¿Por qué muchas computadoras portátiles funcionan con 19 voltios?

Por lo general, los dispositivos móviles que tienen una fuente de alimentación de red aceptarán un voltaje que sea múltiplo del voltaje de una batería. Por ejemplo, 4.5 voltios son 1.5 voltios (batería primaria AA) 3 veces y 36 voltios son 3.6 voltios (batería de iones de litio) 10 veces.

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

¿De dónde se origina este voltaje?

La elección de 19 voltios se debe a que está cómodamente por debajo de 20 voltios, que es el voltaje de salida máximo de las fuentes de alimentación que pueden certificarse como LPS (fuente de energía limitada) con límites de suministro de energía no inherentes.

Si puede mantener 20 voltios o menos, todo lo relacionado con la certificación de seguridad se vuelve más fácil y económico.

Para asegurarse de estar dentro del límite de las tolerancias de fabricación, disminuya un 5%, que es 19 voltios. Ahí tienes. No tiene nada que ver con la organización de la batería o las pantallas LCD.

Ahora hay computadoras portátiles que usan fuentes de alimentación externas con una potencia nominal exacta de 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 iones de litio, el tipo utilizado en casi todas las computadoras portátiles modernas.

• La mayoría de las computadoras portátiles usan baterías de iones de litio.

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

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

• Se pueden usar voltajes ligeramente inferiores a 19 V, pero 19 V es un voltaje estándar útil que satisfará la mayoría de las eventualidades.

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

Una celda de iones de litio tiene una tensión de carga máxima de 4,2 V (4,3 V para valientes e insensatos). Para cargar una celda de 4.2 V se requiere al menos un poco más de voltaje para proporcionar algo de "margen" para permitir que funcione la electrónica de control de carga. Por lo menos, aproximadamente 0.1 V extra podrían funcionar, pero generalmente al menos 0.5 V serían útiles y se podrían usar 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 utilice una fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) para convertir el voltaje disponible al voltaje requerido. Un SMPS puede ser un convertidor Boost (aumenta el voltaje) o un convertidor Buck (reduce el voltaje) o cambiar de uno a otro según sea necesario. En muchos casos, un convertidor de dinero puede hacerse más eficiente que un convertidor de impulso. En este caso, utilizando un convertidor de dinero 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 un voltaje de fuente de 19 V, sería posible cargar 1, 2, 3 o 4 celdas de LiIon en serie y cualquier número de cadenas paralelas de estas.

Para celdas a 16.8 V, deje un margen de (19−16.8) = 2.4 voltios para la electrónica. La mayor parte de esto no es necesaria y la diferencia es acomodada por el convertidor reductor, que actúa como una "caja de cambios electrónica", que toma energía a un voltaje y la emite a un voltaje más bajo y una corriente más alta.

Con digamos 0.7 V de altura libre, no sería posible utilizar digamos 16.8 V + 0.5 V = 17.5 V de la fuente de alimentación, pero el uso de 19 V asegura que haya suficiente para cualquier eventualidad y el exceso no se desperdicia a medida que el convertidor buck convierte la tensión baja según sea necesario. Se puede producir una caída de voltaje que no sea en la batería en el interruptor SMPS (generalmente un MOSFET ), diodos SMPS (o rectificador síncrono), cableado, conectores, elementos de detección de corriente resistiva y circuitos de protección. Es deseable la menor caída posible para minimizar el desperdicio de energía.

Cuando una celda de iones de litio está casi descargada por completo, su voltaje terminal es de aproximadamente 3 V. La cantidad a la que se les permite descargar está sujeta a consideraciones técnicas relacionadas con la longevidad y la capacidad. A 3 V / celda, las celdas 1/2/3/4 tienen un voltaje terminal de 3/6/9/12 voltios. El convertidor reductor acomoda este voltaje reducido para mantener la eficiencia de carga. Un buen diseño de convertidor reductor puede superar el 95% de eficiencia y en este tipo de aplicación nunca debe ser inferior al 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 operaba en configuración 4S y la versión de 6 celdas en 2P3S. A pesar del menor voltaje de la nueva batería, los circuitos de carga acomodaron el cambio, reconociendo la batería y ajustándose en consecuencia. Realizar este tipo de cambio en un sistema NO diseñado para acomodar una batería de bajo voltaje podría ser perjudicial para la salud de la batería, el equipo y el usuario.

La respuesta de Russell ( https://electronics.stackexchange.com/a/31621/88614 ) hace un gran trabajo al ver los detalles. Esta respuesta se centra más en los aspectos más amplios de su pregunta.

Por lo general, los dispositivos móviles que tienen una fuente de alimentación de red aceptarán un voltaje que sea múltiplo del voltaje de una batería.

No creo que esto sea cierto en general.

Es cierto que algunos dispositivos tienen entradas de alimentación cuyo voltaje nominal es un múltiplo del voltaje nominal de la celda. Suelen ser dispositivos que pueden funcionar con la red eléctrica o la batería, pero que no cargan su propia batería desde la fuente de alimentación. 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 su batería durante todo el ciclo de carga.

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

Los teléfonos móviles, tabletas y dispositivos móviles similares con baterías de iones de litio de celda única 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 brinda una cantidad razonable de espacio libre para cargar una batería de iones de litio / polímero de una sola celda.

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

Todas las computadoras móviles pueden usar una filosofía similar de cargador de batería dc-dc de convertidor descendente, pero pueden usar diferentes chips y perfiles, que son administrados por la computadora portátil, no por el cargador externo. A menudo, se puede utilizar un rango más amplio de voltajes de carga con más capacidad, debido a la capacidad interna de 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 la pantalla está en pleno brillo. La luz de fondo es la mayor atracción constante y la CPU / GPU tiene los picos más grandes para el uso de alto rendimiento. (i7 núcleos cuádruples, etc.)

Cargadores universales de batería.
Compré un cargador universal durante un largo viaje por carretera. Más tarde elegí usarlo para conducir 60 vatios de LED. El cargador se especificó @ 15 ~ 24V, 63W máx. Tenía un encabezado 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 línea de CC. Caractericé la entrada y descubrí que podría usarse 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, unas pocas resistencias, un LED y una tapa para controlar este atenuador personalizado del 10 al 100% usando toda la energía disponible y mi esposa estaba muy contenta con la luz del sol del LED sobre la ventana de la bahía con una caja de huevos negros a prueba de deslumbramiento. Era alrededor de 3 veces más brillante que la luz solar directa en máx.

En cualquier caso, cada computadora móvil tiene que regular el suministro externo para que el voltaje exacto no sea tan crítico y pueda escaparse con un rango más amplio. Cuanto menor sea el voltaje 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 la regulación cruzada de propagarse a reguladores adicionales que disminuyen y aumentan a bordo para CPU / E / S internas y periféricos, por ejemplo 5 y 12V.

Los paquetes de PC móviles más grandes incluyen;

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

Dato útil: puede ejecutar una computadora móvil sin batería instalada ya que el regulador de administración de batería simplemente no se utiliza para ejecutar los reguladores internos DC-DC. Esto sirve para reducir la carga de calor en las computadoras portátiles viejas y reduce el envejecimiento del calor de la batería, incluso si permanecen al 100% sin drenaje. (Pero se apagará por una falla de energía).

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

Los 19 voltios son para cargar la batería que tiene múltiples celdas de iones de litio en serie. La electrónica interna de la computadora portátil está alimentada por un regulador de conmutación del voltaje de la batería y / o los 19 voltios del 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 los 19 voltios. No tiene NADA que ver con los componentes internos reales de la computadora portátil, excepto la fuente de alimentación regulada de conmutación interna que se adapta al voltaje cambiante 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 cuántos vatios consume la computadora portátil en comparación con la cantidad de vatios-hora que contienen las baterías. El consumo promedio en el tiempo es bastante fijo, aunque el brillo de la pantalla, especialmente los grandes, tiene un impacto notable.

Como otros han abordado, las computadoras portátiles tienen baterías de litio y para obtener más tiempo de operación, necesita más energía (vatios-hora), por lo que necesita más baterías de 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, en general, esas baterías se colocan en serie (se necesitan menos circuitos (= más barato) para cargar adecuadamente cuando las baterías están en serie en lugar de en paralelo) luego da como resultado el voltaje bruto de funcionamiento de la computadora portátil. Los convertidores de CC / CC internos toman entonces ese voltaje bruto no regulado y producen los bajos voltajes regulados (3.3VCC, etc.) que la electrónica necesita.

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 de fabricación china tiene una tolerancia de salida que suele ser de +/- 5%. Vale la pena señalar que el voltaje de salida real debe medirse en la carga de funcionamiento. Siempre será mayor sin carga debido a la caída (pérdida) de IR (corriente x resistencia) en el cable de CC y la regulación de carga de la fuente de alimentación externa que generalmente es un poco negativa.

Las fuentes de alimentación para aplicaciones críticas tienen una característica llamada "Sense" 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 fluyendo 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 portátiles "más grandes" o más largos que funcionan con baterías y terminará necesitando una fuente de alimentación externa nominal de 19 V CC que en realidad podría ser de aproximadamente 17-20 V CC. Los convertidores de CC / CC internos para generar los voltajes de CC más bajos y los circuitos de carga de la batería aceptan fácilmente ese rango más probablemente otros pocos voltios más. Puede probar el voltaje de aceptación más bajo utilizando una fuente de alimentación de salida variable y bajando el voltaje 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 haciendo que su computadora portátil se apague y esa es generalmente su única indicación de que el voltaje de entrada es demasiado alto.

Por cierto, el 19VDC también es necesario para obtener vatios-hora para tiempos de funcionamiento más largos y la corriente baja en las computadoras portátiles más grandes porque el conector de barril ubicuo solo está clasificado para manejar 5A, y eso es realmente bueno. La mayoría son 2-3A. Esa es la razón principal por la que no desea enchufar y desenchufar ese conector cuando su PC está encendida, ya que eventualmente quemará los contactos y creará un contacto poco confiable en ese conector.

Para obtener más información sobre los conectores de PC, consulte: https://en.wikipedia.org/wiki/DC_connector

Por cierto, las PC también tienen un "medidor de gas" de la batería que le indica cuánto tiempo de funcionamiento le queda al operar con baterías. Ese "medidor" tiene que rastrear la corriente que entra y sale de las baterías. (El equilibrio actual en lugar de la energía se controla ya que la eficiencia actual de descarga / carga es casi del 100%, mientras que la eficiencia energética varía y es significativamente inferior 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 va a apagar cuando, de hecho, la batería aún esté al 50% de su capacidad, lo que le hace salir y comprar una nueva (y costoso) paquete de baterías. Cuando esa batería de repuesto está conectada, la PC reconoce esa batería nueva y restablece su configuración de capacidad de batería. En el fondo de las PC (¿algunas / muchas / más?) Hay una rutina de calibración de la capacidad de la batería. Si puede acceder a eso, la PC realizará 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 dará uno o dos años más en la 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. Últimamente he estado separando muchos lcds de laptops y he descubierto que requieren altos voltios.

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 19v sin celdas ni pantalla.

Los dos rieles son placa base @ 12V (+/- 5V y 3.3V se proporcionan desde este) periférico @ 5V para unidades y, a veces, USB. Estos se dividen debido a la rotación general. Esto puede consumir 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 una gran cantidad de puertos y Daisy encadenamiento / 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 mucho mejor los voltajes variables (motores eléctricos y convertidores dc-dc de estado sólido para ssd y USB).

Las unidades de disco duro siguen siendo motores y funcionan al nivel de 12v.

Cuando lo arcaico da paso al estado sólido, 19v desaparecerá. Cuando todos los estados sólidos existentes en la placa base se vuelven más eficientes al igual que los circuitos integrados de 12v CMOS a los niveles bajos de 1.8 a 3.3v de la actualidad, la necesidad de más de 5v desaparecerá. La batería se convertirá en una celda.

El 19V se dejó de los días en que "lug-ables" - Las computadoras antes de las computadoras portátiles, tuvieron 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 creó los 3 voltajes internamente. -5 a 12 son 17 voltios, con los 2 voltios adicionales, supongo como margen de maniobra para regular la potencia. Queda de eso. jmarc@gmx.com