Почему многие ноутбуки работают на 19 вольт?

Обычно мобильные устройства с питанием от сети принимают напряжение, кратное некоторому напряжению одной батареи. Например, 4,5 вольт - это 1,5 вольт (основная батарея АА) 3 раза, а 36 вольт - 3,6 вольт (литий-ионный аккумулятор) 10 раз.

Сейчас есть ноутбуки, которые используют внешние источники питания, рассчитанные на ровно 19 вольт. Это не кратно ничего подходящего. Меня много озадачивает.

Откуда это напряжение?

Выбор 19 вольт обусловлен тем, что он комфортно ниже 20 вольт, что является максимальным выходным напряжением источников питания, которые могут быть сертифицированы как LPS (ограниченный источник питания) с неограниченными пределами подачи мощности.

Если вы можете удерживать на уровне или ниже 20 вольт, вся сертификация безопасности станет проще и дешевле.

Чтобы убедиться, что вы находитесь в пределах лимита, учитывающего производственные допуски, уменьшитесь на 5%, что составляет 19 вольт. Вот ты где. Это не имеет ничего общего с организацией аккумуляторов или ЖК-экранами.

Сейчас есть ноутбуки, которые используют внешние источники питания, рассчитанные на ровно 19 вольт. Это не кратно ничего подходящего. Меня много озадачивает.

Это не проектный вопрос, как он задан, но он имеет отношение к дизайну систем зарядки аккумулятора.

Резюме:

• Напряжение немного больше, чем кратное полностью заряженному напряжению литий-ионной батареи - тип, используемый почти в каждом современном ноутбуке.

• В большинстве ноутбуков используются литий-ионные аккумуляторы.

• 19 В обеспечивает напряжение, которое подходит для зарядки до 4 последовательных литий-ионных элементов с использованием понижающего преобразователя для эффективного сброса избыточного напряжения.

• Различные комбинации последовательных и параллельных ячеек могут быть размещены.

• Можно использовать напряжения чуть ниже 19 В, но 19 В является полезным стандартным напряжением, которое будет соответствовать большинству возможных ситуаций.

Почти все современные ноутбуки используют литий-ионные (LiIon) аккумуляторы. Каждая батарея состоит как минимум из ряда литиевых элементов в последовательной «строке» и может состоять из нескольких параллельных комбинаций нескольких последовательных строк.

Литий-ионный элемент имеет максимальное зарядное напряжение 4,2 В (4,3 В для смелых и безрассудных). Для зарядки элемента 4,2 В требуется, по крайней мере, немного большее напряжение, чтобы обеспечить некоторый «запас» для работы электроники управления зарядкой. По крайней мере, может потребоваться дополнительно около 0,1 В, но обычно по крайней мере 0,5 В было бы полезно, и можно использовать больше.

Одна ячейка = 4,2 В
Две ячейки = 8,4 В
Три ячейки = 12,6 В
Четыре ячейки = 16,8 В
Пять ячеек = 21 В.

Обычно зарядное устройство использует импульсный источник питания (SMPS) для преобразования доступного напряжения в требуемое напряжение. SMPS может быть повышающим преобразователем (с повышением напряжения) или преобразователем Бака (с понижением напряжения) или переключаться с одного на другой по мере необходимости. Во многих случаях понижающий преобразователь можно сделать более эффективным, чем повышающий преобразователь. В этом случае, используя понижающий преобразователь, можно будет заряжать до 4 элементов подряд.

Я видел аккумуляторы для ноутбуков с

3 ячейки в серии (3S),
4 ячейки в серии (4S),
6 ячеек в 2 параллельных строках по 3 (2P3S),
8 ячеек в 2 параллельных строках по 4 (2P4S)

и при напряжении источника 19 В можно было бы заряжать 1, 2, 3 или 4 литиевых элемента последовательно и любое количество их параллельных цепочек.

Для ячеек с напряжением 16,8 В оставьте запас (19−16,8) = 2,4 В для электроники. Большая часть этого не нужна, и разница учитывается понижающим преобразователем, который действует как «электронная коробка передач», отбирая энергию при одном напряжении и выводя ее при более низком напряжении и, соответственно, более высоком токе.

С допустимым запасом 0,7 В, условно можно было бы использовать, скажем, 16,8 В + 0,5 В = 17,5 В от источника питания, но использование 19 В гарантирует, что этого достаточно для любой ситуации, и избыток не будет потрачен впустую, поскольку преобразователь понижающего напряжения преобразует напряжение вниз по мере необходимости. Падение напряжения, кроме аккумулятора, может происходить в SMPS-переключателе (обычно MOSFET ), SMPS-диодах (или синхронных выпрямителях), проводке, разъемах, резистивных токовых чувствительных элементах и ​​схемах защиты. Желательно как можно меньше капель, чтобы минимизировать потери энергии.

Когда ионно-литиевая батарея близка к полной разрядке, напряжение на ее клеммах составляет около 3 В. Насколько низки они могут разрядиться, зависит от технических соображений, связанных с долговечностью и емкостью. При 3 В / элемент 1/2/3/4 элементы имеют напряжение на клеммах 3/6/9/12 вольт. Долговечный преобразователь учитывает это пониженное напряжение для поддержания эффективности зарядки. Эффективная конструкция понижающего преобразователя может превышать 95% эффективности, и в такого рода применениях эффективность никогда не должна быть ниже 90% (хотя некоторые могут быть).

Я недавно заменил батарею для нетбука с 4 ячейками на расширенную версию с 6 ячейками. Версия с 4 ячейками работала в конфигурации 4S и версия с 6 ячейками в 2P3S. Несмотря на более низкое напряжение новой батареи, схема зарядки учитывала изменения, распознавая батарею и регулируя ее соответственно. Внесение такого рода изменений в систему, НЕ предназначенную для размещения батареи низкого напряжения, может нанести вред здоровью батареи, оборудования и пользователя.

Ответ Рассела ( https://electronics.stackexchange.com/a/31621/88614 ) отлично подходит для изучения деталей. Этот ответ больше фокусируется на более широких аспектах вашего вопроса.

Обычно мобильные устройства с питанием от сети принимают напряжение, кратное некоторому напряжению одной батареи.

Я не думаю, что это вообще правда.

Это правда, что некоторые устройства имеют входы питания, номинальное напряжение которых кратно номинальному напряжению элемента. Как правило, это устройства, которые могут работать от сети или от батареи, но не заряжают свою собственную батарею от сети. Устройства, которые заряжают свои собственные батареи, это другое дело.

Как правило, вы хотите, чтобы входное напряжение в вашей зарядной цепи было выше напряжения аккумулятора на протяжении всего цикла зарядки.

Литий-ионный / полимерный элемент номинально составляет 3,7 В или около того, но напряжение, необходимое для полной зарядки, больше равно 4,2 В, а напряжение при полной разрядке может быть больше 3 В. Аккумуляторы для ноутбуков обычно имеют 3-4 ячейки последовательно. Таким образом, 19 В дает разумный запас мощности для цепи зарядки.

Мобильные телефоны, планшеты и аналогичные мобильные устройства с одноэлементными ионно-литиевыми батареями, как правило, используют входное напряжение 5 В. Я уверен, что это отчасти обусловлено желанием отключить USB, а также тем, что оно дает достаточный запас мощности для зарядки одноэлементной литий-ионной / полимерной батареи.

Это отличный «обратный» вопрос инженерного проектирования.

Все мобильные компьютеры могут использовать аналогичную философию с понижающим преобразователем постоянного тока, но могут использовать разные микросхемы и профили, которые управляются ноутбуком, а не внешним зарядным устройством. Часто может использоваться более широкий диапазон напряжений зарядного устройства с большей емкостью из-за способности внутри понижать диапазон входов, часто более широкий, чем указано. Экстремальные диапазоны могут снизить эффективность и увеличить максимальную мощность во время полной зарядки, когда дисплей работает на полной яркости. Подсветка является самой большой устойчивой ничьей, и CPU / GPU имеют самые большие пики для высокопроизводительного использования. (четырехъядерные процессоры i7 и т. д.)

Универсальные зарядные устройства.
Я приобрел универсальное зарядное устройство во время долгой поездки. Позже я решил использовать его для управления 60 Вт светодиодов. Зарядное устройство было специфицировано при 15 ~ 24 В, 63 Вт макс. Он имел 6-контактный разъем прямо перед сменными коаксиальными разъемами питания. Одним из выводов была дистанционная измерительная линия для напряжения штекера, чтобы компенсировать потери в линии постоянного тока. Я охарактеризовал вход и обнаружил, что его можно использовать для регулировки выхода от 5 до 50 В с диапазоном управления входом 2,5 В с центром около 3 В. Я использовал Log Pot, несколько резисторов, светодиод и колпачок для управления этим нестандартным диммером от 10 до 100%, используя всю доступную мощность, и моя жена была очень счастлива со светодиодным светом над эркером с защищенным от бликов черным ящиком для яиц. Максимум был примерно в 3 раза ярче прямого солнечного света.

В любом случае каждый мобильный компьютер должен регулировать внешнее питание, поэтому точное напряжение не так критично, и вы можете получить более широкий диапазон. Чем ниже входное напряжение, тем выше ток и наоборот, оно должно работать, но эффективность может варьироваться в зависимости от диапазона.

Большинство мобильных телефонов имеют тенденцию работать при более низких напряжениях элементов, чтобы уменьшить ESR блока, что влияет на падение напряжения под нагрузкой и перекрестную пульсацию от распространения на другие регуляторы, которые понижают и повышают встроенную плату для внутреннего процессора / ввода-вывода и периферийных устройств, например 5 и 12В.

Большие пакеты мобильных ПК включают в себя;

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

Полезный факт: Вы можете запустить мобильный компьютер без установленной батареи, так как этот регулятор управления батареями просто не используется для запуска внутренних регуляторов постоянного тока. Это позволяет снизить тепловую нагрузку на старые ноутбуки и уменьшить тепловое старение батареи, даже если они остаются на 100% без утечки. (Но вы отключите при сбое питания.)

Вы также можете использовать зарядное устройство большего размера с достаточным напряжением для понижения напряжения батареи, и это не должно сильно влиять на производительность при условии достаточного питания.

19 вольт предназначены для зарядки аккумуляторной батареи, в которой последовательно расположены несколько литий-ионных элементов. Внутренняя электроника ноутбука питается от переключающего регулятора от напряжения аккумулятора и / или 19 вольт от адаптера переменного тока. Это обеспечивает приличное время работы ноутбука, поскольку напряжение батареи падает от разряда во время использования. Это ЕДИНСТВЕННАЯ причина для 19 вольт. Он НИЧЕГО не имеет отношения к фактическим внутренним компонентам ноутбука, за исключением внутреннего импульсного регулируемого источника питания, который адаптируется к изменяющемуся напряжению батареи и обеспечивает постоянное регулируемое напряжение для внутренних систем (ЦП, ОЗУ, жесткий диск и т. Д.)

Время работы ноутбука от батарей зависит от того, сколько ватт потребляет ноутбук и сколько ватт-часов содержат батареи. Среднее потребление с течением времени довольно фиксировано, хотя яркость экрана, особенно большого, оказывает заметное влияние.

Как уже говорили другие, в ноутбуках есть литиевые батареи, и для увеличения времени работы вам нужно больше энергии (ватт-часов), поэтому вам нужны батареи большей или большей емкости. Размер ноутбука, как правило, ограничивает размер батареи, поэтому при использовании большего количества батарей получается больше энергии, и, как правило, эти батареи устанавливаются последовательно (требуется меньше схем (= дешевле) для правильной зарядки, когда батареи соединены последовательно, а не параллельно), что затем приводит к необработанному рабочему напряжению ноутбука. Затем внутренние преобразователи постоянного тока в постоянный ток принимают это необработанное нерегулируемое напряжение и создают регулируемые низкие напряжения (3,3 В постоянного тока и т. Д.), Которые нужны электронике.

Для зарядки этих батарей внутренней зарядной цепи требуется входное напряжение, которое примерно на вольт выше, чем полностью заряженное напряжение литиевых батарей. Кроме того, внешний источник питания китайского производства имеет выходной допуск, который обычно составляет +/- 5%. Стоит отметить, что фактическое выходное напряжение должно измеряться при рабочей нагрузке. Он всегда будет выше без нагрузки из-за падения (потери) ИК (тока х сопротивления) в кабеле постоянного тока и регулирования нагрузки внешнего источника питания, которое обычно немного отрицательно.

Источники питания для критически важных приложений имеют функцию «Sense», которая измеряет выходное напряжение на нагрузке или разъеме и автоматически компенсирует потери в ИК-диапазоне, но я никогда не видел его во внешнем источнике питания. (хотя мы создаем заказной для применения в 5 В / 80 Вт для военных, потому что потери в ИК-диапазоне заметны при 18 А, протекающем через несколько футов медного провода)

Примите во внимание все это и с обычно используемыми 4 литиевыми батареями последовательно для «больших» или более продолжительных работ на батареях ноутбуков, и вам в конечном итоге понадобится номинальный внешний источник питания 19 В постоянного тока, который на самом деле может быть любым где-то от 17 до 20 В постоянного тока. Внутренние преобразователи постоянного тока в постоянный для генерирования более низких напряжений постоянного тока и схемы зарядки аккумулятора легко воспринимают этот диапазон плюс, вероятно, еще несколько вольт. Вы можете проверить более низкое допустимое напряжение, используя переменный выходной источник питания и уменьшая напряжение до тех пор, пока не погаснет индикатор зарядки. Однако вам нужно измерить это напряжение на разъеме. НЕ проверяйте высокое допустимое напряжение, так как вы можете легко сдуть преобразователи постоянного тока в постоянный, что делает ваш ноутбук капучим, и это, как правило, единственный признак того, что входное напряжение слишком высокое.

Кстати, 19 В постоянного тока также необходимо для увеличения ватт-часов для более продолжительного времени работы и снижения тока в больших ноутбуках, потому что вездесущий цилиндрический разъем рассчитан только на 5 А - и это действительно хороший показатель. Большинство 2-3А. Это главная причина, по которой вы не хотите подключать и отключать этот разъем, когда ваш компьютер включен, так как вы сожжете контакты, что в итоге приведет к ненадежному контакту в этом разъеме.

Чтобы узнать больше о разъемах для ПК, см .: https://en.wikipedia.org/wiki/DC_connector

Кстати, у ПК также есть «газовый датчик» батареи, который говорит вам, сколько времени работы у вас осталось при работе от батарей. Этот «датчик» должен отслеживать ток, входящий и выходящий из батарей. (Текущий баланс, а не энергия контролируется, поскольку эффективность разряда / заряда тока составляет почти 100%, тогда как эффективность использования энергии изменяется и значительно меньше, чем 100%). Хотя они достаточно точны в реальном времени, они имеют ошибки, которые накапливаются со временем, и емкость литиевых батарей уменьшается с возрастом, рабочими температурами и циклами зарядки. Это часто приводит к тому, что ваш ПК «говорит» вам, что у вас нет оставшегося времени работы, и он отключится, когда, фактически, батарея все еще будет на 50% емкости, что затем заставит вас выйти и купить новый (и дорогой) аккумулятор. Когда эта сменная батарея подключена к компьютеру, ПК распознает эту новую батарею и сбрасывает настройки емкости батареи. В глубине (некоторые / многие / большинство?) ПК есть процедура калибровки емкости батареи. Если у вас есть доступ к этому, ПК будет выполнять процедуру разрядки и перезарядки батареи пару раз, чтобы повторно откалибровать емкость батареи, что даст вам еще один или два года на исходном батарейном блоке, хотя и с уменьшением времени работы.

Если вы проверите напряжение, необходимое для ЖК-экранов на ваших ноутбуках, я думаю, вы найдете ответ. В последнее время я разбирал много ноутбуков, и обнаружил, что они требуют высокого напряжения.

Напряжение делится на 12В и 5В. Мини-компьютеры не для ноутбуков используют тот же вход 19 В без ячеек или дисплея.

Две шины имеют плату 12 В (+/- 5 В и 3,3 В), периферийные устройства 5 В для приводов и иногда USB. Обычно они делятся из-за раскрутки. Это может потреблять максимальный ток и потребует, чтобы материнская плата была разработана для него (загляните внутрь блока питания переменного тока, и вы увидите большие конденсаторы и катушки индуктивности). Настольные компьютеры обычно разделяют USB +/- 5 В по той же причине с большим количеством портов и цепочками / концентраторами Daisy. Они также поставляют дополнительные рельсы для графического процессора.

Все это состоит в том, чтобы поддерживать постоянные напряжения на материнской плате (процессор, память, ввод / вывод). Периферийные устройства могут гораздо лучше переносить переменные напряжения (электродвигатели и твердотельные преобразователи постоянного тока в постоянный ток для USB и SDD).

Жесткие диски по-прежнему являются двигателями и работают на уровне 12 В.

Когда архаика уступает твердому состоянию, 19v исчезнет. Когда все существующие твердотельные состояния на материнской плате более эффективны, так как микросхемы перешли с 12 В CMOS на низкие уровни от 1,8 до 3,3 В сегодня, потребность в более чем 5 В исчезнет. Аккумулятор станет одной ячейкой.

19 В осталось от тех дней, когда «легковесные» компьютеры - до ноутбуков, должны были создать -5,5 и 12 вольт для материнской платы. У них был автономный источник питания с четырехпроводной вилкой. Вскоре это был всего лишь двухпроводный штекер, ноутбук создавал 3 внутренних напряжения. От -5 до 12 - это 17 вольт, с дополнительными 2 вольтами, которые я предполагаю в качестве запаса для регулирования мощности. Это осталось от этого. jmarc@gmx.com