Bộ sạc iphone do Apple sx nhỏ gọn, chất lựơng cao, giá thành không bao giờ rẻ! (p1)

 

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

 

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Hotline Zalo Facebook