深度測(cè)評(píng)、拆解！蘋果PD3.1 140W快充

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李誠）10月19日，蘋果官網(wǎng)上架了首款140W氮化鎵USB-C快充電源適配器。經(jīng)蘋果官方證實(shí)，該電源適配器是全球首款支持PD 3.1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的快充產(chǎn)品。
為滿足蘋果全系產(chǎn)品的充電需求，目前蘋果支持PD協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品已覆蓋5V/3A至28V/5A，15W至140W不同等級(jí)的輸出功率。其中，140W電源適配器的官網(wǎng)售價(jià)為729元，是目前氮化鎵快充市場(chǎng)消費(fèi)類產(chǎn)品中價(jià)格最高的電源適配器。昂貴的電源適配器性能究竟如何、與常規(guī)氮化鎵電源適配器有何不同？為解答這一疑惑，電子發(fā)燒友網(wǎng)聯(lián)同資深FAE工程師馬坤，對(duì)蘋果的140W電源適配器進(jìn)行了深度的拆解測(cè)評(píng)。

從適配器的整體來看，元器件的布局非常緊湊。為減小產(chǎn)品的體積，提升便攜性，采用了0402、0201甚至更小封裝的電容、電阻，這些小封裝元器件的使用，給貼裝生產(chǎn)過程帶來了極高的挑戰(zhàn)性，體現(xiàn)了蘋果一貫以來高水準(zhǔn)的做工要求，同時(shí)也提高了電源適配器的功率密度。

另辟蹊徑的電源架構(gòu)

通過拆解發(fā)現(xiàn)，蘋果的140W電源適配器的電路架構(gòu)和硬件的使用，與其他廠商同類型的產(chǎn)品略有不同。目前業(yè)內(nèi)使用的電源架構(gòu)多為PFC+LLC+Buck，將DC/DC Buck電路設(shè)計(jì)在次級(jí)端，介于LLC控制器與協(xié)議控制芯片之間，主要是用于協(xié)議芯片完成協(xié)議認(rèn)證后，對(duì)輸出電壓、電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證功率輸出的準(zhǔn)確性。

上圖為蘋果140W電源適配器電路拓?fù)鋱D，從電路拓?fù)淇梢钥闯?，這款產(chǎn)品的次級(jí)端并未設(shè)計(jì)DC/DC Buck電路，而是將DC/DC Buck電路中置在PFC與LLC之間。在評(píng)測(cè)過程中，通過協(xié)議誘導(dǎo)的方式，對(duì)電源適配器輸出電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使次級(jí)端并未設(shè)計(jì)DC/DC Buck電路，電源適配器依舊能根據(jù)協(xié)議需求輸出5V/9V/15V/21V不同等級(jí)的電壓。為進(jìn)一步了解輸出電壓調(diào)節(jié)的工作原理，對(duì)LLC電路的輸入端進(jìn)行了檢測(cè)，當(dāng)USB-C口輸出端電壓分別為5V/9V/15V/21V時(shí)，LLC電路的輸入端電壓分別為57V/97V/163V/224V，通過測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，這款電源適配器是通過改變輸入電壓，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。


在通常情況下，DC/DC Buck在次級(jí)端應(yīng)用時(shí)會(huì)與充電協(xié)議芯片相連，DC/DC Buck的工作負(fù)載會(huì)轉(zhuǎn)移至協(xié)議芯片上，增加協(xié)議芯片的負(fù)擔(dān)，并且還需要一顆專用的MCU對(duì)電路進(jìn)行控制。中置DC/DC Buck電路，不僅減輕了協(xié)議芯片的工作量，還減少了MCU的使用。通過觀察蘋果140W電源適配器電路發(fā)現(xiàn)，該適配器僅通過一顆ST STM32G071KB M0內(nèi)核的主控MCU，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整流橋控制器、Buck控制器、LLC控制器的控制。不僅降低了產(chǎn)品的成本，節(jié)省了PCB的空間，還提高了產(chǎn)品的功率密度。

MOS管替代二極管解決整流橋高溫問題

氮化鎵電源適配器與傳統(tǒng)硅基電源適配器相比，氮化鎵的耐高溫能力和散熱能力都有顯著的提升，但電源適配器溫度過高的問題依舊存在。
上圖為一款輸出功率為150W，功率密度為1.56W/CC的電源適配器，經(jīng)熱成像儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，發(fā)熱量最高的并不是參與升壓的PFC MOS管，也不是LLC MOS管，而是在電源輸入部分的整流橋，溫度達(dá)到了117℃。大功率電路整流橋長(zhǎng)時(shí)間工作，溫度升高是普遍存在的現(xiàn)象。蘋果的140W電源適配器也針對(duì)整流橋溫度過高的問題進(jìn)行了優(yōu)化。

傳統(tǒng)電源適配器的整流橋通常采用兩個(gè)二極管串聯(lián)，再將兩組二極管并聯(lián)的方式構(gòu)成整流橋，并對(duì)輸入端電路進(jìn)行整流。蘋果在整流橋方面進(jìn)行了創(chuàng)新，采用了有源整流的方式，用兩顆MOS管代替二極管，通過MOS管使耗能降低、提高效率并減少整流橋的發(fā)熱量。有源整流橋雖然對(duì)適配器的熱量起到了控制作用，但又面臨成本的問題。MOS管與二極管相比，價(jià)格差距很大，同時(shí)有源整流橋需要與專用的控制芯片配套使用，這兩點(diǎn)都提高了蘋果140W電源適配器的成本。

產(chǎn)品用料

在用料方面，蘋果的140W電源適配器采用的是ST STM32G071KB M0內(nèi)核MCU，用于電源初級(jí)驅(qū)動(dòng)控制，該MCU內(nèi)置128K閃存，36K內(nèi)存，主頻峰值可達(dá)64MHz。同時(shí)還采用了兩顆ST的PFC升壓MOS管和恩智浦TEA19162T PFC升壓控制器。電源輸入端整流橋，均采用的是英飛凌的二極管與MOS管，PFC整流二極管采用的是安森美600V/10A的FES10J超快恢復(fù)二極管。氮化鎵開關(guān)管采用的是GaN Systems的增強(qiáng)型開關(guān)管，安森美的SC278A芯片作為氮化鎵開關(guān)管驅(qū)動(dòng)器。同步整流控制器和整流管均采用安森美的產(chǎn)品，并且PD 3.1的協(xié)議芯片也是向首發(fā)PD 3.1協(xié)議芯片的英飛凌進(jìn)行定制的。這么多來自國際大廠的元器件，再次坐實(shí)了蘋果“堆料王”的稱號(hào)。

結(jié)語

通過本次對(duì)蘋果的140W電源適配器的拆解發(fā)現(xiàn)，蘋果的這款產(chǎn)品在很多方面做了創(chuàng)新，如通過調(diào)整DC/DC Buck的位置減少M(fèi)CU的用量，以及使用MOS管替換二極管降低能耗，減少發(fā)熱量等，這些都是在其他的電源適配器中沒有的。這款電源適配器通過扎實(shí)的用料和高水準(zhǔn)的做工，體現(xiàn)了蘋果一貫的產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)格。