深度测评、拆解！苹果PD3.1 140W快充

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。

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
 
通过拆解发现，苹果的140W电源适配器的电路架构和硬件的使用，与其他厂商同类型的产品略有不同。目前业内使用的电源架构多为PFC+LLC+Buck，将DC/DC Buck电路设计在次级端，介于LLC控制器与协议控制芯片之间，主要是用于协议芯片完成协议认证后，对输出电压、电流进行调节，保证功率输出的准确性。
 

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。
 

 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。

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。
 

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。
 

 
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。