“Bộ sạc iphone do Apple sx nhỏ gọn, chất lựơng cao, giá thành không bao giờ rẻ!” p2

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

 

 

 

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.

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 scourtheearth và Ladyada. 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:

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).

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]

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).