🥑 💜 👨🏼‍🏫 里面有什么？拆卸MacBook充电器 💪🏻 🤯 🌤️

您是否想过MacBook充电器内有什么？紧凑型电源的细节远远超出您的预期，甚至包括微处理器。在本文中，我们将能够拆解MacBook充电器，以查看隐藏在其中的众多组件，并了解它们如何相互作用以安全地为计算机提供急需的电能。

从智能手机到电视，大多数消费类电子产品都使用脉冲电源将来自壁装电源插座的交流电转换为电子电路所用的低压直流电。开关电源，或更准确地说，低压电源-之所以得名，是因为它们每秒打开和关闭电源数千次。对于电压转换最有效。

开关电源的主要替代品是线性电源，它简单得多，并将过电压转换为热量。由于这种能量损失，线性电源的效率约为60％，而开关电源的效率约为85％。线性电源使用笨重的变压器，重量可达一公斤或更多，而开关电源可以使用纤巧的高频变压器。

现在，这种电源非常便宜，但情况并非总是如此。 1950年，开关电源复杂且昂贵，用于航空航天和卫星技术，需要轻巧紧凑的电源。到70年代初，新的高压晶体管和其他技术改进使信号源变得便宜得多，它们被广泛用于计算机中。 1976年单芯片控制器的推出使电源转换器更加简单，小型和便宜。

苹果公司从1977年开始使用开关电源，当时首席工程师Rod Holt为Apple II设计了开关电源。

根据史蒂夫·乔布斯的说法：

这种开关电源与Apple II的逻辑一样具有革命性。罗德（Rod）在历史上并未获得太多认可，但他应得的。现在每台计算机都使用开关电源，它们的结构都与Holt发明的开关电源相似。

这是一个很棒的报价，但并非完全正确。电源革命发生得更早了。Robert Boschert（Robert Boschert）于1974年开始销售开关电源，从打印机，计算机到F-14战斗机，应有尽有。苹果的设计类似于早期的设备，其他计算机没有使用Rod Holt的设计。但是，Apple广泛使用开关电源，并以紧凑，时尚和高级的充电器突破了充电器设计的界限。

里面有什么？

为了进行分析，我们选择了型号为A1172的Macbook 85W充电器，该充电器的尺寸小到可以放在您的手掌中。下图显示了一些功能，可以帮助区分原装充电器和假冒产品。外壳上被咬伤的苹果是一个不可或缺的属性（每个人都知道），但是有一个细节并不总是引起人们的注意。原装充电器必须始终在地面触点下方具有序列号。

听起来很奇怪，打开炸药的最佳方法是使用凿子或类似工具并对其加一点蛮力。苹果最初反对任何人打开他们的产品并检查“内幕”。卸下塑料盒，您可以立即看到金属散热器。它们有助于冷却充电器内部放置的强大半导体。

在充电器的背面，您可以看到电路板。可以看到一些微小的组件，但大多数电路隐藏在用黄色胶带固定的金属散热器下。

我们看着散热器，就足够了。要查看设备的所有详细信息，您当然需要卸下散热器。隐藏在这些金属零件下的组件比一小块中所预期的要多得多。

下图显示了充电器的主要组件。交流电源已提供给充电器，并且已经在此处转换为直流电。PFC（功率因数校正）方案通过在AC线路上提供稳定的负载来提高效率。根据可行的功能，可以将电路板分为两部分：高压和低压。电路板的高压部分及其上放置的组件旨在降低高压恒压并将其传输到变压器。低压部分从变压器接收恒定的低压电压，并向笔记本电脑显示所需水平的恒定电压。下面我们将更详细地考虑这些方案。

交流输入到充电器

交流电压通过网络电缆的可移动插头提供给充电器。开关电源的一大优势是它们能够在很宽的输入电压范围内工作。只需更换插头，充电器就可以在世界任何地区使用，从50赫兹的欧洲240伏到60赫兹的北美120伏。输入级的电容器，滤波器和电感器可防止干扰通过电源线离开充电器。桥式整流器包含四个将交流电转换为直流电的二极管。

观看此视频，以更直观的方式演示桥式整流器的工作原理。

PFC：平滑功耗

充电器工作的下一步是功率因数校正电路，用紫色标记。简单充电器的问题之一是它们只能在交流循环的一小部分中充电。当通过单个设备完成此操作时，没有特别的问题，但是当有成千上万的问题时，这给能源公司带来了麻烦。这就是为什么规则要求充电器使用功率因数校正技术（它们更均匀地使用能量）的原因。您可能希望功率因数不佳是由开关电源的传输引起的，该开关电源会快速打开和关闭，但这不是问题。出现问题的原因是非线性二极管电桥仅在交流信号的峰值处对输入电容器充电。 PFC的想法是在切换电源之前使用直流升压转换器。因此，输出电流的正弦波与交流电的波形成比例。

PFC电路使用功率晶体管来精确地将交流输入每秒斩波数万次。与预期相反，这使AC线路上的负载更平滑。充电器中最大的两个组件是电感器和PFC电容器，它们有助于将DC电压提高到380伏。充电器使用MC33368芯片运行PFC。

一次电源转换

高压电路是充电器的心脏。它从PFC电路接收高直流电压，将其磨碎，然后将其馈入变压器，以从充电器产生低电压输出信号（16.5-18.5伏）。充电器使用高级谐振控制器，该控制器可使系统以高达500 kHz的极高频率运行。较高的频率允许在充电器内部使用更紧凑的组件。下面显示的芯片控制电源。

SMPS控制器-L6599高压谐振控制器;由于某种原因，标记为DAP015D。它使用半桥谐振拓扑；在半桥电路中，两个晶体管控制通过转换器的功率。通用开关电源使用PWM（脉冲宽度调制）控制器来调节输入时间。 L6599校正脉冲的频率而不是脉冲的频率。两个晶体管交替导通50％的时间。当频率增加到高于谐振频率时，功率下降，因此频率控制将调节输出电压。

两个晶体管交替导通和截止以降低输入电压。转换器和电容器以相同的频率谐振，使中断的正弦波输入变得平滑。

二次电源转换

电路的后半部分产生充电器的输出。它从转换器接收功率，并使用二极管将其转换为直流电。滤波电容器可以平滑充电器通过电缆产生的电压。

充电器低压部分的最重要作用是将危险的高压保持在充电器内部，以避免对终端设备造成潜在的危险电击。上图中用红色虚线标记的绝缘间隙表示设备的主要高压部分和低压部分之间的间隔。两侧彼此分开约6毫米的距离。

变压器使用磁场而不是直接电连接在一次设备和二次设备之间传输功率。变压器中的电线具有三层绝缘，以确保安全。廉价充电器通常带有绝缘材料。这带来了安全风险。光电隔离使用内部光束在充电器的低压部分和高压部分之间传输反馈信号。设备高压部分的控制芯片使用反馈信号来调节开关频率，以保持输出电压稳定。

充电器内强大的微处理器

充电器的意外组件是带有微控制器的微型电路板，可以在上图中看到。这个16位处理器不断监控充电器的电压和安培数。当充电器连接到MacBook时，它将启用传输；当充电器断开连接时，它将禁用传输。如有任何问题，将断开充电器的连接。该德州仪器（TI）MSP430微控制器与第一台原始Macintosh内的处理器具有相同的功率。充电器中的处理器是低功耗微控制器，具有1 KB的闪存和仅128字节的RAM。它包括一个高精度的16位模数转换器。

原始Apple Macintosh的68,000个微处理器和充电器中的430个微控制器无法比较，因为它们具有不同的设计和指令集。但作一个粗略的比较：68000是一个以7.8 MHz的频率运行的16/32位处理器，而MSP430是一个以16 MHz的频率运行的16位处理器。 MSP430专为低功耗而设计，并使用约68,000的电源的1％。

右侧的镀金焊盘用于在生产过程中对芯片进行编程。一个60瓦的MacBook充电器使用MSP430处理器，但是一个85瓦的充电器使用一个通用处理器，必须对其进行额外的闪存。它使用Spy-Bi-Wire接口编程，这是TI标准JTAG接口的两线版本。编程后，芯片中的安全保险丝被破坏，以防止其读取或更改固件。

左侧的三针芯片（IC202）将充电器的16.5伏降低到处理器所需的3.3伏。处理器上的电压不是由标准稳压器提供的，而是由LT1460提供的，该器件提供3.3V的电压，具有0.075％的超高精度。

充电器底部的许多微小组件

通过翻转电路板上的充电器，您可以看到许多微小的组件。PFC控制器和电源芯片（SMPS）是控制充电器的主要集成电路。基准电压源的微电路即使在温度变化时也能保持稳定的电压。基准电压源微电路是TSM103 / A，它在单个芯片电路中结合了两个运算放大器和一个2.5伏链路。半导体的特性随温度的变化而显着变化，因此保持稳定的电压并非易事。

这些芯片被微小的电阻器，电容器，二极管和其他小型组件包围。 MOS-输出晶体管，根据微控制器的指令打开和关闭输出处的电源。在他的左边是测量传输到笔记本电脑的电流的电阻器。

为了安全起见，隔离间隙（红色标记）将高压与低压输出电路分开。红色虚线表示将低压侧与高压侧分隔开的绝缘边界。光耦合器从低压侧向主机发送信号，如果有问题，则断开充电器的连接。

关于接地的一点点。一个1KΩ的接地电阻将AC接地端子连接到充电器输出端的基座。四个9.1MΩ电阻将内部DC基极连接到输出基极。由于它们跨越了隔离的边界，因此安全性成为问题。它们的高稳定性避免了电击的危险。并不一定需要四个电阻，但是存在冗余以确保设备的安全性和容错能力。内部接地和输出接地之间还有一个Y电容器（680pF，250V）。 T5A保险丝（5A）保护接地输出。

在充电器上安装比平常数量更多的控制组件的原因之一是可变输出电压。为了发出60瓦的电压，充电器提供16.5伏的电压，电阻值为3.6欧姆。为了产生85瓦，电势升至18.5伏，电阻分别为4.6欧姆。这样可使充电器与需要不同电压的笔记本电脑兼容。当电流电势增加到3.6安培以上时，电路会逐渐增加输出电压。当电压达到90瓦时，充电器紧急关闭。

控制方案非常复杂。输出电压由TSM103 / A芯片中的运算放大器控制，将其与同一芯片产生的参考电压进行比较。该放大器通过光耦合器将反馈信号发送到高压侧的SMPS控制芯片。如果电压过高，则反馈信号会降低电压，反之亦然。这是相当简单的部分，但是当电压从16.5伏升到18.5伏时，情况就变得更加复杂。

输出电流在电阻两端产生一个电压，每个电阻的微小电阻为0.005Ω-与电阻相比，它们看起来更像电线。 TSM103 / A芯片中的运算放大器会放大此电压。该信号到达微小的运算放大器TS321，当信号与4.1A匹配时，它会触发累积信号。该信号进入先前描述的控制电路，从而增加输出电压。电流信号也包含在微小的比较器TS391中，该比较器通过另一个光耦合器将信号发送到高压设备，以降低输出电压。如果电流水平过高，这是一个保护电路。电路板上有几个地方可以安装零电阻的电阻（即跳线）来改变运算放大器的增益。这使您可以在制造过程中调整增益精度。

Magsafe插头

连接到Macbook的Magsafe磁性插头比乍看之下要复杂得多。它有五个用于连接计算机的弹簧式插针（称为Pogo插针），以及两个电源触点，两个接地插针。中间引脚是用于将数据传输到计算机的连接。

在内部，Magsafe是一个微型芯片，可以告诉笔记本电脑充电器的序列号，类型和电源。笔记本电脑使用此数据来确定充电器的原始性。该芯片还控制LED指示器以可视方式确定状态。笔记本电脑不会直接从充电器接收数据，而只能通过Magsafe内部的芯片接收数据。

使用充电器

您可能已经注意到，将充电器连接到笔记本电脑时，LED传感器触发需要一到两秒钟。在这段时间内，Magsafe插头，充电器和Macbook本身之间会发生复杂的相互作用。

当充电器与笔记本电脑断开连接时，输出晶体管会阻止输出电压。如果您从MacBook充电器上测量电压，您会发现大约6伏，而不是您希望看到的16.5伏。原因是输出被关闭，您通过输出晶体管正下方的旁路电阻测量电压。将Magsafe插头连接到Macbook时，它开始获得低压。充电器中的微控制器检测到此情况，并在几秒钟内打开电源。在这段时间内，笔记本电脑设法从Magsafe内部的芯片中获取有关充电器的所有必要信息。如果一切正常，笔记本电脑将开始消耗充电器的电量，并向LED指示灯发送信号。将Magsafe插头从笔记本电脑上断开后，微控制器检测到电流损失并关闭电源，这也关闭了LED。

逻辑上出现了一个问题-为什么Apple充电器如此复杂？其他笔记本电脑充电器仅提供16伏特，当连接到计算机时，它们会立即提供电压。主要原因是出于安全方面的考虑，以确保在将引脚牢固连接至膝上型计算机之前不施加电压。连接Magsafe插头时，这将火花或电弧的风险降到最低。

为什么不应该使用便宜的充电器

最初的Macbook 85W充电器售价为79美元。但是只要花14美元，您就可以在eBay上购买一笔费用，外观与原始费用类似。那么，您多花65美元又能得到什么呢？让我们将充电器的副本与原始副本进行比较。从外部看，充电器看上去完全像苹果公司最初的85W。除了缺少苹果徽标本身。但是，如果您向里看，差异就会变得明显。下面的照片在左侧显示一个原装的Apple充电器，在右侧显示一个副本。

充电器的副本零件比原始零件少两倍，并且电路板上的位置完全空了。虽然真正的Apple充电器中装有组件，但其副本并非旨在进行更多过滤和调节，并且缺少PFC电路。充电器副本中的变压器（一个大的黄色矩形）在尺寸上比原始模型大得多。苹果公司的高级谐振转换器的较高频率允许使用更小的变压器。

翻转充电器并检查电路板，您会看到原始充电器的电路更加复杂。副本只有一个控制IC（在左上角）。由于PFC电路被完全丢弃。此外，充电克隆的管理难度较小，并且没有接地。您了解这会带来什么威胁。

值得注意的是，充电器的副本使用了飞兆半导体FAN7602绿色PWM控制器芯片，它比您预期的要先进。我认为大多数人希望看到类似简单的晶体管发生器的东西。除了原件以外，还使用单面印刷电路板。

实际上，与糟糕的iPad和iPhone充电器相比，充电器的质量比您预期的要好。MacBook的费用副本不会减少所有可能的组件，并且会使用适度复杂的电路。该充电器还稍微强调安全性。除一个危险错误外，将进行高压和低压部分的组件隔离和分离，您将在下面看到。电容器Y（蓝色）弯曲且危险地安装在高压侧的光耦合器触点附近，存在电击危险。

苹果原版

具有讽刺意味的是，尽管复杂且注重细节，但Apple MacBook充电器并非无故障设备。在Internet上，您可以找到许多不同的照片，包括烧毁，损坏和只是闲置的费用。原始充电器中最容易损坏的部分就是Magsafe插头区域中的电线。电缆非常脆弱，并且会快速磨损，从而导致损坏，烧毁或断裂。 Apple提供了有关如何避免电缆损坏的详细说明，而不仅仅是提供功能更强大的电缆。由于Apple网站上的审核结果，该充电器仅在5颗满分中获得1.5颗星。

MacBook充电器也可能由于内部问题而停止工作。上方和下方的照片在Apple的失败充电中显示了燃烧痕迹。无法确切地说出是什么原因引起了火灾。由于短路，一半的元件和大部分印刷电路板烧坏了。在照片的底部，烧焦的硅树脂绝缘层用于安装电路板。

为什么原装充电器如此昂贵？

如您所见，Apple充电器的设计比复制品更为先进，并具有其他安全功能。但是，一个真正的充电器要多花65美元，我怀疑额外的配件要多花10到15美元。充电器的大部分成本都进入了公司的净利润中。据测算，iPhone成本的45％是该公司的净利润。充电器可能带来更多的钱。苹果的原始价格应该大大降低。该器件具有许多微小的电阻，电容和晶体管组件，其价格在1美分左右。大型半导体，电容器和电感器的成本自然要高得多，但是例如16位MSP430处理器的成本仅为0.45美元。苹果公司解释说，高成本不仅与营销成本等有关，而且与特定充电器型号的开发成本高有关。这本书《实用开关电源设计》估计，设计和改进电源的9个月的工作时间约为200,000美元，该公司每年销售约2,000万台MacBook。如果您将开发成本投资在设备成本上，则仅为1美分。即使Apple设计和开发充电器的成本高出10倍，价格也不会超过10美分。尽管如此，我不建议您通过购买充电器的类似物来省钱，否则会冒着笔记本甚至健康的危险。

组成部分	价钱
MSP430F2003处理器	$ 0.45
MC33368D PFC芯片	$ 0.50
L6599控制器	$ 1.62
LT1460 3.3V	$ 1.46
TSM103 / A	$ 0.16
2个P11NM60AFP 11A 60V MOSFET	$ 2.00
3x Vishay光耦合器	$ 0.48
2个630V 0.47uF薄膜电容器	$ 0.88
4个25V 680uF电解电容器	$ 0.12
420V 82uF电解电容器	$ 0.93
聚丙烯电容器X2	$ 0.17
3个环形电感	$ 0.75
4A 600V二极管电桥	$ 0.40
2个肖特基半导体二极管60V，15A	$ 0.80
20NC603 MOSFET	$ 1.57
变压器	$ 1.50
PFC电感	$ 1.50

其余的

用户对充电器内部的东西并不经常感兴趣。但是有很多有趣的事情。在外观上，简单充电使用包括功率因数校正和谐振电源在内的先进技术在紧凑的模块中产生85瓦的功率。Macbook充电器是一项令人印象深刻的工程。同时，它的副本努力将所有可能的成本降低到最大。这当然很经济，但也对您和您的笔记本电脑构成危险。

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