He notado que, a menudo, los cargadores y las baterías de las computadoras portátiles tienen voltajes más altos que los niveles lógicos, de 1 a 5 v. Estoy construyendo una computadora portátil y originalmente estaba usando una batería lipo de 3.7 v. Tengo curiosidad si debería ponerlos en serie para obtener un voltaje más alto y obtener un chip de carga apropiado o simplemente quedarme en 3.7 v.
¿Cuál es la ventaja de las baterías de mayor voltaje si está regulada para computación de nivel lógico?
Porque si bien la potencia total permanece igual, la caída de voltaje en un cable debido a corrientes altas se puede evitar con voltajes más altos y corrientes más bajas. El cobre es caro y es más sencillo manejar 2,5 amperios a 20 V que 10 amperios a 5 V.
Ley de potencia de Ohm:
La potencia perdida en el cobre, y que necesita ser disipada 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 suministrar energía a la computadora portátil y usarla dentro de la computadora portátil, con la menor cantidad de corriente, pero aún dentro de los niveles ELV (voltaje extra bajo) (< 50 V) por razones de seguridad/cumplimiento, entonces sus cables son más barato, sus componentes internos de administración de energía son más baratos, su complejidad de disipación de calor y gastos generales son menores porque pierde menos energía como calor.
Los reguladores de voltaje de modo de interruptor reductor (tomando el N * 4.2V/celda de varias celdas de litio en serie y regulándolo a niveles lógicos) se pueden hacer lo suficientemente eficientes (> 90%) dentro de ciertas restricciones, lo cual es un compromiso mucho mejor que alimentar, digamos, 5V @ 10A desde un bloque de alimentación a unos pocos metros de la computadora portátil.
No puede ejecutar la lógica directamente desde la batería, ni puede cargar la batería directamente desde una fuente de alimentación de voltaje fijo. La parte informática 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 impulsar la luz de fondo de la pantalla (aunque eso puede haber cambiado con el cambio de CCFL a LED)
El voltaje de una celda de iones de litio generalmente se enumera como 3,6 V, pero en realidad varía de aproximadamente 2,8 V al final del ciclo de descarga a aproximadamente 4,2 V al final del ciclo de carga.
Es más fácil/más barato/más eficiente hacer convertidores que solo aumenten el voltaje en una dirección que hacer convertidores que puedan aumentar y disminuir el voltaje y las pérdidas resistivas generalmente disminuyen con un voltaje más alto.
Así que volvamos a la pregunta de cuántas celdas poner en serie.
Una celda en serie significa que necesita un convertidor ascendente/descendente para 3,3 V y un convertidor ascendente para 5 V. 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 margen para que el convertidor suministre 5V. Dado que 5V a menudo suministra cargas pico como motores que tienen espacio libre, es útil.
Entonces tiene sentido usar 3 celdas en serie. La mayoría de las computadoras portátiles parecen optar por tres o cuatro, y la elección se decide principalmente por limitaciones físicas y / o de capacidad (algunas computadoras portátiles en realidad pueden admitir ambas).
Entonces, el voltaje de entrada debe estar cómodamente por encima del voltaje completamente cargado, de modo que el circuito de carga solo tenga que realizar una conversión descendente. El voltaje completamente cargado para una celda de 4 celdas es de aproximadamente 16,8 V, por lo que tiene sentido un voltaje de entrada de alrededor de 19 V-20 V.
Es importante tener en cuenta que el voltaje de la batería no es constante. Las celdas de iones de litio comunes varían desde alrededor de 4,2-4,3 V con carga completa hasta menos de 3,0 V. El voltaje de corte exacto varía según el circuito de protección, desea evitar caer al punto donde la recarga es imposible, pero aunque es de 2,7 V o menos, hay muy poca energía utilizable entre un corte de 2,7 V y un corte de 3,0 V. Aún así, parte del rango útil de la batería está por debajo de la entrada mínima de 3,6 V (o más o menos) que necesita un regulador de caída baja.
Por lo tanto, para obtener un riel regulado de 3,3 V a partir de una disposición de celdas en serie única, el regulador tiene que admitir voltajes de entrada tanto por encima como por debajo de la salida, por ejemplo, un regulador reductor-elevador. Mientras que si coloca al menos 2 celdas en serie, su voltaje mínimo es superior a 5,5 V y puede usar un regulador reductor para una salida de 3,3 V e incluso 5,0 V.
Los reguladores Buck son más simples, pequeños y económicos que sus hermanos Buck Boost.
En baterías en electrónica real, los arreglos de 2 series ("7.4 V") son populares. La serie 3 y la serie 4 son incluso mejores en algunos aspectos (pérdidas en el cable de carga), pero las ventajas incrementales no son tan grandes y comienzan a sacrificar la compatibilidad con, por ejemplo, cargadores de 12 V como USB QuickCharge y USB C PD.
Hagamos un presupuesto de energía para una computadora portátil...
CPU y GPU: muchos vatios (10-50 W) a alrededor de un voltio.
DDR, chipset, WiFi, etc.: algunos rieles de voltaje como 2.5V y 3.3V, diría 10-20W.
Disco duro: la especificación SATA requiere 5 V y 12 V, aunque la mayoría de los discos duros de 2,5" en realidad no usan el suministro de 12 V, si no está allí, su computadora portátil solo funcionará con algunos discos duros, por lo que tiene un problema de marketing...
Unidad de DVD: el mismo problema, pero peor, ya que hacer girar un CD o DVD grande a altas velocidades requiere alrededor de 10 W...
Ventiladores - 5V o 12V
Cosas conectadas a USB: las personas ven puertos USB, conectan dispositivos USB que consumen la corriente máxima según las especificaciones y esperan que funcione.
Amplificadores de audio y altavoz integrados - 5 o 12V
Luz de fondo de la pantalla: esta es bastante potente, para CCFL usará un inversor, para la luz de fondo LED usará un controlador 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 alimentada por batería para esto.
Si su "computadora portátil" es en realidad un teléfono inteligente o una tableta como un iPad, sin unidades de disco duro o DVD, solo unos pocos chips flash en la placa base en su lugar ... una CPU ARM muy eficiente ... sin ventiladores, sin 12V ... Las cosas son más sencillas, y una celda de litio de 3,6 V probablemente sea la solución más sencilla. El único voltaje que necesita un impulso DCDC será de 5 V para el host USB, pero la corriente es bastante limitada.
Sin embargo, para una computadora portátil x86 estándar, desea usar un voltaje de batería superior a su riel de 12 V, por lo que todos sus convertidores DCDC son buck, que son más eficientes que boost. Así que tendrás que usar 4 o más celdas de Li en serie.
Si no tiene una unidad de DVD y puede especificar el HDD, entonces realmente no necesita un riel de 12 V, pero aún necesita 5 V para USB, por lo que podría usar 2-3 celdas.
Su convertidor DCDC más grande será la CPU VRM que generará muchos amperios a alrededor de 1V. Realmente desea que este sea eficiente, y los convertidores reductores tienden a degradarse cuando la relación Vin/Vout se vuelve 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.
Todos parecen usar 4 o 5 celdas, es decir, de 14 a 20 V, aproximadamente. Es el punto ideal para la eficiencia.
Luego compra baterías, decide si desea celdas de bolsa hechas a medida para hacer que su McBook Air sea delgado a la moda o gordo y barato de 18650...
Las computadoras portátiles usan un cargador de batería de 19Vin a DCDC y también salidas mobo DCDC LV con entradas de batería o cargador de 19V si está activo.
El voltaje de la celda depende de los vatios necesarios para hacer funcionar una luz de fondo de pantalla más grande y, por lo tanto, menos pérdida de conducción con una corriente más baja a un voltaje de cadena de celdas más alto.
Entienda esto.
Hay muchas razones, además; costo, eficiencia y flexibilidad.
El DC-DC de 19 V típico a niveles lógicos, 5, 3,3, 1,2, etc. es independiente de la carga de la batería y de la batería. No necesita tampoco para operar la computadora portátil.
El cargador de batería regulará la carga actual según la cantidad restante después de que se satisfaga el MOBO. Este regulador DC-DC para perfiles de batería V e I complejos es independiente del anterior para el MOBO
Solía haber una plétora de cargadores de portátiles "universales" con selectores de aproximadamente 12 a 24 V con muchas configuraciones para las diferentes necesidades de los OEM.
Ahora en América del Norte, estos están casi extintos y reemplazados por "cargadores universales" de 19 V que satisfacen todas las computadoras portátiles recientes y nuevas que necesitan 65 W o más. Apple sigue siendo único con su conector y otros usan la comunicación de identificación inteligente para habilitar solo la parte del cargador de batería de todos los convertidores CC-CC y aún deben ejecutar el MOBO.
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