¿Por qué muchas computadoras portátiles funcionan con 19 voltios?

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 se pueden certificar como LPS (Fuente de alimentación limitada) con límites de suministro de energía no inherentes.

Si puede mantener los 20 voltios o menos, todo el asunto de la certificación de seguridad se vuelve más fácil y económico.

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

Ahora hay computadoras portátiles que utilizan fuentes de alimentación externas de exactamente 19 voltios. Eso no es un múltiplo de nada adecuado. Me desconcierta mucho.

Esta no es una cuestión de diseño como se planteó, 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 que se usa en casi todas las computadoras portátiles modernas.

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

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

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

• Se pueden usar voltajes ligeramente por debajo de 19 V, pero 19 V es un voltaje estándar útil que cubrirá 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 iones de litio en una "cadena" en serie y puede consistir en varias combinaciones en paralelo de varias cadenas en serie.

Una celda de iones de litio tiene un voltaje de carga máximo de 4,2 V (4,3 V para los valientes y temerarios). Para cargar una celda de 4,2 V, se requiere al menos un poco más de voltaje para proporcionar algo de "margen" que permita que funcionen los componentes electrónicos de control de carga. Como mínimo, alrededor de 0,1 V extra podría ser suficiente, pero por lo general, al menos 0,5 V sería útil y se podría 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 en el voltaje requerido. Un SMPS puede ser un convertidor Boost (aumenta el voltaje) o un convertidor Buck (disminuye el voltaje) o puede cambiar de uno a otro según sea necesario. En muchos casos, un convertidor reductor se puede hacer más eficiente que un convertidor elevador. En este caso, utilizando un convertidor reductor 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 una fuente de voltaje 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 necesario y la diferencia la acomoda el convertidor reductor, que actúa como una "caja de cambios electrónica", tomando energía a un voltaje y emitiéndola a un voltaje más bajo y una corriente apropiadamente más alta.

Con, digamos, 0,7 V de espacio libre, teóricamente sería posible usar, digamos, 16,8 V + 0,5 V = 17,5 V de la fuente de alimentación, pero usar 19 V garantiza que haya suficiente para cualquier eventualidad y que el exceso no se desperdicie a medida que el convertidor reductor convierte el voltaje hacia abajo según sea necesario. La caída de voltaje que no sea en la batería puede ocurrir 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 cerca de descargarse por completo, su voltaje terminal es de aproximadamente 3 V. El nivel bajo al que se les permite descargar está sujeto a consideraciones técnicas relacionadas con la longevidad y la capacidad. A 3 V/celda, 1/2/3/4 celdas 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 estar por debajo del 90 % de eficiencia (aunque algunos pueden serlo).

Recientemente reemplacé la batería de una 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 voltaje más bajo de la batería nueva, el circuito de carga se adaptó al cambio, reconoció la batería y se ajustó en consecuencia. Hacer este tipo de cambio en un sistema que NO está diseñado para acomodar una batería de menor 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 observar 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 principal aceptarán un voltaje que es múltiplo del voltaje de una sola batería.

No creo que esto sea generalmente cierto.

Es cierto que algunos dispositivos tienen entradas de potencia cuyo voltaje nominal es un múltiplo del voltaje nominal de la celda. Suelen ser dispositivos que pueden funcionar tanto con la red como con la batería, pero que no cargan su propia batería desde la red eléctrica. Los dispositivos que cargan sus propias baterías son otra cosa.

En general, desea que el voltaje de entrada a su circuito de carga esté por encima del voltaje de la batería durante todo el ciclo de carga.

Una celda de iones de litio/polímero es nominalmente de 3,7 V aproximadamente, pero el voltaje necesario para cargarla por completo es más como 4,2 V y el voltaje cuando está completamente descargada puede ser más como 3 V. Las baterías de las computadoras portátiles generalmente tienen 3 o 4 celdas en serie. Entonces, 19 V brinda una cantidad razonable de margen para el circuito de carga.

Los teléfonos móviles, tabletas y dispositivos móviles similares con baterías de iones de litio de una sola celda 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 de cargador de batería dc-dc de convertidor descendente similar, pero pueden usar diferentes chips y perfiles, que son administrados por la computadora portátil, no por el cargador externo. A menudo, se puede usar un rango más amplio de voltajes de cargador 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 tiene el brillo máximo. La luz de fondo es el consumo constante más grande y la CPU/GPU tiene los picos más altos para un uso de alto rendimiento. (i7 de cuatro núcleos, etc.)

Cargadores de batería universales.
Compré un cargador Universal durante un largo viaje por carretera. Más tarde opté por usarlo para impulsar 60 vatios de LED. El cargador se especificó a 15 ~ 24 V, 63 W 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 la línea de CC. Caractericé la entrada y descubrí que podía usarse para regular la salida de 5 a 50 V con un rango de control de entrada de 2,5 V centrado en 3 V. Utilicé un Log Pot, algunas 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 feliz con la luz del sol LED sobre la ventana salediza con una caja de huevos negra a prueba de reflejos. Era alrededor de 3 veces más brillante que la luz solar directa al máximo.

En cualquier caso, cada computadora móvil tiene que regular el suministro externo para que el voltaje exacto no sea tan crítico y pueda salirse con la suya 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, lo que afecta la caída de voltaje bajo carga y la ondulación de regulación cruzada que se propaga a otros reguladores que reducen y aumentan a bordo para CPU/E/S interna y periféricos, por ejemplo. 5 y 12V.

Los paquetes de PC móviles más grandes incluyen;

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

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

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

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 medio a lo largo del tiempo es bastante fijo, aunque el brillo de la pantalla, sobre todo las grandes, sí que influye notablemente.

Como han comentado otros, las computadoras portátiles tienen baterías de litio y, para obtener más tiempo de funcionamiento, necesita más energía (vatios por hora), por lo que necesita más baterías o 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, por lo general, esas baterías se colocan en serie (se necesitan menos circuitos (= más baratos) para cargar correctamente cuando las baterías están en serie en lugar de en paralelo) que luego da como resultado el voltaje de funcionamiento bruto de la computadora portátil. Los convertidores CC/CC internos luego toman ese voltaje bruto no regulado y producen los voltajes bajos regulados (3,3 V CC, etc.) que necesitan los componentes electrónicos.

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 fabricada en 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 operativa. 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 función llamada "Sense" que mide el voltaje de salida en la carga o el conector y compensa automáticamente la pérdida de IR, pero nunca lo he visto en una fuente de alimentación externa. (aunque estamos construyendo uno personalizado para una aplicación de 5 V/80 W para el ejército porque las pérdidas de IR son notables con 18 A fluyendo a través de unos pocos pies de cable de cobre)

Tenga en cuenta todo eso y con las 4 baterías de litio comúnmente utilizadas en serie para computadoras portátiles "más grandes" o más largas y terminará necesitando una fuente de alimentación externa nominal de 19 VCC que en realidad podría ser de alrededor de 17 - 20 VCC. Los convertidores internos de CC/CC para generar los voltajes de CC más bajos y el circuito de carga de la batería acepta fácilmente ese rango más probablemente otros pocos voltios más. Puede probar el voltaje de aceptación más bajo usando 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, lo que hace que su computadora portátil quede dañada y, por lo general, esa es la única indicación de que el voltaje de entrada es demasiado alto.

Por cierto, los 19 VCC también son necesarios para aumentar los vatios-hora para tiempos de funcionamiento más prolongados y reducir la corriente en las computadoras portátiles más grandes porque el omnipresente conector de barril 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 haciendo que el contacto no sea 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 "indicador de gas" de batería que le indica cuánto tiempo de funcionamiento le queda cuando funciona con baterías. Ese "indicador" tiene que rastrear la corriente que entra y sale de las baterías. (Se controla el balance de corriente en lugar de la energía, 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 el tiempo, las temperaturas de funcionamiento y los ciclos de carga. Esto a menudo hace que su PC le "diga" que no le queda tiempo de funcionamiento y que se apagará cuando, de hecho, la batería aún puede estar al 50% de su capacidad, lo que hace que salga y compre una nueva. (y caro) batería. Cuando se conecta la batería de reemplazo, la PC reconoce esa batería nueva y restablece la configuración de capacidad de la batería. En el fondo de (¿algunas/muchas/la mayoría?) de las PC existe una rutina de calibración de la capacidad de la batería. Si puede acceder a eso, la PC pasará por 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 otorga uno o dos años más con la batería original, aunque con un tiempo de funcionamiento decreciente.

Los 19 voltios son para cargar la batería que tiene varias celdas de iones de litio en serie. Los componentes electrónicos internos de la computadora portátil están alimentados 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 por la descarga durante el uso. Esta es la ÚNICA razón de 19 voltios. No tiene NADA que ver con los componentes internos reales de la computadora portátil, excepto la fuente de alimentación regulada por conmutación interna que se adapta al voltaje cambiante de la batería y proporciona voltajes constantes y regulados a los sistemas internos (CPU, ram, disco duro, etc.)