¿Por qué las computadoras portátiles tienen baterías de 10 o 20 voltios si la mayoría de los componentes solo usan voltajes de nivel lógico?

Debido a que mientras la potencia total permanece igual, la caída de voltaje a través de un cable debido a altas corrientes puede evitarse con voltajes más altos y una corriente más baja. El cobre es caro, y es más fácil tratar con 2.5 amperios a 20V que con 10 amperios a 5V.

Ley del poder de Ohm:

$$ P = V * I = I ^ 2 * R $$

La potencia perdida en el cobre, y la necesidad de disiparse como calor, aumenta con el cuadrado de la corriente.

A los consumidores no les gustan los cables gruesos ni las vueltas calientes.

Entonces, si puede entregar energía a la computadora portátil y usarla dentro de la computadora portátil, con la menor cantidad de corriente, pero aún dentro de los niveles de ELV (voltaje extra bajo) (< 50 V) por razones de seguridad / cumplimiento, entonces sus cables son más baratos, sus componentes internos de administración de energía son más baratos, su complejidad de disipación de calor y amp; la sobrecarga es menor porque pierdes menos energía que el calor.

Los reguladores de voltaje de modo de conmutación Buck (tomando la serie N * 4.2V / de varias celdas de litio en serie, y su regulación a niveles lógicos) se pueden hacer lo suficientemente eficientes (> 90%) dentro de ciertas restricciones, lo que es un compromiso mucho mejor que alimentar, por ejemplo, 5V @ 10A desde un bloque de energía a pocos metros de la computadora portátil.

Es importante tener en cuenta que el voltaje de la batería no es constante. Las células comunes de iones de litio varían desde alrededor de 4.2-4.3V a plena carga hasta por debajo de 3.0V. El voltaje de corte exacto varía según el circuito de protección, usted quiere evitar caer al punto en el que no sea posible recargar, pero aunque es 2.7V o menor, hay muy poca energía utilizable entre un corte de 2.7V y un corte de 3.0V. Aún así, parte del rango útil de la batería está por debajo de la entrada mínima de 3,6 V (o aproximadamente) requerida por un regulador de baja caída.

Entonces, para obtener un riel regulado de 3.3 V de una disposición de celdas de una sola serie, el regulador debe soportar voltajes de entrada tanto por encima como por debajo de la salida, por ejemplo. un regulador de alza. Por lo tanto, si coloca al menos 2 celdas en serie, su voltaje mínimo es superior a 5,5 V y puede usar un regulador de Buck para una salida de 3,3 V e incluso 5,0 V.

Los reguladores de Buck son más simples, más pequeños y más baratos que sus hermanos buck-boost.

En baterías en electrónica real, las disposiciones de 2 series ("7.4 V") son populares. Las series 3 y 4 son incluso mejores en algunos aspectos (pérdidas en el cable de carga) pero las ventajas incrementales no son tan grandes, y comienzan a compensar la compatibilidad con, por ejemplo, Cargadores de 12 V como USB QuickCharge y USB C PD.

No puede ejecutar la lógica directamente con la batería, ni puede cargar la batería directamente desde una fuente de alimentación de voltaje fijo. La parte de computación real de una computadora portátil moderna necesita un rango de voltajes estables desde menos de un voltio hasta aproximadamente 5 voltios. Tradicionalmente, también necesitaban un alto voltaje de CA para controlar la luz de fondo de la pantalla (aunque eso puede haber cambiado con el movimiento de CCFL a LED)

El voltaje de una celda de iones de litio generalmente aparece como 3.6V, pero en realidad varía de aproximadamente 2.8V al final del ciclo de descarga a aproximadamente 4.2V al final del ciclo de carga.

Es más fácil / económico / eficiente hacer que los convertidores que solo pisan el voltaje en una dirección que los convertidores que pueden subir y bajar el voltaje y las pérdidas por resistencia generalmente disminuyen con un voltaje más alto.

Volviendo a la pregunta de cuántas celdas poner en serie.

Una celda en serie significa que necesita un convertidor ascendente / descendente para 3.3V y un convertidor ascendente para 5V. Es común en cosas como teléfonos inteligentes / tabletas similares a teléfonos inteligentes que usan relativamente poca energía y tienen menos necesidad de 3.3V / 5V.

Dos celdas en serie significan que puede crear todos los rieles de voltaje comunes con convertidores descendentes, pero no tiene mucho espacio para el convertidor que suministra 5V. Dado que 5V a menudo suministra cargas altas como motores que tienen espacio para la cabeza, es útil.

Por lo tanto, tiene sentido utilizar 3 celdas en serie. La mayoría de las computadoras portátiles parecen tener tres o cuatro, y la elección se decide principalmente por limitaciones físicas y / o de capacidad (algunas computadoras portátiles pueden admitir ambas).

La tensión de entrada debe estar cómodamente por encima de la tensión completamente cargada, por lo que el circuito de carga solo tiene que realizar una conversión descendente. El voltaje completamente cargado para una celda de 4 celdas es aproximadamente 16.8V, por lo que un voltaje de entrada de alrededor de 19V-20V tiene sentido.

Hagamos un presupuesto de energía para una computadora portátil ...

CPU y GPU: muchos vatios (10-50W) a aproximadamente un voltio.

DDR, chipset, WiFi, etc. - Unos rieles de voltaje como 2.5V y 3.3V, diría 10-20W.

HDD: la especificación de SATA requiere 5V y 12V, aunque la mayoría de los HDD de 2.5 "no usan el suministro de 12V, si no está allí, su computadora portátil solo funcionará con algunos HDD, por lo que tiene un problema de mercadeo ...

Unidad de DVD: el mismo problema, pero peor, ya que girar un gran CD o DVD a altas velocidades requiere aproximadamente 10W ...

Ventiladores - 5V o 12V

Material conectado a USB: la gente ve los puertos USB, enchufa los dispositivos USB que consumen la máxima corriente según las especificaciones y espera que funcione.

Amplificadores de audio y altavoz a bordo - 5 o 12V

Retroiluminación de la pantalla: esta es una fuente de energía bastante buena, para CCFL usará un inversor, para la retroiluminación LED usará un controlador de LED obviamente. El voltaje de entrada debe tomarse de la batería sin más conversión, ya que esta es la opción más eficiente.

OK ... Así que tienes que diseñar una solución de batería para esto.

Si su "computadora portátil" es en realidad un teléfono inteligente o una tableta como un iPad, no hay unidades de disco duro o DVD, solo unos cuantos chips flash en la placa base en su lugar ... una CPU ARM muy eficiente ... sin fans, no 12V ... las cosas son más simples y es probable que una celda de litio de 3.6V sea la solución más simple. El único voltaje que necesita un impulso DCDC será 5V para el host USB, pero la corriente es bastante limitada.

Sin embargo, para una laptop x86 estándar, usted quiere usar un voltaje de batería por encima de su riel de 12V, por lo que todos sus convertidores DCDC son más económicos, que son más eficientes que los boosters. Así que vas a tener que usar 4 o más células Li en serie.

Si no tiene una unidad de DVD y puede especificar la unidad de disco duro, entonces realmente no necesita un riel de 12V, pero aún necesita 5V para USB, por lo que podría usar 2-3 celdas.

Su convertidor DCDC más grande será el VRM de la CPU que generará muchos amplificadores a aproximadamente 1V. Realmente desea que este sea eficiente, y los convertidores reductores tienden a degradarse cuando la relación Vin / Vout es demasiado alta, también los MOSFET de bajo voltaje tienen un mayor rendimiento ... esto significa que no desea que el voltaje de la batería sea demasiado alto.

Todo el mundo parece usar 4 o 5 celdas, es decir, de 14 a 20 V, aproximadamente. Es el lugar ideal para la eficiencia.

Luego compra las baterías y decide si desea que las celdas hechas a medida de la bolsa hagan que su McBook Air sea a la moda delgada o barata 18650s ...

Las computadoras portátiles utilizan el cargador de batería de 19Vin a DCDC y también las salidas de DCDC LV mobo con entradas desde la batería o el cargador de 19V, si están activas.

El voltaje de la celda depende de los vatios necesarios para ejecutar una retroiluminación de pantalla más grande y, por lo tanto, una menor pérdida de conducción con una corriente más baja a un voltaje de cadena de la celda más alto.

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Comprende esto.

Hay muchas razones, además; Costo, eficiencia y flexibilidad.

• El DC-DC de 19V tipo a niveles lógicos, 5,3.3, 1.2, etc. es independiente de la carga de la batería y de la batería. No es necesario que opere una computadora portátil.

• El cargador de batería regulará la carga actual en función de cuánto queda después de que se cumpla el MOBO. Este regulador DC-DC para los perfiles complejos de baterías V e I es independiente del anterior para el MOBO

Solía haber una gran cantidad de cargadores de portátiles "universales" con selectores aproximadamente de 12 a 24 V con muchas configuraciones para diferentes necesidades de los fabricantes de equipos originales.

Ahora en Norteamérica, estos están casi extinguidos y se reemplazan con "cargadores universales" de 19 V que satisfacen todas las computadoras portátiles nuevas y recientes que necesitan 65 W o más. Apple sigue siendo único con su conector y otros utilizan la comunicación de identificación inteligente para habilitar solo la parte del cargador de batería de todos los convertidores DC-DC y aún deben ejecutar el MOBO.