El desmontaje del reducido cargador iPhone de cubo de pulgada de Apple revela una fuente de alimentación de conmutación flyback tecnológicamente avanzada que va más allá del cargador típico. Simplemente toma entrada de CA (cualquier cosa entre 100 y 240 voltios) y produce 5 vatios de potencia suave de 5 voltios, pero el circuito para hacer esto es sorprendentemente complejo e innovador.
Cómo funciona
El adaptador de alimentación del iPhone es una fuente de alimentación de conmutación, donde la alimentación de entrada se enciende y apaga unas 70.000 veces por segundo para obtener la tensión de salida exacta requerida. Debido a su diseño, las fuentes de alimentación de conmutación son generalmente compactas y eficientes y generan poco calor residual en comparación con las fuentes de alimentación lineales más simples.
Con más detalle, la potencia de la línea de CA se convierte primero en CC de alta tensión [1] mediante un puente de diodo. El DC se conecta y desconecta mediante un transistor controlado por un controlador de alimentación IC. La CC cortada se alimenta en un transformador flyback [2] que lo convierte en AC de baja tensión. Por último, este AC se convierte en DC que se filtra para obtener una potencia suave libre de interferencias, y esta potencia se emite a través de la toma USB. Un circuito de realimentación mide la tensión de salida y envía una señal al controlador IC, que ajusta la frecuencia de conmutación para obtener la tensión deseada.
La vista lateral anterior muestra algunos de los componentes más grandes. El cargador consiste en dos placas de circuito, ligeramente debajo de una pulgada cuadrada cada uno. [3] El tablero superior es el primario, que tiene el circuito de alto voltaje, y el tablero inferior, el secundario, tiene el circuito de salida de baja tensión. La entrada AC pasa primero a través de una resistencia fusible (rayada), que romperá el circuito si hay una sobrecarga catastrófica. La entrada AC se convierte en CC de alto voltaje, que es suavizada por los dos grandes condensadores electrolíticos (negro con texto blanco y banda) y el inductor (verde).
A continuación, la CC de alto voltaje se corta en alta frecuencia mediante un transistor MOSFET de conmutación, que es el componente grande de tres clavijas en la parte superior izquierda. (El segundo transistor bloquea los picos de voltaje, como se explicará más adelante). La CC cortada pasa al transformador flyback (amarillo, apenas visible detrás de los transistores), que tiene cables de salida de bajo voltaje que van a la placa secundaria abajo. (Estos cables se cortaron durante el desmontaje.) La placa secundaria convierte el voltaje bajo del transformador en DC, lo filtra y luego lo alimenta a través del conector USB (el rectángulo plateado en la parte inferior izquierda). El cable de cinta gris (apenas visible en la parte inferior derecha bajo el condensador) proporciona retroalimentación de la placa secundaria al controlador IC para mantener la tensión regulada.
La imagen de arriba muestra el transformador flyback (amarillo) más claramente, por encima de la toma USB. El componente azul grande es un condensador especial de "Y" [4] para reducir interferencia. El controlador IC es visible por encima del transformador en la parte superior de la placa primaria. [5]
El circuito en detalle
El primario
La placa de circuito primaria está llena de componentes montados en superficie en ambos lados. El lado interior (diagrama arriba) contiene los componentes grandes mientras que el lado exterior (diagrama abajo) tiene el controlador IC. (Los componentes grandes se quitaron en los diagramas y se indican en cursiva.) La potencia de entrada se conecta a las esquinas de la placa, pasa a través de la resistencia fusible de 10Ω, y se corrige a DC por los cuatro diodos. Dos circuitos amortiguadores RC absorben la interferencia EMI creada por el puente. [6] El DC es filtrado por los dos grandes condensadores electrolíticos y el inductor, produciendo 125-340V DC. Observe el grosor de las trazas de la placa de circuito que conectan estos condensadores y otros componentes de alta corriente en comparación con las pistas de control finas.
La fuente de alimentación es controlada por un chip de control SMPS STMicrosystems L6565 de 8 pines casi resonante. [7] El controlador IC controla el transistor de conmutación MOSFET que corta la CC de alta tensión y la alimenta en el devanado primario del transformador flyback. El IC del controlador toma una variedad de entradas (realimentación de voltaje secundario, voltaje DC de entrada, corriente primaria del transformador y detección de desmagnetización del transformador) y ajusta la frecuencia de conmutación y la temporización para controlar la tensión de salida a través de complejos circuitos internos. Las resistencias de sentido de corriente permiten al IC saber cuánta corriente fluye a través del primario, que controla cuando el transistor debe apagarse.
El segundo transistor de conmutación, junto con algunos condensadores y diodos, es parte de un circuito de abrazadera resonante que absorbe los picos de voltaje en el transformador. Este circuito inusual e innovador está patentado por Flextronics. [8] [9]
El controlador IC necesita alimentación de CC para funcionar; esto es proporcionado por un circuito de potencia auxiliar que consiste en un devanado auxiliar separado en el transformador, un diodo y condensadores de filtro. Dado que el controlador IC necesita ser encendido antes de que el transformador pueda comenzar a generar energía, puede preguntarse cómo se resuelve este problema de gallina y huevo. La solución es que la CC de alto voltaje cae a un nivel bajo a través de resistencias de potencia de arranque para proporcionar la potencia inicial al CI hasta que el transformador se pone en marcha. El devanado auxiliar también es utilizado por el CI para detectar la desmagnetización del transformador, que indica cuándo encender el transistor de conmutación. [7]
El secundario
En la placa secundaria, la CA de baja tensión del transformador es rectificada por el diodo Schottky de alta velocidad, filtrada por el inductor y los condensadores, y conectada a la salida USB. Los condensadores del filtro del tantalio proporcionan alta capacitancia en un paquete pequeño.
La salida USB también tiene resistencias específicas conectadas a los pines de datos para indicar al iPhone cuánta corriente el cargador puede suministrar, a través de un protocolo propietario de Apple. [10] Un iPhone muestra el mensaje "Carga no es compatible con este accesorio" si el cargador tiene las resistencias incorrectas aquí.
La placa secundaria contiene un circuito de retroalimentación de alimentación de conmutación estándar que supervisa la tensión de salida con un regulador TL431 y proporciona retroalimentación al controlador IC a través del optoacoplador. Un segundo circuito de retroalimentación apaga el cargador para protección si el cargador se sobrecalienta o si la tensión de salida es demasiado alta. [11] Un cable plano proporciona esta retroalimentación a la placa primaria.
Aislamiento
Debido a que la fuente de alimentación puede tener hasta 340V DC internamente, la seguridad es un tema importante. Normas estrictas regulan la separación entre la tensión de línea peligrosa y la tensión de salida segura, que están aisladas por una combinación de distancia (denominada deformación y separación) y aislamiento. Las normas [12] son algo incomprensibles, pero aproximadamente 4 mm de distancia se requiere entre los dos circuitos. (Como hablo en Tiny, barato, peligroso: Dentro de un (falso) cargador para iPhone , los cargadores baratos ignoran totalmente estas reglas de seguridad.)
Se podría esperar que la placa primaria tenga las tensiones peligrosas y la placa secundaria para tener las tensiones seguras, pero la placa secundaria consta de dos áreas: la zona peligrosa conectada a la placa primaria y la zona de baja tensión. El límite de aislamiento entre estas áreas es de aproximadamente 6 mm en el cargador de Apple y se puede ver en el diagrama anterior. Este límite de aislamiento garantiza que las tensiones peligrosas no puedan alcanzar la salida.
Hay tres tipos de componentes que cruzan el límite de aislamiento, y deben ser diseñados especialmente para la seguridad. El componente clave es el transformador, que proporciona una manera para que la energía eléctrica alcance la salida sin una conexión eléctrica directa. Internamente, el transformador está ampliamente aislado, como se mostrará a continuación. El segundo tipo de componente son los optoacopladores, que envían la señal de realimentación desde la secundaria a la primaria. Internamente, el optoacoplador contiene un LED y un fototransistor, por lo que los dos lados están conectados sólo por luz, no por un circuito eléctrico. (Tenga en cuenta el aislamiento de silicona en el lado secundario de los optoacopladores para proporcionar seguridad adicional.) Por último, el condensador Y es un tipo especial de condensador [4] que permite que EMI (interferencia electromagnética) escape entre el secundario de alto voltaje y el secundario de baja tensión.
La imagen anterior muestra algunas de las técnicas de aislamiento. La placa secundaria (izquierda) tiene el condensador Y azul. Observe la falta de componentes en el centro del tablero secundario, formando un límite de aislamiento. Los componentes a la derecha de la placa secundaria están conectados a la placa primaria por el cable de cinta gris para que estén en potencialmente altos voltajes. La otra conexión entre las placas es el par de cables del transformador flyback (amarillo) que suministra la potencia de salida a la placa secundaria; éstos se cortaron para separar las tablas.
Esquemático
He juntado un esquema aproximado que muestra el circuito del cargador. [13] Haga clic para una versión más grande.
Estos circuitos son muy pequeños
Al mirar estas imágenes, es fácil perder de vista cuán pequeños son estos componentes, y cómo el cargador tiene toda esta complejidad en una pulgada. La siguiente imagen ligeramente ampliada muestra un cuarto, un grano de arroz y una semilla de mostaza para dar una comparación de tamaño. La mayoría de los componentes son dispositivos de montaje en superficie que se sueldan directamente a la placa de circuito impreso. Los componentes más pequeños, como la resistencia señalada en la imagen, se conocen como "0402" de tamaño ya que son .04 pulgadas por .02 pulgadas. Las resistencias más grandes a la izquierda de la semilla de mostaza manejar más potencia y se conocen como "0805" tamaño ya que son .08 x .05 pulgadas.
Desmontaje del transformador
El transformador flyback es el componente clave del cargador, el componente más grande, y probablemente el más caro. [14] Pero, ¿qué hay dentro? Desmonté el transformador para averiguarlo.
El transformador mide aproximadamente 1/2 "por 1/2" por 1/3 "Dentro, el transformador tiene tres devanados: un devanado de entrada primario de alto voltaje, un devanado auxiliar de baja tensión para suministrar energía a los circuitos de control y un alto El bobinado de salida está conectado a los cables en blanco y negro que salen del transformador, mientras que los otros devanados están conectados a los pines conectados a la parte inferior del transformador.
El exterior del transformador tiene un par de capas de cinta aislante. La segunda línea parece comenzar con "Flex", para Flextronics. Dos hilos de alambre conectados a tierra se envuelven alrededor del exterior del transformador para proporcionar blindaje.
Después de retirar el blindaje y la cinta, las dos mitades del núcleo de ferrita se pueden retirar de los devanados. La ferrita es un material cerámico bastante frágil, por lo que el núcleo se rompió durante la extracción. El núcleo rodea los devanados y contiene los campos magnéticos. Cada pieza central es aproximadamente 6 mm x 11 mm x 4 mm; este estilo de núcleo se conoce como EQ. La sección central circular es muy ligeramente más corta que los extremos, creando un pequeño entrehierro cuando se unen las piezas de núcleo. Este espacio de aire de 0,28 mm almacena la energía magnética para el transformador flyback.
Debajo de las dos capas siguientes de la cinta es un enrollamiento de 17 vueltas del alambre barnizado fino, que pienso es otro enrollamiento del protector para volver interferencia perdida a la tierra.
Bajo el escudo y otras dos capas de cinta se encuentra el devanado secundario de 6 vueltas que está conectado a los cables blanco y negro. Tenga en cuenta que este devanado es de alambre de calibre pesado, ya que está alimentando la salida 1A. También tenga en cuenta que el devanado es de triple aislamiento, lo cual es un requisito de seguridad UL para asegurar que el primario de alto voltaje permanece aislado de la salida. Este es un lugar donde los cargadores baratos engañar - que sólo utilizan alambre regular en lugar de triple aislamiento, y también escatiman en la cinta. El resultado es que no hay mucho que te proteja de alta tensión si hay una falla de aislamiento o una oleada de energía.
Bajo la siguiente capa doble de cinta es el devanado de potencia principal de 11 voltios de calibre pesado, que alimenta el controlador IC. Dado que este devanado está en el lado primario, no necesita ser triple aislamiento. Se acaba de aislar con una fina capa de barniz.
Bajo la capa doble final de cinta es el devanado de entrada primario, que es 4 capas de aproximadamente 23 vueltas cada uno. Este devanado recibe la entrada de alta tensión. Dado que la corriente es muy baja, el cable puede ser muy delgado. Debido a que el primario tiene unas 15 veces más vueltas que el devanado secundario, el voltaje secundario será 1/15 del voltaje primario, pero 15 veces la corriente. Por lo tanto, el transformador convierte la entrada de alto voltaje a baja tensión, salida de corriente alta.
La imagen final muestra todos los componentes del transformador; de izquierda a derecha muestra las capas desde la cinta exterior hasta el devanado más interno y la bobina.
Los enormes márgenes de beneficios de Apple
Me sorprendió darse cuenta de lo enorme que los márgenes de beneficio de Apple deben estar en estos cargadores. Estos cargadores se venden por unos 30 dólares
Lo que hace especial el cargador de iPhone de Apple
El adaptador de alimentación de Apple es claramente una fuente de alimentación de alta calidad diseñada para producir energía cuidadosamente filtrada. Apple ha hecho un esfuerzo extra para reducir la interferencia de EMI, probablemente para evitar que el cargador interfiera con la pantalla táctil. [16] Al abrir el cargador hacia arriba, que esperaba encontrar un diseño estándar, pero he comparado el cargador al cargador de Samsung y varios otros diseños industriales de alta calidad, [17] y Apple va más allá de estos diseños de varias maneras .
La entrada de CA se filtra a través de un pequeño anillo de ferrita en la caja de plástico (ver foto a continuación). La salida del puente de diodo es filtrada por dos grandes condensadores y un inductor. Otros dos RC snubbers filtrar el puente de diodos, que sólo he visto en otras partes de fuentes de alimentación de audio para evitar 60 Hz zumbido; [6] tal vez esto mejora la experiencia de escuchar iTunes. Otros cargadores que desmonté no usan un anillo de ferrita y por lo general sólo un solo condensador de filtro. La placa de circuito primario tiene un blindaje metálico puesto a tierra sobre los componentes de alta frecuencia (ver foto), que no he visto en otra parte. El transformador incluye un bobinado blindado para absorber EMI. El circuito de salida utiliza tres condensadores incluyendo dos relativamente caros tántalos [14]y un inductor para filtrar, cuando muchas fuentes sólo utilizan un condensador. El condensador Y generalmente se omite de otros diseños. El circuito de la abrazadera resonante es altamente innovador. [9]
El diseño de Apple proporciona seguridad extra de varias maneras que se discutieron anteriormente: las clavijas de corriente alterna súper fuertes y el complejo circuito de apagado / sobretemperatura. La distancia de aislamiento de Apple entre primaria y secundaria parece ir más allá de las regulaciones.
Conclusiones
El cargador para iPhone de Apple tiene una gran cantidad de tecnología en un pequeño espacio. Apple se esforzó más para proporcionar mayor calidad y seguridad que otros cargadores de marca, pero esta calidad tiene un alto costo.
Si estás interesado en las fuentes de alimentación, echa un vistazo a mis otros artículos: pequeño, barato, peligroso: dentro de un cargador de iPhone (falso) , donde desensamblo un cargador de iPhone de $ 2.79 y descubro que viola muchas reglas de seguridad; no compre uno de estos. También echar un vistazo a Apple no revolucionar las fuentes de alimentación; nuevos transistores que examina la historia de las fuentes de alimentación de conmutación. Para ver el adaptador de Apple desmontado, echa un vistazo a los videos creados por scourtheearth y Ladyada . Finalmente, si usted tiene un cargador interesante que miente alrededor de que usted no desea, envíeme a mí y quizá escribiré un detallado desmontaje de él.
