色)元件就是反激式变压器。左边那个蓝色的大元件是Y电容[4],用于降低干扰辐射。开关控制IC在变压器上面,即初级板的顶面。

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  • TA的每日心情
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    2016-10-16 22:06
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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2012-10-26 10:41 | 显示全部楼层
    国内的仿绿点貌似是iwatt的方案,这个绿点是啥方案?钳位三极管貌似是st的,主控呢?也是st的?还是pi的?
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    该用户从未签到

    发表于 2012-10-26 10:46 | 显示全部楼层
    samxon电容是台湾牌子吗?不少出口电子设备上有采用啊
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    发表于 2012-10-26 10:58 | 显示全部楼层
    原来是苹果绿的充电器
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     楼主| 发表于 2012-10-26 13:30 | 显示全部楼层
    niufenlan 发表于 2012-10-26 10:41
    国内的仿绿点貌似是iwatt的方案,这个绿点是啥方案?钳位三极管貌似是st的,主控呢?也是st的?还是pi的? ...

    整个电源由一个8脚的L6565准谐振(quasi-resonant)开关电源芯片控制,意法半导体公司的产品(ST Microsystems[7]
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  • TA的每日心情
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    2016-4-26 21:54
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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2012-10-26 13:33 | 显示全部楼层
    占座留位学习mark达人。。。嚯嚯:)
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     楼主| 发表于 2012-10-28 10:22 | 显示全部楼层

    电路细节

    初级(The Primary


                                   
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    初级PCB板为双面贴片,板的内侧(上图)装配着大尺寸的元件,控制IC在外侧(下图)。(上图中的大元件已被取下,斜体字标示的,这样可以看到大元件下面的小元件。)交流输入端在板的左下角,先经过10欧姆的保险电阻(Fusible resistor),再通过4个二极管组成的桥堆(Bridge diode),转换成直流。两组 R-C缓冲电路(R-C snubber)可以吸收由桥堆产生的EMI干扰信号[6]。电流在经2个大电解电容(Electrolytic filter capacitors)和电感滤波后,生成125-340V的直流电。留意一下,PCB上,连接2个大电容和其他大电流元件的走线的宽度比其他控制器件的要宽许多。(依据U=I X R,为了降低走线的损耗电压和干扰,需要流过大电流的走线,要铺大铜箔,以减少电阻,从而降低U。-rollei120者注)

    整个电源由一个8脚的L6565准谐振(quasi-resonant)开关电源芯片控制,意法半导体公司的产品(ST Microsystems)[7]。该控制IC驱动MOSFET开关管的导通和关断,整形后的电压会输入到反激式变压器的初级绕组。控制IC会接受各种输入信号(次级端的反馈电压,提供IC工作的直流电压,变压器初级绕组的电流,和变压器退磁检测)通过内部复杂的集成电路去调整开关频率和动作时间,从而控制电源的输出电压。IC通过电流检测电阻知道流经变压器初级的电流情况,以便在需要时关断开关管,保护电源。

    板上的第二个开关管,单独与一些电容和二极管连接,这是谐振钳位电路的一部分,作用是吸收变压器产生的尖峰电压。这种少见的创新电路是伟创力(Flextronics)的专利[8][9]。(看来伟创力也不错,有没有人对该专利有具体了解的?-rollei120注)

    该控制IC是需要直流电源供电才能工作的,该电源由辅助电源电路提供,这个部分包括:变压器上的一个分离辅助绕组,二极管,滤波电容。IC需要首先供给电源,才能让变压器开始工作,你或许会让这个先有鸡还是先有蛋的问题绕住。解决的方法是在刚上电时,高压的DC通过启动功率电阻(strarup power resistors)分压后转为低压电,从而提供IC的初始电压,直到变压器开始工作。IC也会利用辅助电源绕组来检测变压器的退磁。

    变压器的辅助电源绕组同时也用来做为IC检测退磁数值,以决定何时导通开关管。


                                   
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    次级(The secondary

    在次级板上,从变压器出来的低压交流(AC)会被高速肖特基管整流,再经电感和电容滤波,后转成低压直流电,最后通过USB接口输出。绿点充电器中使用了钽电容,这种电容能在小封装尺寸中实现大电容容量。(另外,钽电容有非常高的可靠性,对比普通的电解电容,ESR也比较小。-rollei120注)。

    USB输出的数据脚,连接了几个特别的电阻(即我们通常所说的苹果识别电阻。-rollei120注),苹果的设备会依据苹果的协议[10]检测该识别电阻,以决定充电电流的大小。这也是为什么,有些非苹果充电器给苹果设备充电时,屏幕会显示“不支持该充电设备”。

    (具体的设备电阻设置值,可以参考我的博客文章: -rollei120注)


                                   
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    次级板上还包含了一个标准的电压监测反馈电路,该电路主要由TL341稳压管和光耦组成。另外还有一个反馈保护电路,该电路监测温度和输出电压,当温度过高或者输出电压超过规定范围的值时,该电路会通知控制IC,关断整个充电器,以起到保护的作用。反馈路径由板上那个灰色的排线完成。


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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-10 01:02
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    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2012-10-28 11:55 来自手机 | 显示全部楼层
    好长啊
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     楼主| 发表于 2012-10-28 22:00 | 显示全部楼层

    确实挺长的,那位DX讲的非常详细,也非常专业。有空继续更新。
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  • TA的每日心情
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    2017-12-14 22:21
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    [LV.5]常住居民I

    发表于 2012-10-28 23:19 | 显示全部楼层
    感谢楼主的翻译。
    不过,按照楼主的翻译,貌似除了电路严谨一些真之外,只有伟创力的那个专利一个亮点。是楼主的译文省略了什么?
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     楼主| 发表于 2012-10-29 06:43 | 显示全部楼层
    Fireflying 发表于 2012-10-28 23:19
    感谢楼主的翻译。
    不过,按照楼主的翻译,貌似除了电路严谨一些真之外,只有伟创力的那个专利一个亮点。是 ...

    就他整篇的文章而言,突出的几点是:
    1, 加入R-C snubber,OVP,OCP,伟创力的钳位电路等特殊电路。
    2,小型化,要将上面这些功能电路全部集成在一个小壳子里面。
    3,超标准的安全性
    4,改进后的AC插脚设计
    5,加入屏蔽壳

    开关电源里特别创新性的东西应该不会太多,正如他文章里提到的他博客里的另一篇文章:苹果并未对电源技术变革,但新的三极管做到了(Apple didn't revolutionize power supplies; new transistors did

    有空在继续更新。
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     楼主| 发表于 2012-10-29 13:28 | 显示全部楼层
    安全绝缘(Isolation
    整个充电器中会有最高的340V直流电,因此安全是充电器设计要考虑的首要因素。高压部分和低压部分需要有一定的隔离,比如拉开两者间的距离(专业上称之为爬电距离和电气间隙),加绝缘片隔离等。国家在法规上对此有严格的监管(比如欧洲的CE,美国的UL,中国的CCC认证。-rollei120注)。虽然这些标准不太好理解,但在高压和低压间保留至少4mm的距离,这是必须的。(关于这个距离的详细解释,可以看他的另一篇关于山寨充电器的文章:http://www.arcfn.com/2012_03_01_archive.html
    你或许会认为初级板上的是高压危险部分,次级板应该是安全的低压部分了。但次级板上包含了2个区域:连接初级板的危险区域和安全的低压区域。在这个苹果的充电器里,两个区域的隔离距离大概是6mm,具体见上面的图片。这个隔离区能确保危险的高压不会进入输出区域。
    这里有3种元件是跨越隔离区的,这种元件在安全方面有着特殊的设计。首先最关键的元件是变压器,该元件将电能传递到输出端,但不是以直接导线连接的方式实现的。第二种元件是光耦(Optocoupler),他的作用是把次级的信号反馈回初级。光耦内部包含了一个发光的LED和一个光电晶体管,这样他的两端传递的是光信号,而不是直接的电信号(在光耦里的次级侧有一硅胶绝缘层,以起到安全隔离的作用)。第三种元件是Y电容,其作用是跨接高压初级和低压次级,以抑制电磁干扰(EMI)。

                                   
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    上面这张图,我们可以看到几种隔离的技术应用。左测的次级板上有一蓝色的Y电容。注意次级板的中间少了绝缘隔离的一些元件(作者取走的了,所以图片上没有。)次级板上右侧的灰色排线是连接到初级板的,排线应该属于高压区的元件。两板之间还有另外一个连接,是从变压器出来的一对粗线,连到USB傍边,被剪掉的那两根黄色的线。

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    该用户从未签到

    发表于 2012-10-29 19:34 来自手机 | 显示全部楼层
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  • TA的每日心情
    开心
    2015-10-24 22:39
  • 签到天数: 3 天

    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2012-10-29 20:22 | 显示全部楼层
    俺CENG联通的网是不用FAN QIANG就能看到这些网站的.包括一些HH网站也能访问,但是**大法的网站上不了.我用的移动Wlan好多网站都不能访问,都要FanQiang.
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     楼主| 发表于 2012-10-29 20:45 | 显示全部楼层
    myfm 发表于 2012-10-29 19:34
    手上一个绿点希望是真的吧

    绿点鉴别,参考这里:http://www.shoudian.org/thread-273008-1-1.html
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     楼主| 发表于 2012-10-29 20:46 | 显示全部楼层
    suprab 发表于 2012-10-29 20:22
    俺CENG联通的网是不用FAN QIANG就能看到这些网站的.包括一些HH网站也能访问,但是**大法的网站上不了.我用的 ...

    我家里用有线的宽带的网络也是去不了那个网站。没办法,明年坚决要换网络了。
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  • TA的每日心情

    2015-5-10 20:28
  • 签到天数: 4 天

    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2012-10-29 22:33 | 显示全部楼层
    无条件顶rollei120一下
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  • TA的每日心情
    擦汗
    2014-8-16 11:10
  • 签到天数: 4 天

    [LV.2]偶尔看看I

    发表于 2012-10-29 23:29 | 显示全部楼层
    palm 130欢迎你
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     楼主| 发表于 2012-11-1 17:50 | 显示全部楼层
    电路图
    下面是一张大概的电路图[13]。(下面是链接的地址)
    超小体积的电路板
    下面是一张对比图,这样比较直观,对比了电路板和一个硬币,一粒米,一粒芥末(mustard)种子的大小。板上大部分的元件都为贴片封装(SMT),直接贴装在基板上。最小的元件,例如图上标示的贴装电阻,尺寸规格是0402,即0.04寸X 0.02寸大小。芥末(mustard)种子左边的电阻是稍大尺寸的封装,规格是0805,即0.08寸X 0.05寸。

                                   
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    拆解变压器
    反激式变压器是充电器里的关键器件,体积最大,也可能是所有元件里最贵的[14]。里面是怎样的?我这里拆开来寻找答案。
    The transformer measures roughly 1/2" by 1/2" by1/3"(不知如何翻译,可能是指变压器长宽高的尺寸总是以1/2寸X 1/2寸X 1/3寸为最小单位。-rollei120注)。里面有3组绕线:初级的输入高压绕组,给控制IC供电的低压辅助绕组,和大电流低电压输出绕组。低压输出绕组会从变压器引出2根线(俗称飞线出来),黑色和白色的两根。其他的绕组的输出端则是直接连在变压器的插脚端,焊在电路板上的。
    变压器外包裹有2层绝缘隔离胶布,第二层胶布上有“FLEX”字样,即伟创力的英文缩写。去掉胶布,还有2层金属编织线包裹着变压器,以起到屏蔽作用。

                                   
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    去掉屏蔽层和胶布后,可以把绕组从磁芯上拆开下来,磁芯不是密闭的,而是两个半边磁芯组成。磁芯的材料类似于陶瓷,有易碎的特性,所以拆的时候把磁芯搞坏了(磁芯在组装后,会浸漆,让两半磁芯粘在一起,不容易完整的把磁芯拆开,-rollei120注)。

                                   
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    磁芯由磁性材料制成,铜线绕组围着磁芯的中心柱绕制,磁芯的每一边的体积大概是6mm X 11mm X 4mm。这个磁芯是EQ系列的。磁芯中心的圆柱长度,会比两边的柱子稍微短一些,在两半磁芯和在一起时,中心圆柱之间会留出一个很小的空隙,对该磁芯来说,空隙大概是0.28mm,这是反激式变压器存储磁能的地方。

                                   
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    在2层黄色胶布下面,有一个17圈的绕组,我认为该绕组是起屏蔽作用的,将干扰信号屏蔽到地。
    接着往下拆,去掉那个屏蔽绕组和下面的2层胶布后,是一个6圈的绕组,该绕组引出一根黑色和白色的线。该绕组的线材线径很粗,因为是次级绕组,需要输出1A的电流。同时,该绕组的线是三层绝缘的(即绝缘层有3层),这样才能符合UL的安全要求,保证高压与输出完全隔离。那种廉价的充电器,他们只用普通的线和胶布来替代这种3层绝缘线,当发生绝缘缺陷或电源浪涌的情况时,是不会有足够的安全保护的。

                                   
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    再去掉2层胶布后,是一个11圈的绕组,该绕组是给控制IC供电的,线径也比较粗。因为该绕组是在初级侧的,所以绕线不需要用那种3层绝缘线,只需要一层绝缘的漆包线就可以了。

                                   
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    最下面一层,是初级的输入绕组,绕了4层,每层大概绕了23圈。该绕组是高压的输入绕组,因为流过的电流较小,所以线径比较细(相同功率下,电压越高,电流就越小,-rollei120注)。该初级绕组大概是次级绕组圈数的15倍,次级绕组的电压大概是初级电压的1/15, 电流则是初级的15倍。即,变压器将高电压转换成低电压,大电流。

                                   
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    下面这张图是变压器里所有的元件,从左到右,是最外边的胶布到最里面的绕组和变压器的骨架。

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    发表于 2012-11-2 13:33 | 显示全部楼层
    牛啊!没看懂为啥用两个功率管(IRFP250),看样子少一个也没问题啊?
    有小柯达的电路吗?
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