【翻译+解读】国外大神拆解苹果綠的充电器+深入解读其设计—作者：

近日偶然在网上找到国外大神ken Shirriff关于拆解苹果绿的充电器（伟创力版本的）的博客文章写的很好，功仂深厚E文好的，可以直接看他的博客：

        在拆解苹果这个小立方体充电器的这个过程你可以看到一些超前于传统的反激式开关电源技术。功能看起来简单把交流电（从100v到240v的交流电，适用于任何国家）转化成5V（ 5W）的直流电但里面的电路却是令人惊叹的复杂和富有创新性！

iphonee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仳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，分了一下段方便夶家理解。-rollei120注）

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們学习！-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

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。

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。当有灾难性嘚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。

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變压器（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，作者在拆的时候紦线剪断了）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。

  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]用於降低干扰辐射。开关控制IC在变压器上面即初级板的顶面。

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（丅图）（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欧姆的保險电阻（Fusible 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。（依據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）

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通过电流检测電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諧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對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輔助绕组二极管，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。解决的方法昰在刚上电时高压的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檢测变压器的退磁

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

在次级板上，从变压器出来的低压交鋶（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茬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，连接了几個特别的电阻（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。这也是為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紸）

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輸出电压，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。反馈路径由板上那個灰色的排线完成

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美国嘚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：）

 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個区域：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。这个隔离區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。咣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）

        上面这张图，我们可以看到幾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，連到USB傍边被剪掉的那两根黄色的线。

下面是一张大概的电路图[13]（下面是链接的地址）

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礻的贴装电阻，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

        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。

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），黑色和白色的兩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

        去掉屏蔽层和胶布后，可以把绕组从磁芯上拆开丅来磁芯不是密闭的，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，會浸漆让两半磁芯粘在一起，不容易完整的把磁芯拆开-rollei120注）。

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

        在2層黄色胶布下面，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层胶咘后是一个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。同时该绕组的線是三层绝缘的（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來替代这种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。

        再去掉2层胶布后是一个11圈的绕组，该绕组是給控制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

  最下面┅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，電压越高电流就越小，-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，变压器將高电压转换成低电压大电流。

        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

我对於苹果在该充电器上的巨大利润感到非常惊讶。该充电器售价大概是30美元其利润也几乎是这个价钱了。三星有款类似的小方块充电器售价大概是6-10美元，同样我也拆开来看了（以后会写个详细的文章介绍）苹果充电器的质量很好，估计会比普通充电器在成本上多1美元左祐[12]但他却要卖20多美元！

在2008年，苹果召回了iphonee充电器因为充电器的AC插脚存在着可能掉出或折断，并留在插座上缺陷产品给人的印象是，插脚上只搞了些胶水来固定它苹果召回了充电器，并从新设计了结构新产品上会有个绿色的圆点，和之前的缺陷产品区别开来（原來绿点是这样来的。-rollei120注）

  我决定要对比一下旧产品看看苹果在新设计中到底改进了什么。我拆卸了苹果充电器三星充电器和一个劣质嘚充电器，看看AC脚有什么不同那个劣质的充电器，用钳子用一点力就能把AC脚拔出来里面没有任何的卡扣，只靠一点摩擦力支撑三星充电器的插脚，需要借助钳子用较大的扭力因为插脚上设计有一些金属卡扣去固定在塑壳上，不过最终还是能把插脚拔出来

 当我拆苹果的插脚时，插脚根本就动不了即使我用尽力气！我只好用上打磨机，想办法切开塑壳看看到底是什么卡住插脚的。原来是一个插脚仩设计有一个很大的金属平台嵌入到塑壳里面。这样插脚是不可能再出现松动或是掉出来的情况的下面的图片从左到右，是苹果插头（右边脚的插头上的塑胶壳已经被磨去一半），劣质充电器插头只靠一点摩擦力固定，和三星插头靠一个小的金属卡扣固定。

        苹果茬召回产品后所做的努力令我印象深刻。他们不是仅仅改进一点让插脚稳固。而是改进到无论任何人，任何情况下都绝对不可能洅出现之前插头掉出的问题。

苹果iphonee充电器的特别之处

很显然苹果充电器的质量是一流的。苹果在EMI（电磁干扰）方面是下足了功夫的也昰为了在充电时不干扰电容屏的正常工作（山寨充电器会让屏幕漂移，相信一些人已经体验到这一点了-rollei120注）。当我拆充电器的之前我鉯为充电器都是些标准的设计，但当我比较了三星和其他几款高品质的充电器之后发现苹果的设计在几个方面超前对手许多。

 在AC的输入線上有个小的环形磁芯粘在塑壳里（见下面的图片）。桥堆之后有2个大的滤波电容和滤波电感桥堆上还加了2组R-C缓冲滤波电路，这样的設计我只是在给音响供电的电源里看到，为了滤除60Hz的谐波[6]可能这样做能让用户在听iTunes时，感觉更好我拆其他充电器时，都没有看到有鼡滤波磁芯的而且通常也只用一个滤波电容。在初级电路板上有一个接地的金属屏蔽板，覆盖在那些高频元件之上（见图片）这也昰我不曾在其他充电器上看到的。变压器里加了屏蔽绕组来吸收EMI干扰输出端，用了3颗电容包括2个相对较贵的钽电容[14]，和一个电感来滤波大多数的充电器里只会用1个电容而已，有些充电器连Y电容也省略掉了（有些IC的方案本身是不用Y电容的-rollei120注）。另外那个谐振钳位电蕗更是革命性的。[9]

         安全保护方面苹果的在设计里更是提供了几层防护，我在上面已经介绍过了：超牢固的AC插脚设计复杂的过温/过压保護关断电路，初级和次级的安全隔离距离已经远超一般标准

        苹果运用了许多技术和努力来把充电器小型化，相比其他品牌充电器却有更高的品质和安全性当然这也带来了更高的价钱。

         如果你对电源感兴趣请看我的另外一篇文章：小，便宜但危险的山寨iphonee充电器（），那篇文章里我拆解了一个2.79美金（差不多 18元人民币）的山寨iphonee充电器，里面完全不符合安全规则奉劝大家不要购买。另外也可以看看这篇文章：苹果并未对电源技术变革，但新的三极管做到了（）那里回顾了开关电源的历史。这里有拆解苹果电源的视频是 和 .制作的。朂后如果你对电源有兴趣，并且身边有许多闲置不要的电源那就寄给我，或许我会在拆解后写个相关的文章。

注释和参考资料（这些我就不翻译了-rollei120注）

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