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深度拆解测评!全球首款苹果PD3.1 140W快充

海明观察 来源:电子发烧友网 作者:李诚 2021-11-28 10:19 次阅读
电子发烧友网报道(文/李诚)10月19日,苹果官网上架了首款140W氮化镓USB-C快充电源适配器。经苹果官方证实,该电源适配器是全球首款支持PD 3.1协议标准的快充产品。

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图源:苹果官网
为满足苹果全系产品的充电需求,目前苹果支持PD协议标准的产品已覆盖5V/3A至28V/5A,15W至140W不同等级的输出功率。其中,140W电源适配器的官网售价为729元,是目前氮化镓快充市场消费类产品中价格最高的电源适配器。昂贵的电源适配器性能究竟如何、与常规氮化镓电源适配器有何不同?为解答这一疑惑,电子发烧友网联同资深FAE工程师马坤,对苹果的140W电源适配器进行了深度的拆解测评。


图源:工程师马坤 摄
从适配器的整体来看,元器件的布局非常紧凑。为减小产品的体积,提升便携性,采用了0402、0201甚至更小封装的电容电阻,这些小封装元器件的使用,给贴装生产过程带来了极高的挑战性,体现了苹果一贯以来高水准的做工要求,同时也提高了电源适配器的功率密度。

另辟蹊径的电源架构

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苹果140W电路拓扑 图源:工程师马坤
上图为苹果140W电源适配器电路拓扑图,从电路拓扑可以看出,这款产品的次级端并未设计DC/DC Buck电路,而是将DC/DC Buck电路中置在PFC与LLC之间。在评测过程中,通过协议诱导的方式,对电源适配器输出电压进行测量时发现,即使次级端并未设计DC/DC Buck电路,电源适配器依旧能根据协议需求输出5V/9V/15V/21V不同等级的电压。为进一步了解输出电压调节的工作原理,对LLC电路的输入端进行了检测,当USB-C口输出端电压分别为5V/9V/15V/21V时,LLC电路的输入端电压分别为57V/97V/163V/224V,通过测量数据发现,这款电源适配器是通过改变输入电压,实现输出电压的调节。

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MCU控制电路拓扑 图源:工程师马坤
在通常情况下,DC/DC Buck在次级端应用时会与充电协议芯片相连,DC/DC Buck的工作负载会转移至协议芯片上,增加协议芯片的负担,并且还需要一颗专用的MCU对电路进行控制。中置DC/DC Buck电路,不仅减轻了协议芯片的工作量,还减少了MCU的使用。通过观察苹果140W电源适配器电路发现,该适配器仅通过一颗ST STM32G071KB M0内核的主控MCU,即可实现对整流桥控制器、Buck控制器、LLC控制器的控制。不仅降低了产品的成本,节省了PCB的空间,还提高了产品的功率密度。

MOS管替代二极管解决整流桥高温问题

氮化镓电源适配器与传统硅基电源适配器相比,氮化镓的耐高温能力和散热能力都有显著的提升,但电源适配器温度过高的问题依旧存在。

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150W电源适配器热成像及温度参数 图源:工程师马坤
上图为一款输出功率为150W,功率密度为1.56W/CC的电源适配器,经热成像仪检测发现,发热量最高的并不是参与升压的PFC MOS管,也不是LLC MOS管,而是在电源输入部分的整流桥,温度达到了117℃。大功率电路整流桥长时间工作,温度升高是普遍存在的现象。苹果的140W电源适配器也针对整流桥温度过高的问题进行了优化。

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苹果140W电源适配器整流桥电路拓扑 图源:工程师马坤
传统电源适配器的整流桥通常采用两个二极管串联,再将两组二极管并联的方式构成整流桥,并对输入端电路进行整流。苹果在整流桥方面进行了创新,采用了有源整流的方式,用两颗MOS管代替二极管,通过MOS管使耗能降低、提高效率并减少整流桥的发热量。有源整流桥虽然对适配器的热量起到了控制作用,但又面临成本的问题。MOS管与二极管相比,价格差距很大,同时有源整流桥需要与专用的控制芯片配套使用,这两点都提高了苹果140W电源适配器的成本。

产品用料

在用料方面,苹果的140W电源适配器采用的是ST STM32G071KB M0内核MCU,用于电源初级驱动控制,该MCU内置128K闪存,36K内存,主频峰值可达64MHz。同时还采用了两颗ST的PFC升压MOS管和恩智浦TEA19162T PFC升压控制器。电源输入端整流桥,均采用的是英飞凌的二极管与MOS管,PFC整流二极管采用的是安森美600V/10A的FES10J超快恢复二极管。氮化镓开关管采用的是GaN Systems的增强型开关管,安森美的SC278A芯片作为氮化镓开关管驱动器。同步整流控制器和整流管均采用安森美的产品,并且PD 3.1的协议芯片也是向首发PD 3.1协议芯片的英飞凌进行定制的。这么多来自国际大厂的元器件,再次坐实了苹果“堆料王”的称号。

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结语

通过本次对苹果的140W电源适配器的拆解发现,苹果的这款产品在很多方面做了创新,如通过调整DC/DC Buck的位置减少MCU的用量,以及使用MOS管替换二极管降低能耗,减少发热量等,这些都是在其他的电源适配器中没有的。这款电源适配器通过扎实的用料和高水准的做工,体现了苹果一贯的产品设计风格。
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    简介:      随着人们越来越注重生活品质,为满足市场的需求,各种便携式设备开始进入高速发展时期。电动...
    发表于 12-10 16:07 2756次 阅读

    电动牙刷大揭秘(工作原理+拆解过程+控制器设计)

    电动牙刷是近几年出现的新产品,在国外已掀起了口腔保健领域的一场革命。电动牙刷通过电动机芯的快速旋转或震动,使刷头产生高频...
    发表于 12-10 14:13 30644次 阅读

    Bling,Bling,Bling…iPhone X拆机众筹成功啦!现场拆机免费直播也来啦!

    `多谢各位搞机咖的鼎力相助iPhone X众筹成功啦!Bling,Bling,Bling…免费拆机直播通道来啦! 在外地,工作忙,行程撞期…...
    发表于 10-31 09:31 4216次 阅读
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