Bộ sạc iPhone của Apple: chất lượng cao, kiểu dáng gọn, giá không rẻ


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.

charger_1

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.

charger_2

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).

charger_3

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.

charger_4

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].

Bản mạch sơ cấp

charger_5

Bản mạch sơ cấp sử dụng các linh kiện dán bề mặt (surface mounted component, SMT) trên cả hai mặt. Mặt phía trong (xem hình bên trên) chứa các linh kiện lớn còn mặt phía ngoài (xem hình bên dưới) chứa chíp điều khiển. (Các linh kiện lớn đã được tháo khỏi bản mạch và được ký hiệu qua các chú thích in nghiêng.) Điện áp vào được nối vào các góc của bản mạch, đi qua một cầu chì điện trở 10Ω, và được chỉnh lưu thành điện một chiều bởi một cầu đi-ốt. Hai mạch dập RC (RC snubber) hấp thu các can nhiễu điện từ tạo ra bởi cầu đi-ốt [6]. Điện một chiều được lọc qua hai tụ hoá lớn và cuộn cảm, tạo ra điện ở điện áp 125-340V. Để ý rằng các tụ điện này và các linh kiện chịu dòng lớn được nối với nhau bằng cách đường mạch in rộng hơn so với các đường mạch dành cho các tín hiệu điều khiển.

Bộ nguồn được điều khiển bởi chíp L6565 của STMicroelectronics. Đây là chíp điều khiển nguồn chuyển mạch giả cộng hưởng (quasi-resonant) [7]. Chíp này điều khiển việc đóng ngắt của công tắc MOSFET có nhiệm vụ chặt nhỏ dòng điện một chiều điện áp cao trước khi đưa vào cuộn sơ cấp của biến áp flyback. Chíp điều khiển theo dõi một số tín hiệu vào (điện áp hồi tiếp từ bên thứ cấp, điện áp một chiều ngõ vào, dòng điện bên cuộn sơ cấp, và tín hiệu đo độ khử từ của biến áp) rồi thay đổi tần số và thời điểm chuyển mạch để điều chỉnh điện áp ra thông qua các mạch điện phức tạp bên trong con chíp. Các điện trở đo dòng điện sẽ cho con chíp biết độ lớn của dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp để nó biết khi nào thì phải tắt transistor chuyển mạch.

Transistor chuyển mạch thứ hai, cùng với một vài tụ điện và đi-ốt, tạo thành một mạch ghim điện áp cộng hưởng (resonant clamp circuit) để hấp thu các xung điện trên biến áp. Mạch điện mới và lạ này đã được đăng ký phát minh bởi Flextronics [8][9].

Chíp điều khiển cần nguồn điện một chiều để hoạt động; nguồn này được cung cấp bởi một mạch nguồn phụ trợ bao gồm một cuộn dây phụ gắn riêng rẽ trên cục biến áp, một đi-ốt, và các tụ lọc. Do chíp điều khiển cần được cấp nguồn trước khi biến áp có thể tạo ra được điện, bạn có thể thắc mắc vấn đề luẩn quẩn trứng có trước hay gà có trước này được giải quyết như thế nào. Giải pháp là điện một chiều điện áp cao được hạ áp xuống một mức thấp thông qua các điện trở công suất trong mạch khởi động để cung cấp dòng điện ban đầu cho con chíp cho đến khi biến áp hoạt động. Cuộn dây phụ còn được con chíp sử dụng để đo độ khử từ của biến áp để từ đó xác định khi nào cần phải bật transistor chuyển mạch lên lại [7].

charger_6

Bản mạch thứ cấp

Trên bản mạch thứ cấp, điện xoay chiều điện áp thấp từ biến áp được chỉnh lưu bằng đi-ốt Schottky tốc độ cao, lọc qua cuộn cảm và các tụ điện, và nối ra cổng USB. Các tụ lọc tantalum được dùng trong mạch có điện dung cao và kích thước nhỏ gọn.

Ngõ ra USB còn có các điện trở nối với các chân dữ liệu để thông báo cho iPhone biết dòng điện mà bộ sạc có thể cung cấp, thông qua một giao thức riêng của Apple [10]. iPhone sẽ hiển thị thông báo “Không sạc được bằng thiết bị này” nếu bộ sạc sử dụng các điện trở có giá trị không phù hợp.

charger_7

Bản mạch thứ cấp có một mạch hồi tiếp dành cho nguồn chuyển mạch có nhiệm vụ theo dõi điện áp ra thông qua chíp ổn áp TL431 và đưa tín hiệu hồi tiếp về chíp điều khiển thông qua bộ ghép quang (optocoupler). Mạch hồi tiếp thứ hai có chức năng tắt bộ sạc để bảo vệ nếu bộ sạc quá nóng hoặc điện áp ngõ ra quá cao [11]. Một dây cáp ribbon đưa tín hiệu hồi tiếp này sang bản mạch sơ cấp.

Cách điện

Do bộ nguồn có thể hoạt động với điện áp một chiều lên đến 340V, tính an toàn là một vấn đề quan trọng. Mạch điện ngõ vào hoạt động ở mức điện áp nguy hiểm và mạch điện ngõ ra hoạt động ở mức điện áp an toàn phải được cách điện bằng cách đáp ứng các quy định nghiêm ngặt về khoảng cách (thuật ngữ chuyên môn gọi là creepage và clearance) và vật liệu. Các tiêu chuẩn [12] cũng hơi không rõ ràng lắm nhưng về cơ bản chúng yêu cầu một khoảng cách khoảng 4mm giữa hai mạch điện. (Như tôi thảo luận trong bài Tiny, cheap, dangerous: Inside a (fake) iPhone charger, các bộ sạc rẻ tiền hoàn toàn lờ đi các quy định an toàn này.)

Bạn có thể nghĩ rằng bản mạch sơ cấp có điện áp nguy hiểm còn bản mạch thứ cấp có các điện áp an toàn, nhưng thực ra bản mạch thứ cấp có hai vùng: một vùng nguy hiểm nối với bản mạch sơ cấp, và một vùng điện áp thấp. Khoảng cách cách điện giữa những vùng này vào khoảng 6mm trong bộ sạc của Apple như ta có thể thấy trong hình trên. Khoảng cách này đảm bảo rằng các điện áp nguy hiểm không thể nào chạm vào ngõ ra.

Có ba loại linh kiện nằm bắc cầu qua khoảng cách an toàn này và chúng phải được thiết kế đặc biệt vì lý do an toàn. Linh kiện chính là bộ biến áp. Nó chuyển điện năng từ ngõ vào đến ngõ ra mà không cần một dây dẫn trực tiếp. Ở bên trong, biến áp được cách điện một cách triệt để, như ta sẽ thấy trong phần sau. Loại linh kiện thứ hai là các bộ ghép quang, là linh kiện đưa tín hiệu hồi tiếp từ bên thứ cấp về bên sơ cấp. Bên trong bộ ghép quang có một đèn LED và một transistor cảm ứng quang, do đó hai bên chỉ được kết nối với nhau bằng ánh sáng, chứ không phải bằng một mạch điện. (Để ý khối silicone cách điện phía bên thứ cấp của các bộ ghép quang để tăng độ an toàn.) Cuối cùng, tụ điện kiểu Y là một loại tụ đặc biệt [4] cho phép can nhiễu điện từ truyền qua lại giữa bên sơ cấp có điện áp cao và bên thứ cấp có điện áp thấp.

charger_8

Hình trên cho thấy một vài kỹ thuật cách điện. Bản mạch thứ cấp (bên trái) có tụ điện kiểu Y màu xanh dương. Để ý rằng do ở giữa bản mạch thứ cấp không có linh kiện, một vùng cách điện được hình thành. Các linh kiện bên phía bên phải của bản mạch thứ cấp được nối với bản mạch sơ cấp bằng sợi cáp ribbon màu xám nên chúng có thể hoạt động ở điện áp cao. Một liên kết khác giữa hai bản mạch là cặp dây màu vàng dùng để chuyển điện năng từ cuộn biến áp sang bản mạch thứ cấp; cặp dây này đã bị cắt trong quá trình tách hai bản mạch.

Sơ đồ mạch điện

Dưới đây là sơ đồ mạch điện gần đúng của bộ sạc [13] mà tôi vẽ lại. (Tải bản PDF tại đây.)

charger_9a

charger_9b

Những linh kiện tí hon

Những hình ảnh này làm ta rất dễ quên mất rằng các linh kiện này nhỏ như thế nào, và bộ sạc đã tích hợp tất cả những thứ phức tạp đó vào trong một khối nhỏ ra sao. Hình ảnh được phóng đại một chút dưới đây cho thấy một đồng 25 xu Mĩ, một hạt gạo, và một hạt mù tạt để ta có thể so sánh kích thước. Hầu hết các linh kiện này là loại dán bề mặt nghĩa và được hàn trực tiếp lên bản mạch in. Những linh kiện nhỏ nhất, chẳng hạn như điện trở được chỉ ra trong hình, là loại “0402″ do chúng có kích thước 0.04inch x 0.02inch. Những linh kiện lớn hơn nằm về phía bên trái của hạt mù tạt có khả năng chịu dòng lớn hơn và thuộc loại “0805″ do chúng có kích thước 0.08inch x 0.05inch.

charger_10

Biến áp flyback là linh kiện chủ chốt của bộ sạc, là linh kiện lớn nhất và có lẽ cũng mắc nhất [14]. Bên trong đó có gì? Tôi đã tháo tung bộ biến áp ra để tìm hiểu.

Biến áp có kích thước khoảng 1.25cm x 1.25cm x 0.85cm . Bên trong có ba cuộn dây: một cuộn sơ cấp dành cho ngõ vào có điện áp cao, một cuộn phụ hoạt động ở điện áp thấp để cấp điện cho mạch điều khiển, và một cuộn hoạt động ở điện áp thấp nhưng với dòng điện cao để cấp điện cho ngõ ra. Cuộn dây ngõ ra được nối với các dây dẫn màu trắng và đen của biến áp còn các cuộn dây khác được nối với các chân gắn ở bên dưới của biến áp.

Biến áp được bọc trong vài lớp băng keo cách điện. Dòng chữ thứ hai trên miếng băng keo có vẻ như bắt đầu bằng “FLEX”, dùng để chỉ Flextronics. Hai sợi dây quấn quanh biến áp được nối đất để tạo lớp chắn bảo vệ.

charger_11

Sau khi tháo lớp dây bảo vệ và băng keo, hai nửa của lõi sắt từ (ferrite) có thể được tháo khỏi các cuộn dây. Lõi này là một loại gốm khá dòn nên nó bị bể trong quá trình tháo gỡ. Lõi bao quanh các cuộn dây để dẫn các đường sức từ. Mỗi phần của lõi có kích thước khoảng 6mm x 11mm x 4mm; lõi này kiểu EQ. Phần hình trụ tròn ở giữa hơi ngắn hơn so với hai đầu hai bên nên khi ghép hai nữa lại với nhau sẽ có một khe hở không khí. Khe hở rộng 0.28mm này lưu trữ năng lượng từ trường cho biến áp flyback.

charger_12

Bên dưới hai lớp băng keo là một cuộn dây mảnh bọc cách điện có 17 vòng mà tôi cho rằng đó là một cuộn tạo lớp chắn nữa để dẫn các can nhiễu xuống cực nối đất.

charger_13

Bên dưới cuộn tạo lớp chắn và hai lớp băng keo là cuộn thứ cấp dành cho ngõ ra có 6 vòng dây được bọc trắng và đen ở hai đầu. Để ý rằng cuộn này sử dụng dây có tiết diện lớn do nó phải dẫn dòng điện 1A. Để ý thêm rằng cuộn dây được cách điện ba lớp theo yêu cầu an toàn của UL để đảm bảo rằng điện áp cao ở ngõ vào được ngăn cách với ngõ ra. Đây là chỗ mà các bộ sạc rẻ tiền khai thác – chúng dùng dây dẫn thông thường thay vì dây cách điện ba lớp, và dùng rất ít băng keo. Kết quả là bạn ít được bảo vệ khỏi điện áp cao một khi có vấn đề với lớp cách điện hay xung điện.

charger_14

Bên dưới hai lớp băng keo nữa là cuộn sơ cấp bao gồm 11 vòng dây có tiết diện lớn để cấp điện cho chíp điều khiển. Do cuộn dây này nằm bên phía sơ cấp nó không cần phải bọc cách điện ba lớp mà chỉ có một lớp cách điện mỏng.

charger_15

Bên dưới hai lớp băng keo cách điện cuối cùng là cuộn sơ cấp ngõ vào bao gồm bốn lớp, mỗi lớp khoảng 23 vòng dây. Đây là cuộn nhận điện áp cao ở ngõ vào. Do dòng điện rất thấp nên dây dẫn có thể rất mỏng. Do cuộn sơ cấp có số vòng nhiều gấp khoảng 15 lần so với cuộn thứ cấp nên điện áp thứ cấp bằng 1/15 điện áp sơ cấp nhưng dòng điện lại cao gấp 15 lần. Như vậy, bộ biến áp chuyển điện áp cao ở ngõ vào thành điện áp thấp ở ngõ ra nhưng với dòng điện lớn.

charger_16

Hình cuối cùng cho thấy tất cả các thành phần của bộ biến áp; từ trái sang là lớp băng keo bên ngoài cho đến bên phải là cuộn dây trong cùng và ống dây.

charger_17

Biện độ lợi nhuận khủng của Apple

Tôi thực sự ngạc nhiên khi biết được biên độ lợi nhuận của Apple từ những bộ sạc này. Chúng được bán với giá khoảng 30 đô (nếu không phải là hàng giả), nhưng gần như toàn bộ con số đó là lợi nhuận. Samsung bán chỉ khoảng 6 đến 10 đô cho một bộ sạc tương tự, mà tôi cũng đã tháo ra (và sẽ viết bài chi tiết sau này.) Bộ sạc của Apple có chất lượng cao hơn và tôi ước tính là các linh kiện được thêm vào có giá khoảng 1 đô-la [14]. Nhưng nó được bán với giá cao hơn đến hơn 20 đô-la.

Apple thu hồi bộ sạc vì lý do an toàn vào năm 2008

charger_18

Năm 2008 Apple thu hồi các bộ sạc iPhone do một lỗi làm cho các chân cắm vào ổ điện của bộ sạc có thể rời ra và mắc kẹt trong ổ cắm [15]. Các bộ sạc bị lỗi có các chân cắm điện được gắn bằng một chất được mô tả là tốt hơn keo một chút và được hỗ trợ bởi “niềm tin” [15]. Apple thay thế chúng bằng một bộ sạc được thiết kế lại và được đánh dấu bởi một chấm xanh lá cây như trong hình trên (và tất nhiên là các bộ sạc giả cũng bắt chước như vậy).

Tôi quyết định tìm hiểu xem Apple đã cải thiện tính an toàn như thế nào trong bộ sạc mới, và so sánh với các bộ sạc tương tự. Tôi thử kéo rời các chân cắm của một bộ sạc Apple, một bộ sạc Samsung, và một bộ sạc giả. Các chân cắm của bộ sạc giả bị bung ra chỉ với một lần kéo bằng kềm, và cơ bản là chẳng có gì giữ chúng lại ngoài lực ma sát. Để tháo các chân cắm trong bộ sạc của Samsung cần phải kéo và vặn rất nhiều lần bằng kềm do chúng có các chấu kim loại nhỏ giữ chúng lại, nhưng cuối cùng thì chúng cũng bị bung ra.

Khi tôi chuyển sang bộ sạc của Apple, các chân cắm chẳng nhúc nhích ngay khả khi tôi đã kéo mạnh nhất bằng kềm, nên tôi dùng một cái máy Dremel mài xuyên qua lớp vỏ của bộ sạc để xem thử cái gì giữ những chân cắm lại. Các chân cắm có các mép rộng bằng kim loại được đúc vào bên trong lớp vỏ nhựa nên chúng chẳng thể nào rời ra trừ khi bộ sạc bị phá hỏng. Hình dưới đây cho thấy các chân cắm trong bộ sạc Apple (để ý độ dày của lớp nhựa bị gỡ bỏ ở nữa bên phải), chân cắm trong bộ sạc giả được giữ bằng lực ma sát, và chân cắm trong bộ sạc Samsung được giữ bằng các chấu kim loại nhỏ nhưng chắc chắn.

charger_19

Tôi rất ấn tượng với những gì Apple đã làm đối với bộ sạc để tăng độ an toàn sau khi thu hồi sản phẩm. Họ không chỉ đơn thuần cải thiện các chân cắm đôi chút để cho chúng chắc chắn hơn; mà rõ ràng là ai đó đã được bảo rằng anh ta phải làm bất cứ điều gì để đảm bảo rằng chẳng có cách nào để các chân cắm có thể lung lay trong bất cứ hoàn cảnh nào.

Tại sao bộ sạc iPhone của Apple lại đặc biệt

Bộ sạc của Apple rõ ràng là một bộ nguồn chất lượng cao được thiết kế để tạo ra một nguồn điện được lọc cẩn thận. Apple cũng cố gắng hơn mức cần thiết để giảm can nhiễu điện từ, có lẽ để bộ sạc khỏi gây nhiễu đến màn hình cảm ứng [16]. Khi tháo bộ sạc, tôi nghĩ là mình sẽ thấy một thiết kế rất cơ bản, nhưng khi so sánh với các bộ sạc của Samsung và các thiết kế công nghiệp chất lượng cao khác [17] thì Apple vượt trội hơn chúng trên nhiều mặt.

Ngõ vào xoay chiều được lọc qua một cuộn dây lõi sắt từ gắn trên lớp vỏ nhựa (xem hình bên dưới). Ngõ ra của cầu đi-ốt được lọc bởi hai tụ điện lớn và một cuộn cảm. Hai bộ dập RC nữa lọc cho cầu đi-ốt, điều mà tôi chỉ thấy trong các bộ nguồn dành cho thiết bị âm thanh để loại bỏ tần số 60Hz [6]; có lẽ điều này giúp cải thiện chất lượng nghe iTunes. Các bộ nguồn khác mà tôi tháo ra không sử dụng cuộn dây lõi sắt từ và chỉ dùng một tụ lọc. Bản mạch sơ cấp có lớp áo kim loại nối đất phủ lên các linh kiện tần số cao (xem hình), điều mà tôi không thấy ở bất kỳ thiết kế nào khác. Cục biến áp có một vòng dây bảo vệ để hấp thu nhiễu điện từ. Mạch ngõ ra dùng ba tụ điện, trong đó có hai tụ tantalum khá mắc tiền [14], và một cuộn cảm để lọc, trong khi đó nhiều bộ sạc khác chỉ dùng một tụ điện. Tụ kiểu chữ Y thường không được thấy trong các bộ sạc khác. Mạch ghim cộng hưởng là một mạch điện rất sáng tạo [9].

Thiết kế của Apple có độ an toàn cao hơn nhờ một vài chi tiết đã được thảo luận ở trên: chân cắm rất chắc chắn, mạch ngắt khi quá nhiệt hay quá áp rất tinh vi. Khoảng cách cách điện giữa bên sơ cấp và thứ cấp trong bộ sạc của Apple cũng dường như vượt xa các tiêu chuẩn an toàn.

charger_20

Kết luận

Bộ sạc iPhone của Apple chứa đựng rất nhiều công nghệ bên trong một kích thước nhỏ bé. Apple đã làm hơn cả cần thiết để đem lại chất lượng và độ an toàn cao hơn so với các bộ sạc tiếng tăm khác, nhưng điều này dẫn đến giá thành cao hơn.

Nếu bạn quan tâm đến các bộ sạc, xin mời xem các bài viết khác của tôi: tiny, cheap, dangerous: Inside a (fake) iPhone charger (Nhỏ, rẻ, nguy hiểm: Bên trong một bộ sạc iPhone giả), trong đó tôi tháo một bộ sạc iPhone có giá 2.79 đô-la và phát hiện ra nó vi phạm rất nhiều quy chuẩn an toàn; đừng mua những bộ sạc này. Bạn cũng có thể xem qua bài Apple didn’t revolutionize power supplies; new transistors did (Apple không tạo ra cuộc cách mạng trong các nguồn điện; chính các transistor mới làm điều đó) trong đó trình bày lịch sử của các bộ nguồn chuyển mạch. Để xem bộ sạc của Apple được tháo gỡ như thế nào, xin xem các video của scourtheearthLadyada. Cuối cùng, nếu bạn có một bộ sạc thú vị vứt lăn lóc ở đâu đó mà bạn không muốn dùng, hãy gửi cho tôi và có thể tôi sẽ viết một bài chi tiết về nó.

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.

[6] Các mạch dập có thể được dùng để giảm tần số 60Hz tạo ra bởi cầu đi-ốt trong các bộ nguồn dùng cho thiết bị âm thanh. Chi tiết về các bộ dập RC cho các đi-ốt dùng trong bộ nguồn âm thanh có thể đọc từ bài Calculating Optimum Snubbers (Thiết kế Các bộ dập Tối ưu). Một thiết kế mẫu được trình bày trong bài (An Audio Amplifier Power Supply Design) Một Bộ Nguồn Khuếch đại Âm tần.

[7] Bộ nguồn được điều khiển bởi chíp L6565 (datasheet). Đây là là chíp điều khiển nguồn chuyển mạch kiểu giả cộng hưởng. (Nói một cách chính xác thì  tôi thấy mạch điện được dùng giống hệt như mạch dùng cho L6565 và không giống bất cứ mạch dùng cho bất cứ loại chíp nào khác mà tôi đã khảo sát.)

Để tăng hiệu suất và giảm nhiễu, chíp này sử dụng một kĩ thuật được gọi là kĩ thuật giả cộng hưởng, được phát triển vào những năm 1980. Ngõ ra của mạch điện được thiết kế để khi nguồn điện vào bị ngắt thì điện áp của bộ biến áp sẽ dao động. Khi điện áp xuống đến bằng 0, transistor sẽ dẫn trở lại. Đây được gọi là Chuyển Mạch Điện Áp Zero do transistor được chuyển mạch khi điện áp trên nó gần như bằng 0. Điều này làm giảm thiểu năng lượng tiêu hao và nhiễu trong quá trình chuyển mạch. Mạch điện vẫn chạy trong một khoảng thời gian (tuỳ thuộc vào yêu cầu công suất) rồi sau đó lại bị ngắt đi, và quá trình này được lặp đi lặp lại. (Xem bài Exploring quasi-resonant converters for power supplies (Tìm hiểu về bộ chuyển đổi giả cộng hưởng cho các bộ nguồn) để có thêm thông tin.)

Một hệ quả thú vị của kĩ thuật giả cộng hưởng là tần số chuyển mạch thay đổi tuỳ thuộc vào tải (trong đó 70kHz là tần số thường gặp.) Các bộ nguồn đời đầu như bộ nguồn Apple II sừ dụng các mạch điện đơn giản với tần số thay đổi  để điều hoà công suất. Vào những năm 1980, các mạch này được thay thế bởi các chíp chuyển mạch dùng một tần số cố định nhưng với độ rộng xung thay đổi (còn được gọi là kĩ thuật Điều chế Độ rộng Xung – Pulse Width Modulation, PWM). Hiện nay, các chíp điều khiển đời mới quay lại dùng kiểu điều khiển với tần số thay đổi. Đi cùng với chúng là các bộ nguồn siêu rẻ cũng sử dụng các mạch điện tần số thay đổi gần như tương tự với mạch điện trong bộ nguồn Apple II. Vậy là cả các bộ sạc cao cấp lẫn bình dân đều quay trở lại dùng tần số thay đổi.

Tôi mất khá nhiều thời gian mới nhận ra các chữ “FLEX01″ trên chíp điều khiển là dùng để chỉ Flextronics, và dấu X trên con chíp là từ logo của Flextronics:

charger_note_7

Tôi cho rằng con chíp có các nhãn này là do nó được sản xuất cho Flextronics. Chữ “EB936″ trên con chíp có thể là mã linh kiện của Flextronics, hoặc là mã ngày.

[8] Tôi từng cho rằng Flextronics chỉ là một công ty lắp ráp điện tử và tôi đã ngạc nhiên khi biết rằng Flextronics có nhiều thiết kế đầy tính sáng tạo và có đến hàng ngàn bằng phát minh. Tôi nghĩ rằng với những gì mà Flextronics đã thiết kế, họ xứng đáng được biết đến nhiều hơn. (Chú ý rằng Flextronics khác với Foxconn, là công ty sản xuất iPads và iPhones và có nhiều điều tiếng về điều kiện làm việc).

charger_note_8

Hình trên được trích từ Bằng phát minh số 7,978,489: Bộ chuyển điện Tích hợp của Flextronics trong đó mô tả một bộ chuyển đổi trông giống như bộ sạc của iPhone. Bằng sáng chế là một hỗn hợp 63 ý tưởng đủ các loại (tiếp xúc đàn hồi, bọc bảo vệ chống nhiễu điện từ, vật liệu dẫn nhiệt), và phần lớn chúng không thực sự liên quan đến bộ sạc iPhone.

[9] Bằng sáng chế số 7,924,578: Mạch giả cộng hưởng hai cực của Flextronics trình bày mạch cộng hưởng được sử dụng trong bộ sạc iPhone, xem hình dưới đây. Transistor Q2 điều khiển bộ biến áp. Transistor Q1 đóng vai trò ghim điện áp để chuyển các đỉnh xung điện áp từ biến áp sang tụ cộng hưởng C13. Điểm sáng tạo trong mạch này là Q1 không cần các mạch lái đặc biệt như các mạch ghim chủ động khác; nó được tự cấp điện nhờ các tụ điện và đi-ốt. Hầu hết các nguồn điện trong các bộ sạc, trái lại, sử dụng một mạch ghim đơn giản được cấu thành từ điện trở, tụ điện, và đi-ốt và trong đó điện trở làm cho mạch tiêu hao năng lượng. [18]

charger_note_9

Các bằng sáng chế sau này của Flextronics như 7,830,676,7,760,519, và 8,000,112 đưa thêm nhiều đi-ốt và tụ điện vào mạch cộng hưởng.

[10] Apple xác định loại bộ sạc thông qua một kĩ thuật độc quyền với các điện trở nối vào chân USB D+ và D-. Xem chi tiết về giao thức sạc USB trong các bài viết trước của tôi.

[11] Một đặc điểm khó hiểu trong bộ sạc của Apple là mạch hồi tiếp thứ hai có chức năng giám sát nhiệt độ và điện áp ngõ ra. Mạch điện này nằm trên bản mạch thứ cấp và có các điện trở nhiệt (thermistor), một chíp ổn áp 431 thứ hai, và một vài linh kiện khác để theo dõi nhiệt độ và điện áp. Ngõ ra được nối với một bộ ghép quang thứ hai với các mạch điện khác ở mặt bên kia của bản mạch thứ cấp. Hai transistor được nối theo kiểu mạch chốt crowbar, giống như một SCR, để ngắt nguồn phụ và tắt chíp điều khiển. Mạch điện này dường như là quá phức tạp, nhất là khi mà có nhiều chíp điều khiển có sẵn chức năng này. Có lẽ tôi hiểu sai chức năng của mạch này, bởi vì nếu tôi đúng thì dường như Apple đã lãng phí linh kiện và không gian khi thực hiện tính năng này theo một cách phức tạp như vậy.

[12] Để ý dòng chữ “Dùng cho các thiết bị công nghệ thông tin” ở bên ngoài bộ sạc. Điều này cho thấy bộ sạc được thiết kế theo tiêu chuẩn về khoảng cách an toàn được xác lập bởi UL 60950-1. Bài Cách ly trong Mạch điện của i-Spec [đường dẫn có vẻ bị sai – người dịch] và các bài viết trước của tô có tóm tắt về các yêu cầu khoảng cách an toàn.

[13] Một vài ghi chú về các linh kiện được dùng: trên bản mạch sơ cấp, linh kiện JS4 bao gồm hai đi-ốt được đóng gói trong cùng một chíp. Các đi-ốt có in chữ 1JLGE9 là loại 1J 600V 1A. Các transistor chuyển mạch là loại MOSFET kênh N 1HNK60 600V 1A. Giá trị của các điện trở và tụ điện được xác định theo cách ghi giá trị linh kiện SMD dùng 3 chữ số (hai chữ số ghi giá trị và một chữ số ghi số mũ luỹ thừa 10, đơn vị là ohm hay pico-farad).

Trên bản mạch thứ cấp, tụ điện “330 j90″ là tụ tantalum polymer POSCAP 300mF 6.3V của Sanyo (chữ “j” tương ứng với 6.3V còn “90” là mã định ngày). 1R5 là cuộn cảm 1.5uH. GB9 là chíp ổn áp chính xác AS431I với dòng cathode thấp, và 431 là chíp ổn áp TL431 thông thường. SCD34 một bộ chỉnh lưu schottky 3A 40V. YCW là một transistor NPN chưa rõ loại còn GYW là một transistor PNP chưa rõ loại. Tụ kiểu Y có chữ “MC B221K X1 400V Y1 250V” có giá trị 220pF. Tụ “107A” là tụ tantalum 100uF 10V (chữ “A” tương ứng với 10V). Các bộ ghép quang là loại PS2801-1. (Tất cả các loại linh kiện này và cả sơ đồ mạch điện chỉ có độ tin cậy một cách tương đối.)

[14] Để ước lượng chi phí của các linh kiện dùng trong bộ sạc, tôi tham khảo giá cùa một vài linh kiện trên octopart.com. Đây là giá tốt nhất mà tôi có được sau khi tìm kiếm một cách qua loa, mua theo lô 1000 đơn vị, và cố gắng tìm chính xác loại linh kiện mong muốn. Tôi cho rằng Apple sẽ mua với giá rẻ hơn mức giá này nhiều.

Linh kiện Giá
Điện trở SMD cỡ 0402 $0.002
Tụ SMD cỡ 0805 $0.007
Transistor SMD $0.02
Điện trở cầu chì $0.03
Đi-ốt 1A 600V (1J) $0.06
Điện trở nhiệt $0.07
Tụ kiểu Y $0.08
Tụ hoá 3.3uF 400V $0.10
TL431 $0.10
Cuộn cảm 1.5uH $0.12
Đi-ốt SCD 34 $0.13
Bộ ghép quang 2801 $0.16
Transistor 1HNK60 $0.22
Đầu cắm USB $0.33
Tụ tantalum 100uF $0.34
Chíp L6565 $0.55
Tụ tantalum polymer 330uF (Sanyo POSCAP) $0.98
Biến áp flyback $1.36

Một vài chú ý. Biến áp flyback thường là loại được thiết kế theo yêu cầu và giá cả rất khó định nên tôi không chắc lắm về giá. Tôi nghĩ rằng giá POSCAP cao do tôi tìm đúng nhà sản xuất mong muốn, nhưng nhìn chung thì tụ tantalum khá mắc. Tụ và điện trở SMD rẻ một cách đáng ngạc nhiên: với một xu ta có thể mua được vài cái.

[15] Đợt thu hồi sản phẩm vì lý do an toàn của Apple được thông báo năm 2008. Các bài viết trên blog cho thấy các chân cắm trên bộ sạc được gắn chỉ bằng phần kim loại có kích thước 0.3mm và một ít keo. Xem thông tin chi tiết trong bài Apple Recalls iPhone 3G Power Adapters (Apple Thu hồi Bộ sạc iPhone 3G) trên Wired.

[16] Các bộ sạc rẻ tiền gây nhiễu cho màn hình cảm ứng và điều này được mô tả chi tiết trong bài Noise Wars: Projected capacitance strikes back. (Khách hàng cũng phản ảnh các vấn đề về màn hình cảm ứng đối với các bộ sạc rẻ tiền mua từ Amazon và các trang web khác.)

[17] Có rất nhiều thiết kế cho các bộ chuyển đổi AC/DC cho cổng USB với công suất trong tầm 5W. iWatt, Fairchild, STMicroelectronics, Texas Instruments, ON Semiconductor, và Maxim đều cung cấp các thiết kế mẫu.

[18] Khi một đi-ốt hay một transistor chuyển mạch, nó tạo ra một xung điện áp. Xung điện áp này có thể được kiểm soát bởi một mạch dập hay mạch ghim. Nhiều thông tin về mạch dập và mạch ghim được cung cấp trong các bài viết Passive Lossless Snubbers for High Frequency PWM Conversion (Các mạch dập Thụ động Không Tổn hao dùng cho Bộ chuyển đổi điện PWM tần số cao) và Switchmode Power Supply Reference Manual (Tài liệu Tham khảo về Nguồn Điện Chuyển mạch).

Advertisements

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: