Dlaczego wiele laptopów działa na napięciu 19 woltów?

Zazwyczaj urządzenia mobilne, które mają zasilanie sieciowe, przyjmują napięcie, które jest wielokrotnością pewnego napięcia pojedynczego akumulatora. Na przykład 4,5 wolta to 1,5 wolta (akumulator podstawowy AA) 3 razy, a 36 woltów to 3,6 wolta (akumulator litowo-jonowy) 10 razy.

Teraz są laptopy, które korzystają z zewnętrznych zasilaczy o napięciu dokładnie 19 woltów. To nie jest wielokrotność niczego odpowiedniego. Bardzo mnie intryguje.

Skąd pochodzi to napięcie?

Wybór 19 woltów wynika z faktu, że jest on wygodnie poniżej 20 woltów, co jest maksymalnym napięciem wyjściowym zasilaczy, które mogą być certyfikowane jako LPS (ograniczone źródło zasilania) z nieuniknionymi limitami dostarczania energii.

Jeśli możesz utrzymać napięcie 20 V lub mniej, cała certyfikacja bezpieczeństwa staje się łatwiejsza i tańsza.

Aby upewnić się, że mieścisz się w limicie uwzględniającym tolerancje produkcyjne, obniż o 5%, czyli 19 woltów. Tutaj jesteś. Nie ma to nic wspólnego z organizacją akumulatorów ani ekranami LCD.

Teraz są laptopy, które korzystają z zewnętrznych zasilaczy o napięciu dokładnie 19 woltów. To nie jest wielokrotność niczego odpowiedniego. Bardzo mnie intryguje.

To nie jest pytanie projektowe, ale ma ono znaczenie przy projektowaniu systemów ładowania akumulatorów.

Podsumowanie:

• Napięcie to nieco więcej niż wielokrotność w pełni naładowanego napięcia baterii litowo-jonowej - takiego rodzaju używanego w prawie każdym nowoczesnym laptopie.

• Większość laptopów korzysta z baterii litowo-jonowych.

• 19 V zapewnia napięcie, które jest odpowiednie do ładowania do 4 x ogniw litowo-jonowych szeregowo za pomocą konwertera buck w celu skutecznego zmniejszenia nadwyżki napięcia.

• Możliwe są różne kombinacje szeregowych i równoległych komórek.

• Można stosować napięcia nieco poniżej 19 V, ale 19 V jest użytecznym standardowym napięciem, które sprosta większości ewentualności.

Prawie wszystkie współczesne laptopy używają baterii litowo-jonowych (LiIon). Każda bateria składa się z co najmniej kilku ogniw LiIon w szeregu „ciąg” i może składać się z szeregu równoległych kombinacji kilku ciągów szeregowych.

Ogniwo litowo-jonowe ma maksymalne napięcie ładowania 4,2 V (4,3 V dla odważnych i zagorzałych). Aby naładować ogniwo 4,2 V wymagane jest co najmniej nieco większe napięcie, aby zapewnić trochę „rezerwy”, aby umożliwić działanie elektroniki sterującej ładowaniem. Przynajmniej co najmniej około 0,1 V może zrobić, ale zwykle co najmniej 0,5 V byłoby przydatne i można by użyć więcej.

Jedna komórka = 4,2 V
Dwie komórki = 8,4 V
Trzy komórki = 12,6 V
Cztery komórki = 16,8 V
Pięć komórek = 21 V.

Zwykle ładowarka używa zasilacza impulsowego (SMPS) do przekształcania dostępnego napięcia na wymagane napięcie. SMPS może być przetwornikiem podwyższającym napięcie ( skokowe zwiększenie napięcia) lub konwertera Buck (obniżającym napięcie stopniowe) lub w razie potrzeby przełączać się między nimi. W wielu przypadkach konwerter buck może być bardziej wydajny niż konwerter boost. W takim przypadku za pomocą konwertera buck można ładować do 4 ogniw w szeregu.

Widziałem baterie do laptopów

3 komórki w szeregu (3S),
4 komórki w szeregu (4S),
6 komórek w 2 równoległych ciągach po 3 (2P3S),
8 komórek w 2 równoległych ciągach po 4 (2P4S)

a przy napięciu źródłowym 19 V możliwe byłoby ładowanie 1, 2, 3 lub 4 ogniw LiIon szeregowo i dowolną ich liczbę równoległych łańcuchów.

W przypadku ogniw o wartości 16,8 V pozostaw wolną przestrzeń (19-16,8) = 2,4 wolta dla elektroniki. Większość tego nie jest potrzebna, a różnica jest uwzględniana przez konwerter buck, który działa jak „elektroniczna skrzynia biegów”, pobierając energię przy jednym napięciu i wytwarzając ją przy niższym napięciu i odpowiednio wyższym prądzie.

Przy powiedzmy 0,7 V wolnej przestrzeni byłoby teoretycznie możliwe użycie powiedzmy 16,8 V + 0,5 V = 17,5 V z zasilacza - ale użycie 19 V zapewnia, że ​​jest wystarczająca na każdą ewentualność, a nadwyżka nie zostanie zmarnowana, gdy konwerter buck przekształci się obniżenie napięcia zgodnie z wymaganiami. Spadek napięcia inny niż w akumulatorze może wystąpić w przełączniku SMPS (zwykle MOSFET ), diodach SMPS (lub prostowniku synchronicznym), okablowaniu, złączach, elementach wykrywających prąd rezystancyjny i obwodzie ochronnym. Pożądany jest jak najmniejszy spadek, aby zminimalizować straty energii.

Kiedy ogniwo litowo-jonowe jest prawie całkowicie rozładowane, jego napięcie na zaciskach wynosi około 3 V. Jak niski jest dopuszczalny poziom rozładowania, uwarunkowane są względami technicznymi związanymi z długowiecznością i pojemnością. Przy napięciu 3 V / ogniwo ogniwa 1/2/3/4 mają napięcie końcowe 3/6/9/12 woltów. Konwerter buck dostosowuje to obniżone napięcie w celu utrzymania wydajności ładowania. Dobra konstrukcja konwertera złotówki może przekraczać 95% wydajności i w tego rodzaju aplikacjach nigdy nie powinna być mniejsza niż 90% wydajności (chociaż niektóre mogą być).

Niedawno wymieniłem baterię netbooka na 4 komórki z wersją o rozszerzonej pojemności z 6 komórkami. Wersja 4-komorowa działała w konfiguracji 4S, a wersja 6-komorowa w 2P3S. Pomimo niższego napięcia nowego akumulatora, obwód ładowania dostosował się do zmiany, rozpoznając akumulator i odpowiednio dostosowując. Dokonanie takiej zmiany w systemie NIE zaprojektowanym do pomieszczenia akumulatora o niższym napięciu może być szkodliwe dla zdrowia akumulatora, sprzętu i użytkownika.

Odpowiedź Russella ( https://electronics.stackexchange.com/a/31621/88614 ) doskonale sprawdza się w szczegółach. Ta odpowiedź koncentruje się bardziej na szerszych aspektach twojego pytania.

Zazwyczaj urządzenia mobilne, które mają zasilanie sieciowe, przyjmują napięcie, które jest wielokrotnością pewnego napięcia pojedynczego akumulatora.

Nie sądzę, że to na ogół prawda.

Prawdą jest, że niektóre urządzenia mają moc wejściową, której napięcie znamionowe stanowi pewną wielokrotność napięcia znamionowego ogniwa. Zazwyczaj są to urządzenia, które mogą być zasilane z sieci lub baterii, ale nie ładują własnej baterii z sieci. Urządzenia, które ładują własne akumulatory, to inna sprawa.

Ogólnie rzecz biorąc, chcesz, aby napięcie wejściowe do obwodu ładowania było wyższe od napięcia akumulatora przez cały cykl ładowania.

Ogniwo litowo-jonowe / polimerowe ma nominalnie około 3,7 V, ale napięcie potrzebne do pełnego naładowania jest bardziej zbliżone do 4,2 V, a napięcie po pełnym naładowaniu może być większe niż 3 V. Baterie do laptopów mają zwykle 3-4 ogniwa w szeregu. Tak więc 19 V daje wystarczającą ilość miejsca dla obwodu ładowania.

Telefony komórkowe, tablety i podobne urządzenia mobilne z jednokomorowymi bateriami litowo-jonowymi mają zwykle napięcie wejściowe 5 V. Jestem pewien, że jest to częściowo spowodowane chęcią wyjścia z portu USB, ale także dlatego, że zapewnia wystarczającą ilość miejsca na ładowanie pojedynczego ogniwa litowo-jonowego / polimerowego.

Jest to doskonałe pytanie „odwrotnego” projektu inżynierskiego.

Wszystkie komputery mobilne mogą korzystać z podobnej filozofii konwertera ładowarki DC-DC, jednak mogą korzystać z różnych układów i profili., Którymi zarządza laptop, a nie zewnętrzna ładowarka. Często można zastosować szerszy zakres napięć ładowarki o większej pojemności, ze względu na możliwość obniżenia zakresu wejść często szerszych niż podano. Ekstremalne zakresy mogą zmniejszać wydajność i zwiększać maksymalną moc podczas ładowania martwego, gdy wyświetlacz jest w pełnej jasności. Podświetlenie jest największym stałym ciągnięciem, a procesor / GPU mają największe wartości szczytowe w zakresie wysokiej wydajności. (czterordzeniowe rdzenie i7 itp.)

Uniwersalne ładowarki do akumulatorów.
Kupiłem ładowarkę Universal podczas długiej podróży. Później zdecydowałem się użyć go do zasilania 60 watów diod LED. Ładowarka była podana przy 15 ~ 24 V, maks. 63 W. Miał 6-pinowy nagłówek tuż przed wymiennymi koncentrycznymi wtyczkami zasilania. Jeden z pinów był linią zdalnego wykrywania napięcia wtyczki w celu kompensacji utraty linii prądu stałego. Scharakteryzowałem wejście i stwierdziłem, że można go użyć do regulacji mocy wyjściowej w zakresie 5 ~ 50 V z zakresem regulacji wejściowej 2,5 V ześrodkowanym wokół 3 V. Użyłem Log Pot, kilku rezystorów, diody LED i nasadki do sterowania tym niestandardowym ściemniaczem od 10 do 100% przy użyciu dostępnej mocy, a moja żona była bardzo zadowolona z promieni słonecznych LED nad wykuszem z odporną na olśnienie czarną skrzynką na jajka. Na maks. Było około 3 razy jaśniej niż bezpośrednie światło słoneczne.

W każdym razie każdy komputer mobilny musi regulować zasilanie zewnętrzne, aby dokładne napięcie nie było tak krytyczne i można było uzyskać większy zasięg. Im niższe napięcie wejściowe, tym wyższy prąd i odwrotnie, powinno działać, ale wydajność może się różnić w całym zakresie.

Większość telefonów komórkowych ma tendencję do pracy przy niższych napięciach ogniw, aby zmniejszyć ESR pakietu, co wpływa na spadek napięcia pod obciążeniem i tętnienia regulacji krzyżowej od propagacji do dalszych regulatorów, które zmniejszają i przyspieszają na pokładzie dla wewnętrznego CPU / I / O i urządzeń peryferyjnych, np. 5 i 12V.

Większe pakiety komputerów mobilnych to:

9 ogniw = 10,1 V (3P3S) 10 ogniw = 7,4 V (5P2S) 12 ogniw = 14,8 (3P4S)

Przydatny fakt: Możesz uruchomić komputer mobilny bez zainstalowanej baterii, ponieważ ten regulator zarządzania baterią po prostu nie jest używany do uruchamiania wewnętrznych regulatorów DC-DC. Służy to zmniejszeniu obciążenia cieplnego starych laptopów i zmniejsza starzenie się baterii, nawet jeśli pozostają one w 100% bez drenażu. (Ale wyłączysz usterkę mocy.)

Możesz również skorzystać z większej ładowarki z odpowiednim napięciem, aby obniżyć napięcie do akumulatora i nie powinno to wpływać znacząco na wydajność, dopóki jest wystarczająca moc.

19 woltów ma ładować akumulator, który ma wiele ogniw litowo-jonowych połączonych szeregowo. Wewnętrzna elektronika laptopa jest zasilana przez regulator przełączający z napięcia akumulatora i / lub 19 woltów z zasilacza sieciowego. Daje to przyzwoity czas pracy laptopa, gdy napięcie akumulatora spada z rozładowania podczas użytkowania. Jest to jedyny powód 19 woltów. Nie ma to nic wspólnego z rzeczywistymi elementami wewnętrznymi laptopa, z wyjątkiem wewnętrznego zasilacza z regulacją przełączania, który dostosowuje się do zmieniającego się napięcia akumulatora i zapewnia stałe, regulowane napięcie w wewnętrznych systemach (procesor, RAM, dysk twardy itp.)

Czas działania laptopa na bateriach zależy od tego, ile watów zużywa laptop w porównaniu do liczby watogodzin zawartych w bateriach. Średnie zużycie w czasie jest dość ustalone, chociaż jasność ekranu, szczególnie dużego, ma znaczący wpływ.

Jak zauważyli inni, laptopy mają baterie litowe. Aby uzyskać więcej czasu pracy, potrzebujesz więcej energii (Watt godziny), więc potrzebujesz baterii o większej lub większej pojemności. Rozmiar laptopa ogólnie ogranicza rozmiar baterii, więc większą moc uzyskuje się przez użycie większej liczby baterii i generalnie baterie te są połączone szeregowo (potrzeba mniejszej liczby obwodów (= taniej) do prawidłowego ładowania, gdy baterie są szeregowo, a nie równolegle), co następnie powoduje surowe napięcie robocze laptopa. Wewnętrzne przetwornice DC / DC pobierają wówczas nieprzetworzone nieuregulowane napięcie i wytwarzają regulowane niskie napięcia (3,3 VDC itp.) Potrzebne elektronice.

Aby naładować te baterie, wewnętrzny obwód ładowania potrzebuje napięcia wejściowego, które jest o około wolt wyższe niż w pełni naładowane napięcie baterii litowych. Również chiński zasilacz zewnętrzny ma tolerancję wyjściową, która zwykle wynosi +/- 5%. Warto zauważyć, że rzeczywiste napięcie wyjściowe należy mierzyć przy obciążeniu roboczym. Zawsze będzie wyższy bez obciążenia ze względu na spadek (stratę) IR (prąd x rezystancja) w kablu prądu stałego i regulację obciążenia zewnętrznego zasilacza, która jest na ogół nieco ujemna.

Zasilacze do zastosowań krytycznych mają funkcję o nazwie „Sense”, która mierzy napięcie wyjściowe na obciążeniu lub złączu i automatycznie kompensuje straty IR, ale nigdy nie widziałem tego w zewnętrznym zasilaczu. (chociaż budujemy niestandardowy dla aplikacji 5V / 80W dla wojska, ponieważ straty IR są zauważalne, ponieważ 18A przepływa zaledwie kilka stóp drutu miedzianego)

Biorąc to wszystko pod uwagę, wraz z powszechnie stosowanymi 4 bateriami litowymi połączonymi szeregowo w celu „większego” lub dłuższego działania na laptopach z bateriami, a Ty ostatecznie potrzebujesz nominalnego zewnętrznego źródła zasilania 19 VDC, które w rzeczywistości może być gdziekolwiek od około 17 - 20 VDC. Wewnętrzne konwertery DC / DC do generowania niższych napięć DC i obwód ładowania akumulatora łatwo akceptują ten zakres plus prawdopodobnie jeszcze kilka innych woltów. Możesz przetestować niższe napięcie akceptacji, stosując zmienny wyjściowy zasilacz i obniżając napięcie, aż zgaśnie „lampka ładowania”. Jednak trzeba zmierzyć to napięcie na złączu. NIE testuj wysokiego napięcia akceptacji, ponieważ możesz łatwo przedmuchać konwertery DC / DC, co sprawia, że ​​Twój laptop jest kaput, i jest to na ogół jedyna wskazówka, że ​​napięcie wejściowe jest zbyt wysokie.

BTW, 19VDC jest również potrzebne, aby zwiększyć moc w watach dla dłuższych czasów pracy i prądu w większych laptopach, ponieważ wszechobecne złącze lufy jest przystosowane tylko do obsługi 5A - i to jest naprawdę dobre. Większość to 2-3A. To jest główny powód, dla którego nie chcesz podłączać i odłączać tego złącza, gdy komputer jest włączony, ponieważ spalisz kontakty, co ostatecznie spowoduje nierzetelny kontakt w tym złączu.

Aby dowiedzieć się więcej o złączach komputerowych, zobacz: https://en.wikipedia.org/wiki/DC_connector

BTW2, komputery PC mają również „miernik gazu” baterii, który informuje, ile czasu pozostało do pracy przy zasilaniu z baterii. Ten „miernik” musi śledzić prąd wchodzący i wychodzący z akumulatorów. (Bilans prądu zamiast energii jest monitorowany, ponieważ bieżąca wydajność rozładowania / ładowania wynosi prawie 100%, podczas gdy wydajność energetyczna jest różna i znacznie mniejsza niż 100%). Chociaż są one dość dokładne w czasie rzeczywistym, mają błędy, które kumulują się w czasie, a pojemność akumulatorów litowych spada wraz z wiekiem, temperaturami pracy i cyklami ładowania. To często powoduje, że komputer „mówi” ci, że nie masz już czasu pracy, i wyłączy się, gdy w rzeczywistości bateria może nadal mieć 50% pojemności, co spowoduje, że wyjdziesz i kupisz nowy (i drogi) akumulator. Po podłączeniu wymiennej baterii komputer rozpoznaje nową baterię i resetuje ustawienia pojemności baterii. W głębi (niektórych / wielu / większości komputerów) istnieje procedura kalibracji pojemności baterii. Jeśli masz do tego dostęp, komputer kilkakrotnie wykona procedurę rozładowywania i ładowania baterii w celu ponownej kalibracji pojemności baterii, co daje kolejny rok lub dwa w przypadku oryginalnego pakietu baterii, aczkolwiek ze zmniejszającym się czasem pracy.

Jeśli sprawdzisz napięcie potrzebne do ekranów LCD na laptopach, myślę, że znajdziesz odpowiedź. Ostatnio rozsuwałem wiele laptopów i odkryłem, że wymagają one wysokiego napięcia.

Napięcie jest podzielone dla szyny 12 V i szyny 5 V. Mini-komputery nie będące laptopami używają tego samego wejścia 19 V bez komórek i wyświetlacza.

Dwie szyny to płyta główna @ 12V (z tego +/- 5V i 3.3V). Urządzenie peryferyjne @ 5V dla napędów, a czasem USB. Są one zazwyczaj podzielone z powodu rozpadu. Może to pobierać maksymalny prąd i wymagałoby zaprojektowania płyty głównej (zajrzyj do zasilacza prądu przemiennego, a zobaczysz duże kondensatory i cewki indukcyjne). Komputery stacjonarne zwykle dzielą USB +/- 5 V z tego samego powodu z dużą liczbą portów i łańcuchów / koncentratorów Daisy. Dostarczają również dodatkowe szyny dla GPU.

Wszystko po to, aby utrzymać stałe Napięcia na płycie głównej (procesor, pamięć, I / O). Urządzenia peryferyjne mogą znacznie lepiej tolerować zmienne napięcia (silniki elektryczne i półprzewodnikowe przetworniki DC-DC dla SSD i USB).

Dyski twarde są nadal silnikami i działają na poziomie 12 V.

Kiedy archaika ustąpi miejsca półprzewodnikowi 19v zniknie. Kiedy wszystkie istniejące półprzewodniki na płycie głównej, ponieważ są bardziej wydajne, podobnie jak układy scalone przesunęły się z 12 V CMOS na niski poziom 1,8 do 3,3 V dzisiejszego zapotrzebowania na więcej niż 5 V zniknie. Bateria stanie się jednym ogniwem.

19 V pozostało z czasów, gdy „lug-ables” - komputery przed laptopami musiały wytworzyć -5,5 i 12 woltów na płycie głównej. Mieli samodzielny zasilacz z czterożyłową wtyczką. Wkrótce była to tylko 2-żyłowa wtyczka, laptop generował 3 napięcia wewnątrz. Od -5 do 12 to 17 woltów, z dodatkowymi 2 woltami, zakładam, że jest to miejsce na regulację mocy. Pozostało po tym. [email protected]