Que hay adentro Desmontamos el cargador de la MacBook
¿Alguna vez te has preguntado qué hay dentro del cargador de MacBook? La fuente de alimentación compacta tiene muchos más detalles de los que cabría esperar, incluso un microprocesador. En este artículo, podremos desmontar el cargador de MacBook para ver los numerosos componentes ocultos en su interior y descubrir cómo interactúan entre sí para entregar de forma segura la electricidad que tanto necesitan a la computadora.
La mayoría de los productos electrónicos de consumo, desde su teléfono inteligente hasta su televisor, utilizan fuentes de alimentación pulsadas para convertir la alimentación de CA de una toma de corriente a la corriente continua de bajo voltaje utilizada por los circuitos electrónicos. El cambio de las fuentes de alimentación o, más correctamente, las fuentes de alimentación de bajo voltaje, obtuvieron su nombre del hecho de que encienden y apagan la fuente de alimentación miles de veces por segundo. Es más efectivo para la conversión de voltaje.La principal alternativa a una fuente de alimentación conmutada es una fuente de alimentación lineal, que es mucho más simple y convierte la sobretensión en calor. Debido a esta pérdida de energía, la eficiencia de una fuente de alimentación lineal es de aproximadamente el 60%, en comparación con aproximadamente el 85% para una fuente de alimentación conmutada. Las fuentes de alimentación lineales usan un transformador voluminoso que puede pesar hasta un kilogramo o más, mientras que las fuentes de alimentación conmutadas pueden usar pequeños transformadores de alta frecuencia.Ahora, tales fuentes de energía son muy baratas, pero este no siempre ha sido el caso. En 1950, las fuentes de alimentación conmutadas eran complejas y caras, se usaban en tecnologías aeroespaciales y satelitales, que necesitaban una fuente de energía ligera y compacta. A principios de los años 70, los nuevos transistores de alto voltaje y otras mejoras tecnológicas hicieron que las fuentes fueran mucho más baratas y se utilizaron ampliamente en las computadoras. La introducción de controladores de un solo chip en 1976 hizo que los convertidores de potencia fueran aún más simples, más pequeños y más baratos.El uso de las fuentes de alimentación conmutadas por parte de Apple comenzó en 1977, cuando el ingeniero jefe Rod Holt diseñó la fuente de alimentación conmutada para el Apple II.De acuerdo con Steve Jobs:Esta fuente de alimentación conmutada fue tan revolucionaria como la lógica del Apple II. Rod no recibió mucho reconocimiento en las páginas de la historia, pero se lo merecía. Cada computadora ahora usa fuentes de alimentación conmutadas, y todas tienen una estructura similar a la inventada por Holt.
Esta es una cita maravillosa, pero no es del todo cierto. La revolución de las fuentes de poder ocurrió mucho antes. Robert Boschert (Robert Boschert), comenzó a vender fuentes de alimentación conmutadas en 1974 para todo el mundo, desde impresoras y computadoras hasta el caza F-14. El diseño de Apple era similar a los dispositivos anteriores y otras computadoras no usaban el diseño de Rod Holt. Sin embargo, Apple hace un uso extensivo de las fuentes de alimentación conmutadas y supera los límites del diseño del cargador con cargadores compactos, elegantes y avanzados.Que hay adentro
Para el análisis, tomamos el cargador de Macbook 85W modelo A1172, cuyas dimensiones son lo suficientemente pequeñas como para caber en la palma de su mano. La figura a continuación muestra varias características que pueden ayudar a distinguir el cargador original de las falsificaciones. Una manzana mordida en el caso es un atributo integral (lo que todos saben), pero hay un detalle que no siempre llama la atención. Los cargadores originales siempre deben tener un número de serie ubicado debajo del contacto con el suelo.
Por extraño que parezca, la mejor manera de abrir la carga es usar un cincel o algo similar y agregarle un poco de fuerza bruta. Apple inicialmente se opuso a cualquiera que abriera sus productos e inspeccionara los "interiores". Al quitar la caja de plástico, puede ver de inmediato los radiadores de metal. Ayudan a enfriar potentes semiconductores colocados dentro del cargador.
En la parte posterior del cargador puede ver la placa de circuito. Algunos componentes pequeños son visibles, pero la mayoría de los circuitos están ocultos debajo de radiadores metálicos sujetos con cinta aislante amarilla.
Miramos los radiadores y eso es suficiente. Para ver todos los detalles del dispositivo, por supuesto, debe quitar los radiadores. Significativamente, debajo de estas partes metálicas se esconden más componentes de los que cabría esperar de un bloque pequeño.
La siguiente imagen muestra los componentes principales del cargador. La alimentación de CA se suministra al cargador y ya está convertida allí a corriente continua. El esquema PFC (corrección del factor de potencia) mejora la eficiencia al proporcionar una carga estable en la línea de CA. Según las funciones factibles, es posible dividir la placa en dos partes: alto voltaje y bajo voltaje. La parte de alto voltaje de la placa junto con los componentes colocados en ella está diseñada para reducir el voltaje constante de alto voltaje y transferirlo al transformador. La parte de bajo voltaje recibe un voltaje constante de bajo voltaje del transformador y muestra un voltaje constante del nivel requerido a la computadora portátil. A continuación consideraremos estos esquemas con más detalle.
Entrada de CA al cargador
Se suministra voltaje alterno al cargador a través de un enchufe extraíble del cable de red. Una gran ventaja de cambiar las fuentes de alimentación es su capacidad para operar en una amplia gama de voltajes entrantes. Simplemente cambiando el enchufe, el cargador se puede usar en cualquier región del mundo, desde 240 voltios europeos a 50 hertzios hasta 120 voltios norteamericanos a una frecuencia de 60 hertzios. Los condensadores, filtros e inductores en la etapa de entrada evitan que la interferencia salga del cargador a través de las líneas de alimentación. El puente rectificador contiene cuatro diodos que convierten la corriente alterna en corriente continua.Mire este video para una demostración más visual de cómo funciona un puente rectificador.
PFC: suavizar el consumo de energía
El siguiente paso en la operación del cargador es el circuito de corrección del factor de potencia, marcado en púrpura. Uno de los problemas con los cargadores simples es que solo se cargan en una pequeña parte del ciclo de CA. Cuando esto se hace con un solo dispositivo, no hay problemas particulares, pero cuando hay miles de ellos, esto crea problemas para las compañías de energía. Es por eso que las reglas requieren que los cargadores usen la técnica de corrección del factor de potencia (usan la energía de manera más uniforme). Puede esperar que la transmisión de energía conmutada provoque un factor de potencia deficiente, que se enciende y apaga rápidamente, pero eso no es un problema. El problema surge debido al puente de diodo no lineal, que carga el condensador de entrada solo en los picos de la señal de CA. La idea de PFC esusar un convertidor de refuerzo de CC antes de cambiar la alimentación. Por lo tanto, la onda sinusoidal de la corriente de salida es proporcional a la forma de onda de la corriente alterna.El circuito PFC utiliza un transistor de potencia para cortar con precisión la entrada de CA decenas de miles de veces por segundo. Contrariamente a lo esperado, esto hace que la carga en la línea de CA sea más suave. Los dos componentes más grandes en el cargador son un inductor y un condensador PFC, que ayudan a aumentar el voltaje de CC a 380 voltios. El cargador utiliza el chip MC33368 para ejecutar el PFC.Conversión de energía primaria
El circuito de alto voltaje es el corazón del cargador. Recibe un alto voltaje de CC del circuito PFC, lo tritura y lo alimenta a un transformador para generar una señal de salida de bajo voltaje desde el cargador (16.5-18.5 voltios). El cargador utiliza un controlador resonante avanzado, que permite que el sistema funcione a una frecuencia muy alta de hasta 500 kilohercios. Una frecuencia más alta permite el uso de componentes más compactos dentro del cargador. El chip que se muestra a continuación controla la fuente de alimentación.Controlador SMPS: controlador resonante de alto voltaje L6599; por alguna razón etiquetada DAP015D. Utiliza una topología resonante de medio puente; En un circuito de medio puente, dos transistores controlan la potencia a través del convertidor. Las fuentes de alimentación conmutadas comunes utilizan un controlador PWM (modulación de ancho de pulso) que ajusta el tiempo de entrada. L6599 corrige la frecuencia del pulso en lugar de su pulso. Ambos transistores se encienden alternativamente durante el 50% del tiempo. Cuando la frecuencia aumenta por encima de la frecuencia de resonancia, la potencia cae, por lo que el control de frecuencia regula el voltaje de salida.
Dos transistores se encienden y apagan alternativamente para reducir el voltaje de entrada. El convertidor y el condensador resuenan a la misma frecuencia, suavizando la entrada interrumpida en la onda sinusoidal.Conversión de energía secundaria
La segunda mitad del circuito genera la salida del cargador. Recibe energía del convertidor y, utilizando diodos, la convierte en corriente continua. Los condensadores de filtro suavizan el voltaje que proviene del cargador a través del cable.El papel más importante de las partes de bajo voltaje del cargador es mantener el alto voltaje peligroso dentro del cargador para evitar una descarga potencialmente peligrosa en el dispositivo final. El espacio aislante, marcado con una línea roja punteada en la imagen de arriba, indica la separación entre la parte principal de alto voltaje y la parte de bajo voltaje del dispositivo. Ambos lados están separados el uno del otro a una distancia de aproximadamente 6 mm.El transformador transfiere energía entre los dispositivos primario y secundario utilizando campos magnéticos, en lugar de una conexión eléctrica directa. El cable en el transformador tiene triple aislamiento para mayor seguridad. Los cargadores baratos suelen ser tacaños con aislamiento. Esto plantea un riesgo de seguridad. El optoaislamiento utiliza un haz de luz interno para transmitir una señal de retroalimentación entre las partes de bajo y alto voltaje del cargador. El chip de control en la parte de alto voltaje del dispositivo utiliza una señal de retroalimentación para ajustar la frecuencia de conmutación para mantener estable el voltaje de salida.
Potente microprocesador dentro del cargador
Un componente inesperado del cargador es una placa de circuito en miniatura con un microcontrolador, que se puede ver en nuestro diagrama anterior. Este procesador de 16 bits monitorea constantemente el voltaje del cargador y el amperaje. Activa la transmisión cuando el cargador está conectado al MacBook y desactiva la transmisión cuando el cargador está desconectado. La desconexión del cargador ocurre si hay algún problema. Este microcontrolador MSP430 de Texas Instruments tiene aproximadamente la misma potencia que el procesador dentro del primer Macintosh original. El procesador en el cargador es un microcontrolador de baja potencia con 1 KB de memoria flash y solo 128 bytes de RAM. Incluye un convertidor analógico a digital de 16 bits de alta precisión.El microprocesador 68,000 del Apple Macintosh original y los 430 microcontroladores en el cargador no son comparables, ya que tienen diferentes diseños y conjuntos de instrucciones. Pero para una comparación aproximada: 68000 es un procesador de 16/32 bits que funciona a una frecuencia de 7,8 MHz, mientras que el MSP430 es un procesador de 16 bits que funciona a una frecuencia de 16 MHz. El MSP430 está diseñado para un bajo consumo de energía y utiliza aproximadamente el 1% de la fuente de alimentación de 68,000.
Las almohadillas doradas de la derecha se utilizan para programar el chip durante la producción. Un cargador MacBook de 60 vatios usa el procesador MSP430, pero un cargador de 85 vatios usa un procesador de uso general, que debe flashearse adicionalmente. Está programado con una interfaz Spy-Bi-Wire, que es una versión de dos hilos de la interfaz JTAG estándar de TI. Después de la programación, el fusible de seguridad en el chip se destruye para evitar que lea o cambie el firmware.El chip de tres pines a la izquierda (IC202) reduce los 16.5 voltios del cargador a 3.3 voltios requeridos por el procesador. El voltaje en el procesador no es proporcionado por un regulador de voltaje estándar, sino por medio del LT1460, que entrega 3.3 voltios con una precisión excepcionalmente alta de 0.075%.Muchos componentes pequeños en la parte inferior del cargador
Al voltear el cargador en la placa de circuito, puede ver docenas de pequeños componentes. El controlador PFC y el chip de fuente de alimentación (SMPS) son los principales circuitos integrados que controlan el cargador. El microcircuito de la fuente de voltaje de referencia es responsable de mantener un voltaje estable incluso cuando la temperatura cambia. El microcircuito de la fuente de voltaje de referencia es el TSM103 / A, que combina dos amplificadores operacionales y un enlace de 2.5 voltios en un circuito de un solo chip. Las propiedades de un semiconductor varían significativamente según la temperatura, por lo que mantener un voltaje estable no es una tarea fácil.Estos chips están rodeados de pequeñas resistencias, condensadores, diodos y otros componentes pequeños. MOS: transistor de salida, enciende y apaga la alimentación en la salida de acuerdo con las instrucciones del microcontrolador. A su izquierda hay resistencias que miden la corriente transmitida a la computadora portátil.
Un espacio de aislamiento (marcado en rojo) separa el alto voltaje del circuito de salida de bajo voltaje por seguridad. La línea roja discontinua muestra el límite de aislamiento que separa el lado de bajo voltaje del lado de alto voltaje. Los optoacopladores envían señales desde el lado de baja tensión al dispositivo principal, desconectando el cargador si hay un problema.Un poco sobre la puesta a tierra. Una resistencia de conexión a tierra de 1KΩ conecta el terminal de conexión a tierra de CA a la base en la salida del cargador. Cuatro resistencias de 9.1MΩ conectan la base de CC interna a la base de salida. Dado que cruzan la frontera del aislamiento, la seguridad es un problema. Su alta estabilidad evita el peligro de choque. Cuatro resistencias no son realmente necesarias, pero existe redundancia para garantizar la seguridad y la tolerancia a fallas del dispositivo. También hay un condensador Y (680pF, 250V) entre tierra interna y tierra de salida. Un fusible T5A (5A) protege la salida a tierra.Una razón para instalar una mayor cantidad de componentes de control de lo habitual en el cargador es el voltaje de salida variable. Para entregar 60 vatios de voltaje, el cargador proporciona 16.5 voltios con un nivel de resistencia de 3.6 ohmios. Para producir 85 vatios, el potencial aumenta a 18,5 voltios y la resistencia, respectivamente, es de 4,6 ohmios. Esto permite que el cargador sea compatible con computadoras portátiles que requieren diferentes voltajes. Cuando el potencial de corriente aumenta por encima de 3,6 amperios, el circuito aumenta gradualmente el voltaje de salida. El cargador se apaga con urgencia cuando el voltaje alcanza los 90 vatios.El esquema de control es bastante complejo. El voltaje de salida es controlado por un amplificador operacional en el chip TSM103 / A, que lo compara con el voltaje de referencia generado por el mismo chip. Este amplificador envía una señal de retroalimentación a través de un optoacoplador al chip de control SMPS en el lado de alto voltaje. Si el voltaje es demasiado alto, la señal de retroalimentación disminuye el voltaje y viceversa. Esta es una parte bastante simple, pero cuando el voltaje aumenta de 16.5 voltios a 18.5 voltios, las cosas se vuelven más complicadas.La corriente de salida crea un voltaje a través de resistencias con una pequeña resistencia de 0.005Ω cada una; se parecen más a cables que a resistencias. El amplificador operacional en el chip TSM103 / A amplifica este voltaje. Esta señal va al pequeño amplificador operacional TS321, que activa la acumulación cuando la señal coincide con 4.1A. Esta señal ingresa al circuito de control descrito anteriormente, aumentando el voltaje de salida. La señal de corriente también se incluye en el pequeño comparador TS391, que envía la señal al dispositivo de alto voltaje a través de otro optoacoplador para reducir el voltaje de salida. Este es un circuito de protección si el nivel de corriente es demasiado alto. Hay varios lugares en la placa de circuito donde se pueden instalar resistencias con resistencia cero (es decir, puentes) para cambiar la ganancia del amplificador operacional.Esto le permite ajustar la precisión de ganancia durante la fabricación.Enchufe Magsafe
El enchufe magnético Magsafe que se conecta al Macbook es más complejo de lo que parece a primera vista. Tiene cinco pines con resorte (conocidos como pines Pogo) para conectarse a una computadora, así como dos contactos de alimentación, dos pines de tierra. El pin central es una conexión para transferir datos a una computadora.
En el interior, Magsafe es un chip en miniatura que le dice a la computadora portátil el número de serie, el tipo y la potencia del cargador. La computadora portátil utiliza estos datos para determinar la originalidad del cargador. El chip también controla el indicador LED para determinar visualmente el estado. La computadora portátil no recibe datos directamente del cargador, sino solo a través del chip dentro de Magsafe.
Usar cargador
Es posible que haya notado que cuando conecta el cargador a la computadora portátil, se tarda uno o dos segundos antes de que se active el sensor LED. Durante este tiempo, se produce una interacción compleja entre el enchufe Magsafe, el cargador y el Macbook.Cuando el cargador se desconecta de la computadora portátil, el transistor de salida bloquea el voltaje de salida. Si mide el voltaje de un cargador MacBook, encontrará aproximadamente 6 voltios en lugar de los 16.5 voltios que esperaba ver. La razón es que la salida está apagada y usted mide el voltaje a través de la resistencia de derivación justo debajo del transistor de salida. Cuando el enchufe Magsafe está conectado al Macbook, comienza a acceder a bajo voltaje. El microcontrolador en el cargador lo detecta y en pocos segundos enciende la fuente de alimentación. Durante este tiempo, la computadora portátil logra obtener toda la información necesaria sobre el cargador del chip dentro de Magsafe. Si todo está bien, la computadora portátil comienza a consumir energía del cargador y envía una señal al indicador LED. Cuando el enchufe Magsafe está desconectado de la computadora portátil,El microcontrolador detecta una pérdida de corriente y apaga la fuente de alimentación, que también apaga los LED.Surge la pregunta lógica: ¿por qué el cargador de Apple es tan complicado? Otros cargadores de computadoras portátiles simplemente proporcionan 16 voltios y cuando se conectan a una computadora, suministran voltaje de inmediato. La razón principal son las preocupaciones de seguridad para garantizar que no se aplique voltaje hasta que los pines estén firmemente conectados a la computadora portátil. Esto minimiza el riesgo de chispas o arcos eléctricos al conectar el enchufe Magsafe.¿Por qué no deberías usar cargadores baratos?
El cargador original Macbook 85W cuesta $ 79. Pero por $ 14 puede comprar un cargo en eBay, exteriormente similar al original. Entonces, ¿qué obtienes por $ 65 adicionales? Comparemos la copia del cargador con el original. Desde el exterior, el cargador se ve exactamente como el 85W original de Apple. Excepto que falta el logotipo de Apple. Pero si miras dentro, las diferencias se hacen evidentes. Las fotos a continuación muestran un cargador Apple genuino a la izquierda y una copia a la derecha.
Una copia del cargador tiene dos veces menos partes que el original y el lugar en la placa de circuito está simplemente vacío. Si bien el cargador original de Apple está lleno de componentes, su copia no está diseñada para un mayor filtrado y regulación, y carece de un circuito PFC. El transformador en la copia del cargador (un gran rectángulo amarillo) es mucho más grande en tamaño que el modelo original. La frecuencia más alta del convertidor de resonancia avanzada de Apple permite utilizar un transformador más pequeño.
Al girar el cargador y examinar la placa de circuito, puede ver un circuito más complejo del cargador original. Una copia tiene solo un IC de control (en la esquina superior izquierda). Dado que el circuito PFC está completamente descartado. Además, el clon de carga es menos difícil de manejar y no tiene conexión a tierra. Entiendes lo que esto amenaza.Vale la pena señalar que una copia del cargador utiliza el chip controlador PWM verde Fairchild FAN7602, que es más avanzado de lo que cabría esperar. Creo que la mayoría esperaba ver algo así como un simple generador de transistores. Y además de las copias, a diferencia del original, se utiliza una placa de circuito impreso de una sola cara.De hecho, una copia del cargador es de mejor calidad de lo que cabría esperar, en comparación con las terribles copias de los cargadores para iPad y iPhone. Una copia del cargo para el MacBook no reduce todos los componentes posibles y utiliza un circuito moderadamente complejo. Este cargador también pone un ligero énfasis en la seguridad. Se aplica el aislamiento y la separación de componentes de secciones de alto y bajo voltaje, con la excepción de un error peligroso, que verá a continuación. El condensador Y (azul) se instaló torcida y peligrosamente cerca del contacto del optoacoplador en el lado de alto voltaje, creando un riesgo de descarga eléctrica.
Problemas originales de Apple
La ironía es que, a pesar de la complejidad y la atención al detalle, el cargador Apple MacBook no es un dispositivo sin problemas. En Internet puede encontrar muchas fotos diferentes de cargas quemadas, dañadas y simplemente inactivas. La parte más vulnerable del cargador original es precisamente el cable en el área del enchufe Magsafe. El cable es bastante frágil y se deshilacha rápidamente, lo que provoca daños, agotamiento o simplemente rotura. Apple proporciona instrucciones detalladas sobre cómo evitar daños en el cable, en lugar de simplemente proporcionar un cable más potente. Como resultado de la revisión en el sitio web de Apple, el cargador recibió solo 1.5 estrellas de 5 posibles.
Los cargadores de MacBook también pueden dejar de funcionar debido a problemas internos. Las fotos de arriba y abajo muestran marcas de quemaduras dentro de la carga fallida de Apple. Es imposible decir exactamente qué causó exactamente el incendio. Debido a un cortocircuito, la mitad de los componentes y una buena parte de la placa de circuito impreso se quemaron. En la parte inferior de la foto, aislamiento de silicona carbonizado para montar la placa.
¿Por qué los cargadores originales son tan caros?
Como puede ver, el cargador de Apple tiene un diseño más avanzado que las copias y tiene características de seguridad adicionales. Sin embargo, un cargador genuino cuesta $ 65 más y dudo que los componentes adicionales cuesten más de $ 10 - $ 15. La mayor parte del costo del cargador se destina al beneficio neto de la empresa. Según las estimaciones, el costo del iPhone 45% es el beneficio neto de la compañía. Los cargadores probablemente traigan aún más dinero. El precio original de Apple debería ser significativamente más bajo. El dispositivo tiene muchos componentes pequeños de resistencias, condensadores y transistores, cuyo precio varía en la región de un centavo. Los semiconductores, condensadores e inductores grandes cuestan mucho más, pero, por ejemplo, el procesador MSP430 de 16 bits cuesta solo $ 0,45.Apple explica el alto costo no solo con los costos de comercialización, etc., sino también con los altos costos del desarrollo de un modelo de cargador en particular. El libroEl diseño práctico de la fuente de alimentación conmutada estima 9 meses de tiempo de trabajo para diseñar y mejorar las fuentes de alimentación en la región de $ 200,000. La compañía vende alrededor de 20 millones de MacBooks por año. Si invierte el costo de desarrollo en el costo del dispositivo, será solo 1 centavo. Incluso si el costo de diseñar y desarrollar cargadores de Apple es 10 veces mayor, el precio no excederá los 10 centavos. A pesar de todo esto, no le recomiendo que ahorre dinero comprando análogos de un cargador y arriesgando su computadora portátil e incluso su salud.| Componente | Precio |
|---|
| Procesador MSP430F2003 | $ 0,45 |
| MC33368D chip PFC | $ 0.50 |
| Controlador L6599 | $ 1,62 |
| LT1460 3.3V | $ 1,46 |
| TSM103 / A | $ 0.16 |
| 2x P11NM60AFP 11A 60V MOSFET | $ 2.00 |
| 3x Optoacoplador Vishay | $ 0,48 |
| 2x 630V 0.47uF condensador de película | $ 0,88 |
| 4x 25V 680uF condensador electrolítico | $ 0.12 |
| Condensador electrolítico 420V 82uF | $ 0.93 |
| condensador de polipropileno X2 | $ 0.17 |
| 3x inductor toroidal | $ 0,75 |
| Puente de diodo 4A 600V | $ 0.40 |
| 2x diodos semiconductores Schottky 60V, 15A | $ 0.80 |
| 20NC603 MOSFET | $ 1.57 |
| transformador | $ 1.50 |
| Inductor de PFC | $ 1.50 |
Y por lo demás
Los usuarios no suelen estar interesados en lo que hay dentro del cargador. Pero hay muchas cosas interesantes. En apariencia, la carga simple utiliza tecnología avanzada, incluida la corrección del factor de potencia y una fuente de alimentación resonante, para producir 85 vatios de potencia en un módulo compacto. El cargador Macbook es una pieza de ingeniería impresionante. Al mismo tiempo, sus copias se esfuerzan por reducir al máximo el costo de todo lo que es posible. Por supuesto, esto es económico, pero también es un peligro para usted y su computadora portátil. Source: https://habr.com/ru/post/es391813/
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