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假冒iPhone充电器内部探究:导致触摸屏失灵

发布日期:2012-08-14 15:31

   出于对科学的兴趣,我花了2.79美元从eBay购入一台无牌子的方形充电器,并将其拆开。令人感到惊叹的是制造商竟可以只花费几美元就可以制造并销售一个如此复杂的充电器。这个充电器看起来很像真正的Apple充电器,但价格却差很多。但当我看到其内部构造的时候,我发现最重要的安全终端却被去掉,这样的话就可能引起340V的电击。此外,类似这种平价充电器所产生的干扰会导致触摸屏失灵。因此,我建议多花几个钱去买一个品牌充电器。

 
  最近读了一篇很受欢迎的文章——《电脑电源的历史》,这使我们产生了对Apple、Samsung、RIM和其他公司提供的令人惊叹的一英寸方形的USB充电器进行探究的念头。
 
  我买的那台无牌充电器不考虑其欧洲标准的插头,其长度还超过一英寸。这充电器上面打着“iPhone4适用,110-220V 50/60HZ输入,5.2V 1000MA输出,中国制造”的字样。除此之外没有其他任何的标记(例如制造商、串码或者安全认证)。我打开了这个充电器。令人惊奇的一点就是为了装一个如此小的充电器,何必要用到那么大的空间。很明显这个充电器的电路是为偏小的的美国标准插口设计的,而带有欧洲插口的额外的空间是没有用到的。由于这个充电器允许110V/220V的输入,因此相同的电路可以在全世界各地使用。
 
 假冒iPhone充电器内部探究
 
这个电源本身小于一立方英寸。以下的图片展示其主要元器件。在其左边是标准的USB连接器,留意其占了多少空间,所以设备转向Micro-USB连接器是没什么大惊小怪的。这个黑黄的元件是变压器;它将高压输入转为5V输出。在其前面是开关晶体管。晶体管旁边的是一个很像电阻的元器件,但实际它是一个AC输入的电感过滤。在其底面,你可以看到过滤输出输入的电容。
 
 假冒iPhone充电器内部探究
 
  电源是一个简单的反激式开关电源。输入的AC通过一个二极管转换成高压的DC,通过功率晶体管将其转成脉冲并反馈到变压器。利用晶体管、滤波器将变压器的输出转换为一个低压DC。并通过USB端口馈出。一个反馈电路凭借控制和斩波频率将输出电压调整到5V。
 
假冒iPhone充电器内部探究
 
 细节说明:
 
  这个电源是一个自振荡反激变换器,通俗点说就是自激式转换器。它并不像大部分的反激电源一样用IC去控制振荡频率,而是通过变压器上的反馈绕组自己控制电源振荡。这样的话减少了元器件的数目,同时使花费更加少。在一个2.798美元的电源里面,75美分的控制IC绝对是个昂贵的东西,因此他们用一个最小的电路代替。
 
 假冒iPhone充电器内部探究电路元件
 
  上面的图片展示了电路元件:红盒子和另一边用斜体字表明的元器件。需要注意的是大部分的元器件都是比较小的表面贴装器件。和电容比起来则相形见拙。绿色电线提供AC输入,其通过电感过滤。高压的1N4007输入二极管和4.7µF的输入电容将AC输入转换为340的DC。MJE13003是频率可变的功率晶体管开关电源。变压器有两组初级绕组(功率绕组和反馈绕组),同时有一个次级绕组(变压器和感应器亦即是所谓的电磁)。
 
  在次级,亦即是输出端,高速SS14肖特基二极管将变压器电压整流为DC,经过470µF的输出电容过滤,在提供所需的5V电压到USB端口。USB端口的中心的两个阵脚用焊锡短路,这个在接下来会有解析到。
 
  一个简单的反馈电路调整电压。输出电压通过电阻分压器分成一半,并通过普通的431参考电压设备与2.5V比较。反馈通过817B光隔离器传到初级那端。在初级端,反馈变压器绕组的反馈振荡和光隔离器的电压振荡在2SC2411结合控制晶体管。这个晶体管接下来就驱动功率晶体管。
 
隔离和安全
 
  因为安全性的缘故,AC电源必须遵守AC输入和输出的严格隔离。电路分成初级和次级,分别连到输入和输出。在这两边要求没有任何的电气连接,否则如果有人碰到输出,则会引起点击。两边的任何连接必须通过变压器或者光隔离器。在这个电源,变压器解决了主电源的隔离,光隔离器解决了次级电压反馈的隔离。
 
  如果你看这些图片,你可以看到隔离边界指示好像电路板和电路板相交白线那样大致水平,其初级在顶部,次级在底部。(线是被印刷在板上,我没有加在照片上。)线上的圈子看起来很像小东,这些给两边提供额外的隔离。
 
  为了避免电击危险,UL在初级线圈和次级线圈之间有多大的距离(俗称的“creepage”和“dearance”)方面有着有复杂的安全规范。这些规则是复杂的,我也不是专家,但我认为至少需要3或4毫米。在这个电源里,平均距离是一毫米。右边低于R8的空间距离有些小于一毫米。
 
  我很奇怪这个空间距离小于1mm的电源是怎么满足UL的标准的。更近的观察这个电源盒子,我发现它没有标记任何安全认证,甚至制造商。我突然意识到在eBay从中国不知厂家购买尽可能便宜的充电器实在是安全危害。要注意这个一毫米一下的空隙是保护你和你的电话不要受到340V电压攻击的可能。我同样拆解变压器,更发现在两个线圈之间只有一层绝缘较大,并不是UL规定的两层。在看过这个充电器的内部以后,我的建议是你还不如多花几个钱在充电器上面,买一个经过UL认证的大牌厂家的产品。
 
  这个超级便宜充电器的另一个关注点是他们产生低质量的电气输出,带有很多噪音,这会干扰你的手机的操作。因为屏幕收到电气干扰的影响,我们都知道低价格的自激振荡适配器会引起触摸屏失灵。我观察过几个会产生干扰的低价设计方案。这个充电器用一个晶体管去整流输入,而不是一个四极管桥。这样的话会产生更多的干扰。输入和输出的过滤相对于其它设计来说比较低。在AC输入端同样没有保险丝,这样会使人有少许担心。
 
  USB充电协议
 
  你可以认为USB充电是可互换的,并觉得将一个USB设备插入充电器是很理所当然的,但事实证明有多样化的USB充电标准,破坏规矩的设备与Sony和Apple所使用的专利协议。根本的问题是一个标准的USB端口可以提供500ma电流,因此提供1A或者更多的的充电器怎么才能快速充电?为了使这个问题变得更简单。一个充电器标注着说明它是一个通过短路USB中间的两个针来实现目标的充电器。专利的充电器连接不同的阻抗到D+和D-去说明他们能产生多大的的电流。注意到在电路上很少不使用的电阻点(R2,R3,R8,R10)连接到USB端口。生产厂家可以添加适当的电阻去做成多种多样的充电器。
 
 AC电源适配器的改进
 
  早起的电源适配器只是一个产生低压AC或者添加晶体管去产生DC的AC变压器。在二十世纪九十年代,因为开关电源更加紧凑和高效,他们成为主流。然而,AC适配器的发展流行会伴随着产生功率损耗,插上插头产生的结果会使今年美国在电力方面花费十亿。新的Energy Star鼓励应用那些低功率和不在限制时候还有高功率的“绿色”设计。这些效率控“控制者”在空载的时候可以断开开关,间歇性的工作区提供能让其运动的电能。通过在空载的时候流失掉超级电容,这样的话每一个电源设计实质上得不到任何备用电源供给。
 
  半导体工业继续通过改进控制IC和开关晶体管去改进交换式开关电源。例如电源,一些商家将控制IC和开关晶体管联连接到一起,并剑气集成到一个有4或5个pin的单一元器件。充电器控制的另一个技术是CC/CV,这可以提供稳定的电流直到电池充满电,接着保持电压使其可以充电,为了降低EMI,一些控制器持续增大开关频率,为了通过扩展频谱传播干扰。控制器也包括类似过载保护、低压闭锁和热保护等安全装置。
 
电路元件
 
  结论
 
  远离不知名厂家制造的低价AC适配器,花多点钱去买个大品牌产品。这会更安全,会产生更少的干扰,同时你设备的触摸屏会操作更灵敏。
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