L’alimentatore del MacBook è veramente di qualità?

La maggior parte dei prodotti elettronici di consumo, dal telefono cellulare al televisore, utilizza alimentatori switching per la conversione della potenza AC in DC a bassa tensione utilizzata dai circuiti microelettronici. L'alimentatore switching prende il suo nome dal processo di lavoro che si rivela essere un modo molto efficace per eseguire la conversione energetica. Il coinvolgimento di Apple con alimentatori switching risale al 1977, quando l'ingegnere capo di Apple Rod Holt ne progettò uno per l'Apple II. Secondo Steve Jobs fu un passo decisivo nella storia degli alimentatori. Vi siete mai chiesti cosa c'è dentro l’alimentatore del vostro Macbook? Come è fatto il PCB e quali componenti sono utilizzati per la progettazione ? C'è molto di più di quanto ci si aspetterebbe, tra cui un microcontrollore e una serie di circuiti di controllo per una corretta gestione della potenza. In questo articolo esamineremo l'interno di un alimentatore MacBook analizzando i vari componenti impiegati nel design. 

La struttura dell’alimentatore MacBook

Il classico alimentatore MacBook 85 W modello A1172 è molto piccolo da stare nel palmo di una mano (figura 1). Con il case aperto, sono visualizzati in figura 2 i dissipatori di calore metallici i quali aiutano il raffreddamento dei semiconduttori ad alta potenza situati all'interno del dispositivo.

Figura 1: Alimentatore MacBook 85 W Modello A1172

Figura 1: Alimentatore MacBook 85 W Modello A1172

 

Figura 2: L’interno dell’alimentatore MacBook 85 W Modello A1172

Figura 2: L’interno dell’alimentatore MacBook 85 W Modello A1172

L'altro lato (Figura 3) mostra il circuito con il cavo di uscita visualizzato in basso. Alcuni dei componenti minuscoli sono visibili, ma la maggior parte è incluso nel dissipatore metallico, trattenuto dal nastro isolante giallo.

Figura 3: Un altro lato interno dell’alimentatore MacBook 85 W Modello A1172

Figura 3: L'altro lato interno dell’alimentatore MacBook 85 W Modello A1172

Dopo aver rimosso i dissipatori di calore metallici, otteniamo la visuale complessiva del nostro alimentatore con tutti componenti visualizzati in figura 4.

Figura 4: Vista "esplosa" del caricatore di Apple 85W

Figura 4: Vista "esplosa" dell'alimentatore di Apple da 85W

Nello schema di figura 5, invece, etichettiamo i principali componenti del caricabatterie.

Figura 5: Identificazione dei componenti interni ad un alimentatore MacBook

Figura 5: Identificazione dei componenti interni ad un alimentatore MacBook

Descrizione dei componenti

Un grande vantaggio degli alimentatori switching è il fatto che possono essere progettati per funzionare su un'ampia gamma di tensione in ingresso. Semplicemente sostituendo la spina, il dispositivo può essere utilizzato in qualsiasi regione del mondo: dai 220 volt - 50 Hertz, passando per i 120 volt - 60 Hz. I condensatori di filtro e gli induttori di fase in ingresso evitano le interferenze attraverso le linee elettriche. Il raddrizzatore a ponte contiene quattro diodi che convertono la corrente alternata in continua (figura 6).

Figura 6: L’ingresso del caricabatteria della Apple

Figura 6: L’ingresso del caricabatteria della Apple

Il passo successivo nel funzionamento del caricabatteria è il circuito di correzione del fattore di potenza (PFC), etichettato in viola (figura 5), che migliora l’efficienza del sistema attraverso un transistor di potenza. Il circuito primario è il cuore del caricabatteria per generare tensione di uscita bassa dell'ordine di 16.5-18.5 volt. Il dispositivo di alimentazione utilizza un controller di risonanza che permette al sistema di funzionare ad una frequenza molto elevata, fino a 500 KHz. Lavorare con frequenze elevate superiori a circa 200 kHz, permette di usare componenti molto più piccoli per ottenere un'caricabatteria più compatto (Figura 7).

Figura 7: Il chip per il controllo del circuito di alimentazione switching

Figura 7: Il chip per il controllo del circuito di alimentazione switching

Il ruolo più importante del circuito secondario è quello di mantenere le alte tensioni pericolose nel resto del caricabatteria lontano dall'uscita, per evitare shock potenzialmente mortali. Il limite di isolamento segnato in rosso nel diagramma di figura 5 indica la separazione tra il primario di alta tensione e il secondario di bassa tensione. Le due parti sono separate da una distanza di circa 6 mm, e solo componenti “speciali” possono attraversare questa linea.  Il trasformatore "trasmette" una potenza adeguata tra il primario ed il secondario utilizzando campi magnetici anzichè una connessione elettrica diretta. Le bobine di filo all'interno del trasformatore sono a triplo isolamento per garantire una maggiore sicurezza. I caricabatterie economici (contraffatti) di solito trascurano l'isolamento con un deciso rischio per la sicurezza.  L'isolatore ottico utilizza un fascio di luce interna per trasmettere un segnale di retroazione tra il secondario e primario. Il chip di controllo sul lato primario utilizza questo segnale di retroazione per regolare la frequenza di commutazione e per mantenere stabile la tensione di uscita (Figura 8).

Figura 8: I componenti di uscita di un alimentatore Apple

Figura 8: I componenti di uscita di un alimentatore Apple

Una parte inattesa è un circuito a microcontrollore 16 bit visualizzato in figura 9 che controlla costantemente la tensione e la corrente del caricabatteria. La funzione principale è quella di abilitare/disabilitare l'uscita quando il caricabatteria è collegato/scollegato ad un MacBook o intervenire disattivando l'uscita se si verificano dei problemi.

Figura 9: Il microcontrollore MSP340

Figura 9: Il circuito a microcontrollore MSP340

Il chip controller PFC e SMPS sono i principali circuiti integrati che controllano il dispositivo (figura 10). I vantaggi principali risiedono in una maggiore efficienza rispetto ai regolatori lineari poichè il transistor di commutazione dissipa poca potenza quando agisce come un interruttore.  Altri vantaggi includono le dimensioni più piccole e leggere derivanti dall'eliminazione dei trasformatori pesanti. Inoltre, il chip di voltage reference è responsabile di mantenere la tensione stabile anche al variare della temperatura. Questi chip sono circondati da minuscoli resistori, condensatori, diodi e altri componenti di caratterizzazione. Il transistore di uscita MOSFET commuta la potenza d'uscita in on e off come indicato dal microcontrollore. A sinistra di esso, le resistenze di rilevamento misurano la corrente che scorre nel computer portatile (Figura 10).

Figura 10: il PCB dell’alimentatore Apple

Figura 10: il PCB dell’alimentatore Apple con gli altri componenti posizionati sull'altra faccia

Il confine di isolamento (segnato in rosso) separa il circuito ad alta tensione dai componenti di uscita a bassa tensione per una maggiore sicurezza. La linea rossa tratteggiata mostra il confine che separa il lato di bassa tensione (in basso a destra) dal lato di alta tensione. Gli optoisolatori inviano segnali di controllo dal lato secondario al primario, e arrestano il caricabatteria se è presente un guasto. La tensione di uscita variabile è uno dei principali motivi della presenza di molti componenti circuitali di controllo rispetto ad un tipico alimentatore commerciale. Per produrre 60 watt, il caricabatteria deve fornire 16,5 volt a 3,6 ampere. Per 85 watt, invece, la tensione aumenta a 18,5 volt a 4,6 ampere.

All'interno del connettore MagSafe

Il connettore MagSafe magnetico che si inserisce nel MacBook è molto complesso ed è dotato di cinque pin. Due sono l’alimentazione, altri due la massa, e il pin centrale è una connessione dati al computer portatile. I pin sono disposti simmetricamente, quindi il connettore può essere collegato in entrambi i modi (Figura 11).

Figura 11: Il connettore Magsafe 2

Figura 11: Il connettore Magsafe 2

 

Figura 12: L’interno del connettore Magsafe 2

Figura 12: L’interno del connettore Magsafe 2

All'interno del connettore MagSafe vi è un minuscolo chip che comunica al computer portatile il numero di serie, il tipo e la potenza del caricabatteria. Il portatile utilizza questi dati per determinare se il caricabatteria è conforme. All’interno ci sono due LED su ogni lato e un interruttore 1-Wire DS2413 (Figura 12). Quando si collega il connettore ad un MacBook, ci vuole un secondo o due affinchè il LED si illumini. Durante questo periodo, ci sono complesse interazioni tra il Macbook, il caricabatteria e il connettore MagSafe. Quando il caricabatteria è scollegato dal computer portatile, il transistore Mosfet blocca la potenza di uscita. Quando il connettore MagSafe è collegato a un Macbook, invece, il microcontrollore rileva la connessione e dopo esattamente un secondo abilita l'uscita. Il laptop quindi comunica le informazioni con il chip del connettore MagSafe, e se tutto è andato per il meglio il portatile inizia ad assorbire corrente e invia successivamente un comando tramite il pin di dati per illuminare il LED  appropriato. Quando il connettore MagSafe è scollegato dal computer portatile, il microcontrollore rileva la perdita del flusso di corrente e spegne di conseguenza l’alimentazione e quindi l’illuminazione del LED. Il motivo principale di tutto ciò è relativo alla sicurezza, al fine di garantire un corretto flusso di corrente solo se il connettore è saldamente collegato al computer portatile. Ciò minimizza il rischio di scintille o archi quando il connettore MagSafe viene collegato al portatile.

Conclusioni

Il caricabatteria della Apple utilizza tecniche avanzate come la correzione del fattore di potenza e un alimentatore switching di risonanza per produrre 85 watt di potenza in un'unità compatta ed efficiente, rappresentando, di fatto, un prodotto di notevole qualità per la carica delle batterie nei computer portatili (MacBook). Come abbiamo visto la progettazione di un alimentatore, in particolare quello della Apple, richiede molti accorgimenti circuitali, quali la schermatura e la disposizione dei componenti, per ottenere un ottimo prodotto sia dal punto di vista dell'efficienza sia in termini di sicurezza.

Bibliografia

 

3 Commenti

  1. domenico.mariotti 19 ottobre 2016
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 19 ottobre 2016
  2. Emanuele Bonanni Emanuele 21 ottobre 2016

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