Что внутри? Разбираем зарядное от MacBook

Задумывались ли вы, что находится внутри зарядного устройства MacBook? В компактном блоке питания значительно больше деталей чем можно было бы ожидать, включая даже микропроцессор. В данной статье мы с Вами сможем разобрать зарядное устройство MacBook, чтобы увидеть спрятанные внутри многочисленные компоненты и выяснить, как они взаимодействуют между собой для безопасной доставки столь необходимой электроэнергии к компьютеру.



Большая часть бытовой электроники, начиная от вашего смартфона и заканчивая телевизором, использует импульсный источники электропитания для преобразования переменного тока от розетки в стене до низковольтного постоянного тока, используемого электронными схемами. Импульсные источники питания или, более правильно говорить, низковольтные источники питания — получили свое название от того, что они включают и выключают подачу электроэнергии тысячи раз в секунду. Это является наиболее эффективным для преобразовании напряжения.

Основная альтернатива импульсному источнику электропитания — линейный источник питания, который намного более прост и преобразовывает перенапряжение в тепло. Из-за этой потери энергии, КПД линейного источника питания около 60%, по сравнению с примерно 85% у импульсного источника питания. Линейные источники питания используют громоздкий трансформатор, который может весить до килограмма и более, в то время как импульсные источники питания могут использовать крошечные высокочастотные трансформаторы.

Сейчас подобные источники питания очень дешевые, но так было не всегда. В 1950 году импульсные источники питания были сложными и дорогими, использовались в аэрокосмических и спутниковых технологиях, которые нуждались в легком и компактном источнике питания. К началу 70-х годов новые высоковольтные транзисторы и другие технологические усовершенствования позволили сделать источники значительно дешевле и они стали широко использоваться в компьютерах. Введение однокристальных контроллеров в 1976 году позволило сделать преобразователи электропитания еще проще, меньше и дешевле.

Применение компанией Apple импульсных источников питания началось с 1977 года, когда главный инженер Род Холт(Rod Holt) спроектировал импульсный источник питания для Apple II.

По словам Стива Джобса:

Этот импульсный источник питания был таким же революционным, как и логика Apple II. Род не получил большого признания на страницах истории, но он этого заслуживал. Каждый компьютер теперь использует импульсные источники питания и все они подобны по структуре, придуманной Холтом.

Это прекрасная цитата, но она не совсем верна. Революция источников электропитания произошла значительно раньше. Роберт Бошерт(Robert Boschert), начал продавать импульсные источники питания в 1974 году для всех и вся, от принтеров и компьютеров до истребителя F-14. Дизайн от Apple был подобен более ранним устройствам и другие компьютеры не использовали конструкцию Рода Холта. Тем не менее, в Apple широко используются импульсные источники питания и раздвигают границы дизайна зарядного устройство с компактным, стильным и передовыми зарядными устройствами.
 

Что внутри?

Для разбора было взято зарядное устройство Macbook 85W модель A1172, размеры которого достаточно малы, чтобы поместится на ладони. На рисунке ниже показаны несколько особенностей, которые могут помочь отличить оригинально зарядное устройство от подделок. Надкушенное яблоко на корпусе — это неотъемлемый атрибут (про что все знают), но есть деталь, не всегда привлекающая внимание. У оригинальных зарядных устройств непременно должен быть серийный номер, расположенный под контактом заземления.



Как бы странно не звучало, но лучший способ вскрыть зарядку — применить долото или нечто схожее и добавить к этому немного грубой силы. В Apple изначально противились тому, чтобы кто-то вскрывал их продукцию и осматривал «внутренности». Снимая пластмассовый корпус можно сразу увидеть металические радиаторы. Они помогают охлаждать мощные полупроводники, размещенные внутри зарядного устройства.



С обратной стороны зарядного устройства можно увидеть печатную плату. Некоторые крошечные компоненты видимы, но большая часть схемы скрыта под металлическим радиаторы, скрепленным желтой изолентой.



Посмотрели на радиаторы и хватит. Чтобы увидеть все детали устройства, естественно нужно снять радиаторы. Под этими металическими частями скрыто значительно больше компонентов, чем можно было бы ожидать от небольшого блока.



На изображение ниже промаркированы основные компоненты зарядного устройства. Питания переменного тока поступает в зарядное устройство и уже там преобразовывается в постоянный ток. Схема PFC (Power Factor Correction — коррекция коэффициента мощности) повышает эффективность за счет обеспечения устойчивой нагрузки на линии переменного тока. В соответсвии с выполнимыми функциями, можно разделить плату на две части: высоковольтную и низковольтную. Высоковольтная часть платы вмести с размещенными на ней компонентами предназначена для понижения высоковольтного постоянного напряжения и передачи его к трансформатору. Низковольтная же часть получает постоянное низковольтное напряжение от трансформатора и выводить постоянное напряжение необходимого уровня к ноутбуку. Ниже мы рассмотрим эти схемы более подробно.


 

Вход переменного тока в зарядное устройство

Переменное напряжение поступает в зарядное устройство через съемный штекер сетевого кабеля. Большим преимуществом импульсных источников питания является их способность работать в широком диапазоне входящего напряжения. Просто поменяв вилку, зарядное устройство можно использовать в любом регионе мира, от европейских 240 вольт при 50 герц до северо-американских 120 вольт при частоте 60 герц. Конденсаторы, фильтры и индукторы на этапе входа препятствуют тому, чтобы интерференция вышла из зарядного устройства через линии питания. Мостовой выпрямитель содержит четыре диода, которые преобразовывают мощность переменного тока в постоянный ток.



Посмотрите это видео для более наглядной демонстрации того, как работает мостовой выпрямитель.


 

PFC: сглаживание энергопотребления

Следующим шагом в работе зарядного устройства является схема коррекции коэффициента мощности, помеченная фиолетовым цветом. Одна из проблем с простыми зарядными устройствами заключается в том, что они получают заряд только в небольшой части цикла переменного тока. Когда так делает одиночное устройство проблем особых нет, но когда их тысячи — это создает проблемы для энергетических компаний. Именно поэтому правила требуют, чтобы зарядные устройства использовали технику коррекции коэффициента мощности (они используют энергию более равномерно). Вы могли бы ожидать, что плохой коэффициент мощности вызван передачей коммутируемой мощности, которая быстро включается и выключается, но это не проблема. Проблема возникает из за нелинейного диодного моста, который заряжает входной конденсатор только при пиках сигнала переменного тока. Идея PFC состоит в том, чтобы использовать преобразователь повышения постоянного тока перед переключением электропитания. Таким образом, синусоида тока на выходе пропорциональна форме волны переменного тока.

Схема PFC использует силовой транзистор, чтобы точно крошить вход переменного тока в десятки тысяч раз в секунду. Вопреки ожиданиям это делает нагрузку на линии переменного тока более гладкой. Два наиболее крупных компонента в зарядном устройстве являются индуктор и PFC конденсатор, которые помогают повысить напряжение постоянного тока до 380 вольт. Зарядное устройство использует MC33368 чип для запуска PFC.
 

Первичное преобразование мощности

Высоковольтный контур является сердцем зарядного устройства. Он принимает высокое напряжение постоянного тока от схемы PFC, измельчает его и подает в трансформатор, чтобы генерировать выходной сигнал низкого напряжения зарядного устройства (16.5-18.5 вольт). Зарядное устройство использует усовершенствованный резонансный контроллер, который позволяет системе работать на очень высокой частоте до 500 килогерц. Более высокая частота позволяет использоваться более компактные компоненты внутри зарядного устройства. Показанная ниже микросхема управляет источником электропитания.

Контроллера SMPS — высоковольтный резонансный контроллер L6599; по какой-то причине маркирован DAP015D. Он использует полумостовую резонансную топологию; в полумостовой схеме два транзистора управляют питанием через преобразователь. Общие импульсные источники питания используют ШИМ (широтно-импульсная модуляция) контроллер, который корректирует время ввод. L6599 корректирует частоту импульса а не его импульса. Оба транзистора включаются поочередно в течение 50% времени. Когда частота увеличивается выше резонансной частоты, мощность падает, таким образом управление частотой регулирует напряжение на выходе.



Два транзистора поочередно включаются и выключаются, чтобы понизить входящее напряжение. Преобразователь и конденсатор резонируют в той же частоте, сглаживая прерванный ввод в синусоидальную волну.
 

Вторичное преобразование мощности

Вторая половина схемы генерирует вывод зарядного устройства. Она получает питание от преобразователя и с помощью диодов, преобразовывает его в постоянный ток. Фильтрующие конденсаторы сглаживают напряжение, которое поступает от зарядного устройства через кабель.

Наиболее важная роль низковольтные части зарядного устройства — сохранить опасное высокое напряжения внутри зарядного устройства, чтобы избежать потенциально опасного шока для конечного устройства. Изолирующий промежуток, отмеченная красным пунктиром на изображении, приведенном ранее, указывает на разделение между основной высоковольтной частью и низковольтной частью устройства. Обе стороны отделены друг от друга на расстоянии около 6 мм.

Трансформатор передает питание между основным и вторичным устройствами при помощи магнитных полей, вместо прямого электрического соединения. Проволоки в трансформатора имеет тройную изоляцию для безопасности. Дешевые зарядные устройства, как правило, скупы на изоляцию. Это создает угрозу безопасности. Опторазвязка использует внутренний луч света для передачи сигнала обратной связи между низковольтной и высоковольтной частями зарядного устройства. Микросхема управления в высоковольтной части устройства использует сигнал обратной связи для регулировки частоты переключения, чтобы сохранить напряжение на выходе стабильным.


 

Мощный микропроцессор внутри зарядного устройства

Неожиданный компонент зарядного устройства — это миниатюрная печатная плата с микроконтроллером, который можно увидеть на нашей схеме приведенной выше. Этот 16-разрядный процессор постоянно контролирует напряжение зарядного устройства и силу тока. Он включает передачу, когда зарядное устройство подсоединено к MacBook и отключает передачу, когда зарядное устройство разъединено. Отключение зарядного устройства происходит, если есть какая-либо проблема. Это микроконтроллер Texas Instruments MSP430 примерно такой же по мощности, как процессор внутри первого оригинального Macintosh. Процессор в зарядном устройстве — это микроконтроллер низкой мощности с 1 КБ флэш-памяти и всего 128 байтами RAM. Она включает в себя высокоточный 16-битный аналого-цифровой преобразователь.

68000 микропроцессор от оригинального Apple Macintosh и 430 микроконтроллеров в зарядном устройстве несопоставимы, поскольку у них различные конструкции и наборы инструкций. Но для грубого сравнения: 68000 представляет собой 16/32 битный процессор, работающий на частоте 7.8MHz, в то время как MSP430 — 16 битный процессор, работающий на частоте 16 МГц. MSP430 разработан для потребления низкой мощности и использует приблизительно 1% электропитания от 68000.



Позолоченные контактные площадки справа используются для программирования микросхемы во время производства. Зарядное устройство MacBook на 60 Вт использует процессор MSP430, но зарядное устройство на 85 Вт использует процессор общего назначения, который должен быть дополнительно прошит. Он запрограммирована с интерфейсом Spy-Bi-Wire, который является двухпроводным вариантом TI стандартного интерфейса JTAG. После программирования предохранитель безопасности в микросхеме уничтожается, чтобы препятствовать чтению или изменению встроенного микропрограммного обеспечения.

Трехконтактная микросхема слева (IC202) уменьшает 16.5 вольт зарядного устройства до 3.3 вольт, требуемых процессором. Напряжение на процессоре обеспечивается не стандартным регулятором напряжения, а с помощью LT1460, который выдает 3.3 вольта с исключительно высокой точностью 0.075%.
 

Множество крошечных компонентов на нижней стороне зарядного

Перевернув зарядное устройство на печатной плате, можно увидеть десятки крошечных компонентов. Чип контроллеров PFC и источника питания (SMPS) являются основными интегральными схемами, управляющими зарядным устройством. Микросхема источника опорного напряжения отвечает за сохранение стабильного напряжения даже при изменении температуры. Микросхема опорного источника напряжения, это — TSM103/A, который комбинирует два операционных усилителя и 2.5-вольтовую ссылку в однокристальной схеме. Свойства полупроводника значительно различаются в зависимости от температуры, таким образом сохранение стабильного напряжения не простая задача.

Эти микросхемы окружены крошечными резисторами, конденсаторами, диодами и прочими мелкими компонентами. МОП — транзистор вывода, включает и выключает питание на выходе в соответствии с указаниями микроконтроллера. Слева от него находятся резисторы, которые измеряют ток, передающийся ноутбуку.



Изолирующий промежуток (отмечена красным цветом) отделяет высокое напряжение от схемы вывода низкого напряжения для безопасности. Пунктирная красная линия показывает границу изоляции, которая отделяет сторону с низким напряжением от стороны с высоким напряжением. Оптроны посылают сигналы от низковольтной стороны до основного устройства, отключая зарядное, если есть неполадки.

Немного о заземлении. 1KΩ заземляющий резистор соединяет вывод заземления переменного тока с основой на выходе зарядного устройства. Четыре 9.1MΩ резистора соединяют внутреннюю основу постоянного тока с основой на выходе. Так как они пересекают границу изоляции, безопасность является проблемой. Их высокая устойчивость позволяет избежать опасности шока. Четыре резистора на самом деле не обязательны, но избыточности существует для того, чтобы обеспечить безопасность и отказоустойчивость устройства. Существует также Y конденсатора (680pF, 250В) между внутренним заземлением и заземлением на выходе. T5A предохранитель (5А) защищает выход заземления.

Одной из причин, чтобы установить в зарядном устройстве большее количество компонентов управления, чем обычно, является переменное выходное напряжение. Чтобы выдать 60 ватт напряжения, зарядное устройство обеспечивает 16,5 вольт с уровнем сопротивления 3,6 Ом. Для выдачи 85 ватт, потенциал возрастает до 18,5 вольт и сопротивление соответсвенно 4,6 Ом. Это позволяет зарядному устройству быть совместимым с ноутбуками, которые требуют различного напряжения. При увеличении потенциала тока выше 3,6 ампер, схема постепенно увеличивает выходное напряжение. Зарядное устройство экстренно выключается при достижении напряжения 90 Вт.

Схема управления является довольно сложной. Выходное напряжение контролируется операционным усилителем в микросхеме TSM103/A, которая сравнивает его с опорным напряжением, сгенерированным той же микросхемой. Этот усилитель отправляет сигнал обратной связи через оптрон к управляющей микросхеме SMPS на высоковольтной стороне. Если напряжение слишком высокое, сигнал обратной связи понижает напряжение и наоборот. Это довольно простая часть, но там где напряжение увеличивается с 16.5 вольт до 18.5 вольт все становится сложнее.

Выходной ток создает напряжение на резисторы с крошечным сопротивлением 0.005Ω каждый — они больше походят на провода, чем на резисторы. Операционный усилитель в микросхеме TSM103/A усиливает это напряжение. Этот сигнал переходит к крошечному операционному усилителю TS321, который запускает наращивание когда сигнал соответствует 4.1А. Этот сигнал поступает в ранее описанную контролирующую схему, увеличивая выходное напряжение. Текущий сигнал также входит в крошечный компаратор TS391, который отправляет сигнал в высоковольтное устройство через другой оптрон, чтобы сократить выходное напряжение. Это схема защиты, если уровень тока становится слишком высоким. На печатной плате есть несколько мест, где могут быть установлены резисторы с нулевым сопротивлением (т.е. перемычки), чтобы изменить усиление операционного усилителя. Это позволяет скорректировать точность усиления во время изготовления.
 

Штекер Magsafe

Магнитный штекер Magsafe, который подключается к Macbook, является более сложным, чем может показаться на первый взгляд. Он имеет пять подпружиненных штифтов (известных как Pogo штифты) для подключения к компьютеру, а также два контакта питания, две штифта заземления. Средний штифт является соединением для передачи данных к компьютеру.



Внутри Magsafe представляет собой миниатюрный чип, сообщающий ноутбуку серийный номер, тип и мощность зарядного устройства. Ноутбук использует эти данные, чтобы определить оригинальность зарядного устройства. Чип также управляет светодиодным индикатором для визуального определения состояния. Ноутбук не получает данные напрямую от зарядного устройства, а только через чип внутри Magsafe.


 

Использования зарядного

Возможно Вы заметили, что при подключении зарядного устройства к ноутбуку проходит одна-две секунды до срабатывания светодиодного датчика. За это время происходит сложное взаимодействие между штекером Magsafe, зарядным устройством и самим Macbook.

Когда зарядное устройство отсоединяется от ноутбука, выходной транзистор блокирует напряжение на выход. Если Вы измерите напряжение от зарядного устройства MacBook, то обнаружите приблизительно 6 вольт вместо 16.5 вольт, которые надеялись увидеть. Причина — вывод, отключен, и вы измеряете напряжение через обводной резистор чуть ниже выходного транзистора. Когда штекер Magsafe подключен к Macbook, он начинает обращаться к напряжения низкого уровня. Микроконтроллер в зарядном устройстве обнаруживает это и в течении нескольких секунд включает подачу мощности. За это время ноутбук успевает получить всю необходимую информацию о зарядном устройстве от чипа внутри Magsafe. Еси все хорошо, ноутбук начинает потреблять электропитание от зарядного устройства и посылает сигнал LED индикатору. Когда штекер Magsafe отключен от ноутбука, микроконтроллер обнаруживает потерю тока и отключает подачу питания, что также гасит светодиоды.

Возникает вполне логичный вопрос — почему зарядное устройство Apple настолько сложное? Другие зарядные устройства для ноутбуков просто обеспечивают 16 вольт и при подключении к компьютеру сразу подают напряжение. Основная причина заключается в целях безопасности, чтобы гарантировать, что напряжение не будет подано, пока контакты прочно не прикреплены к ноутбуку. Это сводит к минимуму риск возникновения искры или электрической дуги, при подключении штекера Magsafe.
 

Почему не стоит использовать дешевые зарядные устройства

Оригинальное зарядное устройство Macbook 85W стоит $79. Но за $14 вы можете купить зарядку на eBay, внешне схожую с оригиналом. И так, что вы получаете за дополнительные $65? Давайте сравним копию зарядного устройства с оригиналом. С внешней стороны зарядное устройство выглядит точно так же, как оригинал 85W от Apple. За исключением того, что не хватает самого логотипа Apple. Но если заглянуть внутрь, различия становятся очевидными. На фотографиях ниже отображено подлинное зарядное устройство Apple слева и копия справа.



Копия зарядного устройства имеет в два раза меньше деталей, нежели оригинал и место на печатной плате попросту пустует. В то время, как подлинное зарядное устройство Apple переполнено компонентами, его копия не рассчитана на большую фильтрацию и регулирование и в ней отсутсвует схема PFC. Трансформатор в копии зарядного устройства (большой желтый прямоугольник) намного крупнее по габаритам оригинальной модели. Более высокая частота усовершенствованного резонансного преобразователя Apple позволяет использоваться трансформатор меньшего размера.



Перевернув зарядное устройство и рассмотрев печатную плату, можно увидеть более сложную схему оригинального зарядного устройства. У копии есть всего одна ИС управления (в верхнем левом углу). Так как схема PFC полностью выброшена. Кроме того клон зарядки менее сложный в управлении и не имеет заземления. Сами понимаете, чем это грозит.

Стоит отметить что копия зарядного использует Fairchild FAN7602 зеленый чип контроллера PWM, который более совершенный, чем можно было ожидать. Я думаю большая часть ожидала увидеть что-то типа простого транзисторного генератора. И в добавок в копии, в отличии от оригинала, используется односторонняя печатная плата.

На самом деле копия зарядного устройства лучшего качество, чем можно было ожидать, по сравнению с ужасными копиями зарядок для IPad и iPhone. Копия зарядки для MacBook не сокращает все возможные компоненты и использует умеренно сложную схему. В этом зарядном устройстве также делается небольшой упор на безопасность. Применяется изоляция компонентов и разделение участков с высоким и низким напряжением, за исключением одной опасной ошибки, которую вы увидите ниже. Y конденсатора (синий) был установлен криво и опасно близко к контакту оптрона на высоковольтной стороне, создавая риск шока электрическим током.


 

Проблемы с оригиналом от Apple

Ирония заключается в том, что несмотря на сложность и внимание к деталям, зарядное устройстве Apple MacBook — не безотказное устройство. В интернете можно найти уйму разнообразных фото сгоревших, поврежденных и просто неработающих зарядок. Наиболее уязвимой частью оригинального зарядного устройства является именно провод в районе штекера Magsafe. Кабель довольно хлипкий и он быстро перетирается, что приводит к его повреждению, перегоранию или просто переламыванию. Apple предоставляет подробную инструкцию как избежать повреждения кабеля, вместо того, чтобы просто предоставить более мощный кабель. В результате обзора на веб-сайте компании Apple зарядное устройство получило всего 1,5 звезд из 5 возможных.



Зарядные устройства MacBook также могут перестать работать из-за внутренних проблем. Фотографии выше и ниже показывают следы ожогов внутри неудачной зарядки от Apple. Точно сказать, что именно послужило причиной возгорания, увы, невозможно. Из-за короткого замыкания сгорела половина компонентов и добрая часть печатной платы. Внизу на фото обгорелая силиконовая изоляция для крепления платы.


 

Почему же оригинальные зарядные устройства такие дорогие?

Как вы можете видеть, зарядное от Apple имеет более продвинутый дизайн, чем копии и имеет дополнительные функции для безопасности. Тем ни менее, подлинное зарядное устройство стоит на $ 65 больше и я сомневаюсь, что дополнительные компоненты стоят дороже, чем $ 10 — $ 15. Большая часть стоимости зарядного устройства переходит в чистую прибыль компании. По оценкам стоимость iPhone 45% — это чистая прибыль компании. Вероятно, зарядные устройства приносят еще больше средств. Цена на оригинал от Apple, должна быть значительно ниже. Устройство имеет множество крошечных компонентов резисторов, конденсаторов и транзисторов цена которым варьируется в районе одного цента. Большие полупроводники, конденсаторы и индукторы естественно стоят значительно больше, но вот к примеру 16-битный процессор MSP430 стоит всего $ 0,45. Apple объясняет высокую стоимость не только затратами на маркетинг и прочее, но и высокими затратами на саму разработку той или иной модели зарядного. Книга Practical Switching Power Supply Design оценивает 9 месяцев рабочего времени на проектирование и совершенствование источников электропитания в районе $200 000. За год компания продает порядка 20 миллионов MacBook. Если вкладывать стоимость разработки в стоимость устройства, это будет всего лишь 1 цент. Даже если затраты на проектировку и разработку зарядных устройств от Apple в 10 раз выше, то цена не превысит 10 центов. Не смотря на все это, я не рекомендую вам экономить свои средства, приобретая аналоги зарядного устройства и рискуя своим ноутбуком и даже здоровьем.

И на остаток

Пользователи не часто интересуются тем, что находится внутри зарядного устройства. Но там полно интересных вещей. С виду простая зарядка использует передовые технологии, включая коррекции коэффициента мощности и резонансный источник электропитания, чтобы произвести 85 ватт питания в компактном модуле. Зарядное устройство Macbook является впечатляющим произведением инженерной мысли. В то же время его копии стремятся по-максимуму удешевить все, что только можно. Это конечно экономно, но также опасность для вас и вашего ноутбука.

https://geektimes.ru/company/ua-hosting/blog/272744/