Bộ sạc iPhone của Apple: chất lượng cao, kiểu dáng gọn, giá không rẻ — Phần 1/4: Cách hoạt động

Bên trong bộ sạc iPhone bé xíu của Apple là một bộ nguồn chuyển mạch kiểu flyback với công nghệ tiên tiến hơn hẳn so với các bộ sạc thông thường. Cũng chỉ là một thiết bị chuyển nguồn điện xoay chiều (với điện áp trong khoảng từ 100 đến 240V) thành điện áp một chiều 5V với công suất 5W nhưng mạch điện bên trong bộ sạc này phức tạp và đầy sáng tạo một cách đáng ngạc nhiên.

Bộ sạc iPhone là một bộ nguồn chuyển mạch (switching power supply) trong đó dòng điện ngõ vào được bật và tắt khoảng 70 ngàn lần trong một giây để tạo ra điện áp mong muốn. Kiểu nguồn chuyển mạch thường nhỏ gọn hơn, hiệu suất cao hơn, và tạo ra ít nhiệt hơn so với các bộ nguồn tuyến tính (linear power supply) vốn đơn giản hơn.

Nói một cách chi tiết thì trước hết điện xoay chiều từ lưới điện được chuyển thành điện một chiều ở điện áp cao [1] nhờ một mạch cầu đi-ốt. Nguồn điện một chiều được nối và ngắt bởi một transistor được điều khiển bởi một chíp điều khiển bộ nguồn. Nguồn một chiều bật/tắt này được một biến áp flyback [2] chuyển thành điện xoay chiều điện áp thấp. Cuối cùng, điện áp xoay chiều này được chuyển thành điện một chiều và lọc để tạo ra một nguồn điện ổn định không có nhiễu trước khi đưa ra cổng USB. Một mạch hồi tiếp sẽ đo điện áp ra và gửi tín hiệu đến chíp điều khiển để thay đổi tần số chuyển mạch sao cho điện áp ra bằng với mức mong muốn.

Hình trên là hình chụp từ một bên của bộ sạc cho thấy một vài linh kiện lớn. Bộ sạc bao gồm hai bản mạch in mỗi bản có diện tích nhỏ hơn 2.5cm x 2.5cm (1inch x 1inch) [3]. Bản mạch bên trên là bản mạch sơ cấp có chứa các mạch hoạt động ở điện áp cao, còn bản mạch bên dưới là bản mạch thứ cấp có các mạch điện hoạt động ở điện áp thấp để cung cấp điện cho ngõ ra. Điện xoay chiều ở ngõ vào được đưa qua một điện trở (là linh kiện có mã vạch màu) có chức năng như một cầu chì để ngắt mạch điện khi xảy ra tình trạng quá tải. Điện xoay chiều ngõ vào được chuyển thành điện một chiều điện áp cao và được lọc qua hai tụ hoá (là các linh kiện màu đen có chữ in và vạch màu trắng) và một cuộn cảm (là linh kiện màu xanh lá cây).

Sau đó, điện một chiều điện áp cao được bật tắt ở tần số cao bởi một transistor MOSFET hoạt động như một công tắc, là linh kiện có 3 chân ở góc trên bên trái trong hình trên. (Transistor thứ hai có chức năng ghim các đỉnh xung điện áp, sẽ được giải thích sau.) Điện một chiều ngắt quãng được đưa vào một biến áp flyback (màu vàng, nằm gần như khuất sau hai transistor). Điện ở cuộn thứ cấp của biến áp này có điện áp thấp và được nối sang bản mạch thứ cấp nằm bên dưới (qua hai sợi dây màu vàng, đã bị cắt trong quá trình tháo gỡ bộ sạc.) Bản mạch thứ cấp chuyển điện áp thấp ở ngõ ra của biến áp thành điện một chiều rồi lọc và đưa ra ngõ USB (là linh kiện hình chữ nhật nằm ở góc dưới bên trái). Dây cáp ribbon màu xám (hơi khó thấy ở góc dưới bên phải của hình, ngay bên dưới cái tụ điện) đưa tín hiệu hồi tiếp từ bản mạch thứ cấp sang chíp điều khiển để ổn định điện áp.

Hình trên cho thấy biến áp flyback (màu vàng) rõ hơn, nằm phía trên cổng USB. Linh kiện lớn màu xanh là một tụ điện chữ “Y” [4] đặc biệt để giảm can nhiễu. Chíp điều khiển nằm ở mặt trên của bản mạch sơ cấp, ngay phía trên cục biến áp [5].

…

(Xem tiếp Phần 2: Chi tiết mạch điện)

Ghi chú và tham khảo

[1] Bạn có thể thắc mắc tại sao điện áp DC bên trong bộ sạc lại cao hơn nhiều so với điện áp từ lưới điện. Điện áp DC bằng khoảng 1.4 (=√2) lần điện áp AC, do các đi-ốt nạp tụ điện lên đến điện áp đỉnh của điện áp AC. Như vậy, điện áp AC 100 đến 240V được chuyển thành điện áp DC 145 đến 345V. Mức điện áp này thì cũng chưa đủ để được chính thức xem là điện áp cao nhưng tôi gọi như vậy cho tiện. Theo các tiêu chuẩn thì mức điện áp bên dưới 50V đối với điện xoay chiều hay 120V đối với điện một chiều được xem là điện áp rất thấp và được xem như an toàn trong các điều kiện bình thường. Nhưng tôi sẽ gọi điện áp 5V ở ngõ ra là điện áp thấp cho tiện.

[2] Bộ sạc Apple dùng thiết kế flyback trong đó cục biến áp hoạt động “ngược” với cách mà có thể bạn đang mường tượng. Khi một xung điện áp được đưa vào trong bộ biến áp, đi-ốt ở ngõ ra ngắt nên không có điện chạy ra – thay vào đó một trường từ được tạo ra bên trong biến áo. Khi điện áp ngõ vào bị ngắt, trường từ được giải phóng và tạo ra một điện áp ở ngõ ra của biến áp. Kiểu nguồn flyback rất phổ biến trong các bộ nguồn công suất thấp.

[3] Bản mạch sơ cấp có kích thước 22.5mm x 20.0mm còn bản mạch thứ cấp vào khoảng 22.2mm x 20.2mm.

[4] Xem thêm thông tin về các tụ điện X và Y trong bài của Kemet và bài Designing low leakage current power supplies (Thiết kế các nguồn điện có dòng rò thấp).

[5] Để hình được rõ ràng, một ít thành phần cách điện đã được tháo bỏ trước khi chụp hình trong bài này. Tụ Y được bọc trong ống nhựa (heat shrink) màu đen, mặt bên của mạch điện được quấn băng keo, điện trở cầu chì được bọc trong ống heat shrink màu đen, và cổng USB có một lớp bọc cách điện màu đen.

• Nguyên bản tiếng Anh: “Apple iPhone charger teardown: quality in a tiny expensive package,”  Ken Shirriff, Jan 2015.
• Người dịch: Tạ Minh Chiến