2013年7月18日 星期四

劣質充電器存隱患:短路高壓可致觸電身亡




  導語:美國一名硬件工程師肯‧謝里夫(Ken Shirriff)本週在個人博客中撰文,對假冒偽劣充電器是否會引起手機用戶觸電進行了探討。他認為,在不符合絕緣規範的情況下,觸電確實有可能發生。

  以下為文章主要內容:
  猜想

  近期有報導稱,南航一名空姐馬愛倫由於在iPhone充電時打電話而觸電身亡。如果她使用了廉價或假冒偽劣的充電器,那麼這樣的情況在技術上完全可能發生。

  充電器中有340伏直流電,足以致命。在廉價充電器中,輸出端與340伏元件之間的距離可能不到1毫米,遠小於推薦的安全距離。在某些情況下,充電器可能發生輸出短路,這導致通過USB線輸出較高的電壓。如果用戶靠近,例如用手觸摸接地的金屬表面,那麼觸電完全可能發生。而在潮濕的環境下,例如浴室中,這樣的短路更容易發生。

   Apple 公司的正品充電器,以及其他品牌經過認証的充電器需要符合嚴格的安全標準,因此這些充電器通常不存在安全隱患。但由於一些假冒偽劣產品看起來與正品類似,因此正品充電器是否存在隱患需要專家的鑒定。還有一些說法稱,房屋內的電線布線可能是導致觸電的原因。不過考慮到充電器通常沒有接地,因此很難看出錯誤的布線會帶來什麼影響。

  充電器拆解

  我近期在一篇文章中回顧了計算機電源的發展歷史。許多人都很好奇,在 Apple 公司、 Samsung 和RIM等公司提供的USB電源中,究竟有一些什麼。我在eBay上以2.79美元購買一個沒有牌子的USB充電器,對其進行了拆解。如此複雜的充電器價格只有幾美元,且看起來類似 Apple 公司的正品充電器,這令人好奇。不過拆解之後可以看到,充電器內部一些重要的安全設計都沒有做好。



在eBay上以2.79美元購買一個沒有牌子的USB充電器

  不包括歐標插頭,這一沒有牌子的充電器厚度只有1英吋(約合2.54釐米),上面的標記顯示:“用於iPhone 4。輸入110-240伏、50/60Hz交流電,輸出5.2v、1000毫安直流電。中國製造。”除此之外,充電器上沒有廠商、序列號和安全認証的標誌。拆開這一充電器後可以看到,其中大部分空間都沒有利用,這樣的設計實際上是針對美標插頭。由於充電器的輸入電壓是110至240伏,因此可以在全球通用。

  實際的供電電路尺寸比充電器外殼更小,其主要元件如圖所示。左側是標準的USB接口。標準USB接口占據的面積很大,因此當前許多設備都轉向了micro-USB接口。黑色和黃色相間的元件是變壓器,用於將高壓轉換為低壓。在變壓器前方是一個開關三極管。三極管旁邊的元件看起來像是電阻,但實際上是一個用於交流輸入濾波的電感。電路板下方是一些用於過濾輸入輸出的電容。



實際的供電電路尺寸比充電器外殼更小

  簡而言之,這是一種“反激開關電源”。在這一供電電路中,輸入的交流電通過二極管轉換為高壓直流電,並經由開關三極管傳送至變壓器,在變壓器輸出後再經過二極管轉換為低壓直流電。反饋電路將輸出電壓限製為5伏。

  具體電路

  從細節來看,這是一種自激振盪的反激式變壓器。大部分反激式電源使用集成電路芯片去控制頻率震盪,但這一充電器卻通過變壓器反饋實現自激振盪。這減少了所需的元件數量,降低了成本。在這一2.79美元的充電器中,最主要的成本是75美分的控制芯片。



芯片元件示意圖

  這張圖片顯示了電路元件。紅色方框和英文標識註明了電路板背面的元件。大部分元件都是貼片式元件,綠色電線用於輸入交流電,隨後經過電感濾波。標記為1N4007的輸入二極管和另一個輸入電容用於將交流電轉換為340伏直流電。標記為MJE13003的三極管開關以可變頻率將直流電輸送至變壓器。

  在輸出端,一個肖特基二極管將變壓器輸出轉換為直流,經過輸出電容濾波之後被輸送至USB接口。一個簡單的反饋電路限制了輸出電壓。

  絕緣和安全

  出於安全性考慮,交流電源必須嚴格絕緣交流輸入和直流輸出。因此電路需要分為輸入和輸出兩部分,且兩部分之間不得有任何電氣連接,否則接觸直流輸出就會引起觸電。這兩部分的連接通過變壓器或光電耦合器來實現。在此次拆解的充電器中,變壓器充當了主電源的隔離元件,而光電耦合器則被用於反饋電路中。

  仔細觀察照片可以看到電路板上用白線畫出的絕緣界線。對於輸入和輸出兩部分之間的距離,一些複雜的安全規範做出了詳細規定,而至少3到4毫米是必須的。在這一供電電路上,可以看到兩部分之間的距離只有約1毫米,而其中一個電阻的安全距離甚至還不到1毫米。

  在這樣的設計中,充電器很難符合安全規定。實際上,充電器外殼上也沒有標註任何安全認証信息。因此,這樣的充電器將帶來安全風險。實際上,保護用戶不接觸340伏電壓的唯一措施就是這一不到1毫米的距離。

  假冒偽劣充電器的另一個危害在於輸出的直流電質量很差,存在電壓波動,可能影響手機的操作,例如使觸摸屏失靈。可以注意到,這一充電器許多節省成本的設計都帶來了電壓的不平穩。例如輸入端只有1個濾波二極管,而不是通常的4個濾波二極管橋接。相對於正常的電路設計,這一充電器的輸入和輸出濾波模塊都已最小化。此外交流電輸入也沒有任何的保險絲設計,這也將帶來危險。

  結論

  用戶應當遠離來自不明廠家的廉價交流適配器,並多花一些錢購買有品牌的產品。這樣的產品更安全,輸出電壓更平穩,更有利於設備的觸摸屏。(張帆)





.劣質充電器存隱患:短路高壓可致觸電身亡
http://digital1010.blogspot.com/2013/07/blog-post_5081.html