¿Por qué muchas computadoras portátiles funcionan con 19 voltios?

  

Ahora hay computadoras portátiles que utilizan fuentes de alimentación externas con una potencia de exactamente 19 voltios. Eso no es un múltiplo de nada adecuado. Me desconcierta mucho.

Esta no es una pregunta de diseño como se plantea, pero tiene relevancia para el diseño de sistemas de carga de baterías.

Resumen:

• El voltaje es un poco más que un múltiplo del voltaje completamente cargado de una batería de Ion de litio, el tipo utilizado en casi todas las computadoras portátiles modernas.

• La mayoría de las computadoras portátiles utilizan baterías de ión litio.

• 19 V proporciona un voltaje adecuado para cargar hasta 4 x celdas de iones de litio en serie usando un convertidor reductor para eliminar el exceso de voltaje de manera eficiente.

• Se pueden acomodar varias combinaciones de celdas en serie y paralelas.

• Se pueden usar voltajes ligeramente por debajo de 19 V, pero 19 V es un voltaje estándar útil que cumple con la mayoría de las eventualidades.

Casi todas las computadoras portátiles modernas utilizan baterías de ión litio (LiIon). Cada batería consta de al menos un número de celdas de LiIon en una 'cadena' de serie y puede consistir en una serie de combinaciones paralelas de varias cadenas de serie.

Una celda de iones de litio tiene un voltaje de carga máximo de 4.2 V (4.3 V para los valientes y temerarios). Para cargar una celda de 4.2 V, se requiere al menos un poco más de voltaje para proporcionar algo de "espacio libre" para permitir que funcione la electrónica de control de carga. Como mínimo, alrededor de 0,1 V podría ser útil, pero generalmente al menos 0,5 V sería útil y podría usarse más.

Una celda = 4.2 V
 Dos celdas = 8.4 V
 Tres celdas = 12.6 V
 Cuatro celdas = 16.8 V
 Cinco celdas = 21 V.

Es habitual que un cargador use una fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) para convertir el voltaje disponible a la tensión requerida. Un SMPS puede ser un convertidor Boost (aumenta el voltaje) o Buck converter (reduce el voltaje) o cambia de una a otra según sea necesario. En muchos casos, un convertidor reductor puede ser más eficiente que un convertidor elevador. En este caso, utilizando un convertidor reductor, sería posible cargar hasta 4 celdas en serie.

He visto baterías de portátiles con

3 celdas en serie (3S),
 4 celdas en serie (4S),
 6 celdas en 2 cadenas paralelas de 3 (2P3S),
 8 celdas en 2 cadenas paralelas de 4 (2P4S)

y con una fuente de voltaje de 19 V sería posible cargar 1, 2, 3 o 4 celdas de LiIon en serie y cualquier número de cadenas paralelas de éstas.

Para celdas a 16.8 V, deje un espacio libre de (19−16.8) = 2.4 voltios para la electrónica. La mayor parte de esto no es necesaria y la diferencia se aloja con el convertidor Buck, que actúa como una "caja de cambios electrónica", que absorbe energía a una tensión y la emite a una tensión más baja y con una corriente más alta.

Con, digamos, 0.7 V de altura, sería teóricamente posible utilizar decir 16.8 V + 0.5 V = 17.5 V de la fuente de alimentación, pero el uso de 19 V garantiza que haya suficiente para cualquier eventualidad y el exceso no se desperdicia como El convertidor Buck convierte el voltaje hacia abajo según se requiera. Una caída de voltaje diferente a la batería puede ocurrir en el interruptor SMPS (generalmente un MOSFET ), diodos SMPS (o rectificador síncrono), Cableado, conectores, elementos de detección de corriente resistiva y circuitos de protección. La menor caída posible es deseable para minimizar el desperdicio de energía.

Cuando una celda de iones de litio está casi completamente descargada, su voltaje en el terminal es de aproximadamente 3 V. El bajo nivel de descarga está sujeto a consideraciones técnicas relacionadas con la longevidad y la capacidad. A 3 V / celda 1/2/3/4 las celdas tienen un voltaje de terminal de 3/6/9/12 voltios. El convertidor Buck se adapta a este voltaje reducido para mantener la eficiencia de carga. Un buen diseño de convertidor puede superar el 95% de eficiencia y en este tipo de aplicación nunca debe ser menos del 90% de eficiencia (aunque algunos pueden serlo).

Recientemente reemplacé una batería de netbook con 4 celdas con una versión de capacidad extendida con 6 celdas. La versión de 4 celdas operó en configuración 4S y la versión de 6 celdas en 2P3S. A pesar de la menor tensión de la nueva batería, los circuitos de carga se adaptaron al cambio, reconociendo la batería y ajustando en consecuencia. Hacer este tipo de cambio en un sistema NO diseñado para acomodar una batería de menor voltaje podría ser perjudicial para la salud de la batería, el equipo y el usuario.

Esta es una excelente pregunta de diseño de ingeniería "inversa".

Todas las computadoras móviles pueden usar una filosofía similar del cargador de batería dc-dc convertidor descendente, pero pueden usar chips y perfiles diferentes, que son administrados por la computadora portátil, no por el cargador externo. A menudo, una más amplia Se puede usar el rango de voltajes del cargador con más capacidad, debido a la capacidad interna para reducir un rango de entradas a menudo más amplio que el especificado. Los rangos extremos pueden reducir la eficiencia y aumentar la potencia máxima durante la carga muerta, mientras que la pantalla está en brillo total. La luz de fondo es la mayor atracción constante y la CPU / GPU tiene los picos más grandes para un uso de alto rendimiento. (i7 quad cores etc)

Cargadores de batería universales.
Compré un cargador universal durante un largo viaje por carretera. Más tarde opté por usarlo para conducir 60 vatios de LED. El cargador fue especificado a 15 ~ 24V, 63W máx. Tenía un cabezal de 6 pines justo antes de los enchufes de alimentación coaxiales intercambiables. Uno de los pines era una línea de detección remota para el voltaje del enchufe para compensar la pérdida de la línea de CC. Caractericé la entrada y descubrí que se podía usar para regular la salida de 5 ~ 50V con un rango de control de entrada de 2.5V centrado alrededor de 3V. Utilicé un Log Pot, algunas resistencias, un LED y una tapa para controlar este atenuador personalizado de 10 a 100% usando toda la potencia disponible y mi esposa estaba muy feliz con la luz solar del LED en la ventana de la bahía con un encofrado de huevos negro a prueba de reflejos. Era aproximadamente 3 veces más brillante que la luz solar directa en el máximo.

En cualquier caso, cada computadora móvil tiene que regular la fuente de alimentación externa, por lo que el voltaje exacto no es tan crítico y puede alejarse con un rango más amplio. Cuanto más baja sea la tensión de entrada, mayor será la corriente y viceversa, debería funcionar pero la eficiencia puede variar en el rango.

La mayoría de los móviles tienden a funcionar con voltajes de celda más bajos para reducir la ESR del paquete que afecta la caída de voltaje bajo carga y la ondulación de regulación cruzada de propagación a otros reguladores que disminuyen y aumentan a bordo para CPU / I / O interna y periféricos por ejemplo 5 & 12V.

Los paquetes de PC móviles más grandes incluyen;

9 celdas = 10.1V (3P3S) 10 celdas = 7.4V (5P2S) 12 celdas = 14.8 (3P4S)

Factoid útil: puede ejecutar una computadora móvil sin NINGUNA batería instalada ya que el regulador de administración de la batería simplemente no se utiliza para ejecutar los reguladores internos de CC / CC. Esto sirve para reducir la carga de calor en las computadoras portátiles viejas y reduce el envejecimiento por calor de la batería, incluso si se mantienen al 100% sin drenaje. (Pero se cerrará en un problema de energía).

También puede usar un cargador de energía más grande con el voltaje adecuado para reducir el voltaje de la batería y no debería afectar el rendimiento en la eficiencia siempre que haya suficiente energía.

La respuesta de Russell ( enlace ) hace un gran trabajo al analizar los detalles. Esta respuesta se centra más en los aspectos más amplios de su pregunta.

  

Normalmente, los dispositivos móviles que tienen una fuente de alimentación de red aceptarán un voltaje que sea múltiple de un solo voltaje de batería.

No creo que esto sea cierto en general.

Es cierto que algunos dispositivos tienen entradas de alimentación cuya tensión nominal es un múltiplo de la tensión nominal de la celda. Suelen ser dispositivos que pueden funcionar con la red eléctrica o con la batería, pero que no cargan su propia batería de la red eléctrica. Los dispositivos que cargan sus propias baterías son otro asunto.

En general, desea que el voltaje de entrada a su circuito de carga esté por encima del voltaje de la batería durante todo el ciclo de carga.

Una celda de iones de litio / polímero es nominalmente de 3.7V o menos, pero el voltaje necesario para cargarlo completamente es más como 4.2V y el voltaje cuando está completamente descargado puede ser más como 3V. Las baterías de portátiles generalmente tienen 3-4 celdas en serie. Así que 19V da una cantidad razonable de espacio para el circuito de carga.

Los teléfonos móviles, tabletas y dispositivos móviles similares con baterías de iones de litio de una sola celda tienden a usar un voltaje de entrada de 5V. Estoy seguro de que esto se debe en parte al deseo de funcionar con USB, pero también porque ofrece una cantidad razonable de espacio para cargar una batería de ión litio / polímero de una sola célula.

El 19 voltios es para cargar la batería que tiene múltiples celdas de ion de litio en serie. La electrónica interna de la computadora portátil es alimentada por un regulador de conmutación desde el voltaje de la batería y / o los 19 voltios desde el adaptador de CA. Esto proporciona un tiempo de ejecución decente para la computadora portátil, ya que el voltaje de la batería cae de la descarga durante el uso. Esta es la ÚNICA razón para 19 voltios. No tiene NADA que ver con los dispositivos internos de la computadora portátil, excepto la fuente de alimentación regulada por conmutación interna que se adapta al cambio de voltaje de la batería y proporciona voltajes regulados constantes a los sistemas internos (CPU, RAM, disco duro, etc.).

El tiempo de funcionamiento de una computadora portátil con baterías depende de la cantidad de vatios que consume la computadora portátil en comparación con la cantidad de vatios-hora que contienen las baterías. El consumo medio a lo largo del tiempo es bastante fijo, aunque el brillo de la pantalla, especialmente los grandes, tiene un impacto notable.

Como se ha dicho en otros, las computadoras portátiles tienen baterías de litio y para obtener más tiempo de funcionamiento, necesita más energía (vatios-hora), por lo que necesita baterías de mayor o mayor capacidad. El tamaño de la computadora portátil generalmente limita el tamaño de la batería, por lo que se obtiene más energía al usar más baterías y generalmente esas baterías se ponen en serie (menos circuitos necesarios (= más baratos) para cargar correctamente cuando las baterías están en serie en lugar de en paralelo), lo cual luego da como resultado el voltaje de operación bruto de la computadora portátil. Los convertidores de CC / CC internos toman ese voltaje bruto no regulado y producen los voltajes bajos regulados (3.3 VCC, etc.) que necesitan los componentes electrónicos.

Para cargar esas baterías, el circuito de carga interno necesita un voltaje de entrada que sea aproximadamente un voltio más alto que el voltaje completamente cargado de las baterías de litio. Además, la fuente de alimentación externa hecha en China tiene una tolerancia de salida que normalmente es de +/- 5%. Vale la pena señalar que la tensión de salida real debe medirse en la carga de operación. Siempre será mayor sin carga debido a la caída (pérdida) de IR (corriente x resistencia) en el cable de CC y la regulación de la carga de la fuente de alimentación externa, que generalmente es un poco negativa.

Las fuentes de alimentación para aplicaciones críticas tienen una función llamada "Detección" que mide el voltaje de salida en la carga o el conector y compensa automáticamente la pérdida de IR, pero nunca la he visto en una fuente de alimentación externa. (aunque estamos construyendo uno personalizado para una aplicación de 5V / 80W para el ejército porque las pérdidas de IR son notables con 18A que fluyen a través de unos pocos pies de cable de cobre)

Tenga en cuenta todo eso y con las 4 baterías de litio de uso común en serie para baterías "más grandes" o más largas que se ejecutan en computadoras portátiles, y terminará necesitando una fuente de alimentación externa nominal de 19 VCC, que en realidad podría ser de aproximadamente 17 a 20 VCC. . Los convertidores de CC / CC internos para generar los voltajes de CC más bajos y el circuito de carga de la batería aceptan fácilmente ese rango y probablemente otros voltajes más. Puede probar la tensión de aceptación más baja utilizando una fuente de alimentación de salida variable y bajando la tensión hasta que se apague la "luz de carga". Sin embargo, tendrías que medir ese voltaje en el conector. NO pruebe el alto voltaje de aceptación, ya que puede apagar fácilmente los convertidores de CC / CC que hacen que su computadora portátil se desconecte y eso es generalmente su única indicación de que el voltaje de entrada es demasiado alto.

Por cierto, el 19VDC también se necesita para aumentar los vatios-hora durante tiempos de funcionamiento más largos y la corriente en las computadoras portátiles más grandes porque el conector de barril ubicuo solo está clasificado para manejar 5A, y eso es para uno realmente bueno. La mayoría son 2-3A. Esa es la razón principal por la que no desea estar enchufando y desenchufando ese conector cuando su PC está encendida, ya que quemará los contactos y eventualmente hará que el contacto no sea confiable en ese conector.

Para obtener más información sobre los conectores de PC, consulte: enlace

BTW2, las PC también tienen un "indicador de gas" para la batería que le indica cuánto tiempo de funcionamiento le queda al operar con baterías. Ese "indicador" debe rastrear la corriente que entra y sale de las baterías. (El balance actual en lugar de la energía se monitorea, ya que la eficiencia de descarga / carga actual es casi del 100%, mientras que la eficiencia energética varía y es significativamente menor al 100%). Si bien son bastante precisos en tiempo real, tienen errores que se acumulan con el tiempo y la capacidad de las baterías de litio disminuye con la edad, las temperaturas de funcionamiento y los ciclos de carga. Esto a menudo hace que su PC le "diga" que no le queda tiempo de ejecución y que se apagará cuando, de hecho, la batería aún esté al 50% de su capacidad, lo que hace que salga y compre una nueva. (y caro) paquete de baterías. Cuando la batería de reemplazo está enchufada, la PC reconoce esa batería nueva y restablece sus ajustes de capacidad de la batería. En lo profundo de las PC (¿algunas / muchas / más?) Hay una rutina de calibración de la capacidad de la batería. Si puede acceder a eso, la PC pasará por una rutina de descarga y recarga de la batería un par de veces para volver a calibrar la capacidad de la batería, lo que le otorgará un año o dos más en el paquete de batería original, aunque con un tiempo de funcionamiento decreciente.

Si verifica los voltios necesarios para las pantallas lcd en sus computadoras portátiles, creo que encontrará la respuesta. He estado separando muchas computadoras portátiles Últimamente y he encontrado que requieren los altos volts.

El voltaje se divide para un riel de 12v y un riel de 5v. Las mini computadoras que no son portátiles usan la misma entrada de 19 V sin celdas ni pantalla.

Los dos rieles son mainboard @ 12V (+/- 5V y 3.3V se proporcionan a partir de este) periférico @ 5V para unidades y, a veces, USB. Estos se dividen debido a spin-up por lo general. Esto puede generar una corriente máxima y requeriría que la placa base esté diseñada para ello (mire dentro de una fuente de alimentación de CA y verá los grandes condensadores e inductores). Las computadoras de escritorio generalmente dividen USB +/- 5V por la misma razón con un gran número de puertos y Daisy Chain / Hubs. También suministran rieles adicionales para GPU.

Todo esto es para tratar de mantener los voltajes constantes para la placa base (CPU, memoria, E / S). Los periféricos pueden tolerar voltajes variables mucho mejor (motores eléctricos y convertidores dc-dc de estado sólido para ssd y USB).

Las unidades de disco duro aún son motores y funcionan a un nivel de 12v.

Cuando arcaico ceda al estado sólido 19v desaparecerá. Cuando todos los estados sólidos existentes en la placa madre son más eficientes, al igual que los IC se movieron de 12v CMOS a los niveles bajos de 1.8 a 3.3v de hoy, la necesidad de más de 5v desaparecerá. La batería se convertirá en una celda.

El 19V queda de los días en que "lug-ables": las computadoras antes de las computadoras portátiles, tenían que crear -5,5 y 12 voltios para la placa base. Tenían una fuente de alimentación independiente que tenía un enchufe de cuatro cables. Pronto, fue solo un enchufe de 2 cables, la computadora portátil creando los 3 voltajes internamente. -5 a 12 es 17 voltios, con los 2 voltios adicionales, asumo como espacio para regular la potencia. Es remanente de eso. [email protected]