Vorteil einer seriellen gegenüber einer parallelen Batterie in Handheld-Produkten

Es gibt viele Handheld-Produkte wie Laptops oder Handheld-Messgeräte, bei denen alle Teile mit 3,3 V oder niedrigerem VCC gut funktionieren würden. Diese Geräte werden jedoch immer noch mit einer 11,1-V-Batterie oder einer höheren Spannung geliefert.

Meine Frage ist, ist es nicht effizienter, 3 Zellen parallel statt in Reihe zu verwenden, um die Verlustleistung am Spannungsregler zu reduzieren?

Als Beispiel für einen lüfterlosen Laptop (wie Asus UX305 ) scheinen 5 V für die meisten Teile ausreichend zu sein, sodass ein 7,4-V-Akku mit 2 Zellen wahrscheinlich besser geeignet ist als ein 11,1-V-Akku mit 3 Zellen.

Wo gehe ich falsch?

Sie brauchen auf jeden Fall einen DC / DC, und wahrscheinlich haben Sie auch 1,8-V-artige Teile darin
In DC/DC-Wandlern ist es effizienter, eine Spannungsquelle herunterzustufen, als eine Spannungsquelle hochzustufen. Aufwärtswandler sind 5–10 % weniger effizient als Abwärtswandler. Wenn Sie lineare Spannungsregler verwenden, möchten Sie die Spannungsversorgung für In-> Out so nah wie möglich anpassen, um Energieverluste zu reduzieren.
@PlasmaHH ja ... aber wie KyranF sagte, reduziert das Annähern von Vin an Vout am Spannungsregler den Energieverlust. Verwenden Sie also weniger Spannung, scheint immer noch besser zu sein.
@ user41209 KyranF sprach über lineare Regler, die nahe bei Ein/Aus sein müssen.
@KyranF Ok. aber unter der Annahme, dass es keine Teile mit höherer Spannung gibt, die einen Aufwärtswandler benötigen, warum diese Handhelds eine höhere Spannung verwenden, die zu mehr Energieverlust führt.
@ user41209: Nicht wirklich für Abwärtswandler, die Nennlast ist der wichtigste Faktor für die Optimierung. Auch inklusive Headroom, selbst mit einem möglichen LDO, benötigen Sie mindestens 3,6 V, da diese Dinger ziemlich stromhungrig sind. Sie werfen den größten Teil der Ladung Ihrer Batterie weg, die normalerweise auf ~ 3 V entladen ist. Zwei in Reihe geschaltete können sich bis auf 6 V entladen und trotzdem problemlos einen Buck auf 3,3 V und alle anderen erforderlichen Spannungen herunterfahren.
@ pazel1374, das mit einer Lithium-Ionen-Einzelzelle (sagen wir, nützlicher Bereich 3 V - 4,2 V) betrieben wird, wird schlecht, wenn Ihre Linearregler einen Ausgang von 3,3 V haben und einen Ausfall von 200 + mV benötigen, was bedeutet, dass Ihre Batterie bei 3,5 V unbrauchbar wird und Sie Ihre deaktivieren müssen Gerät sonst mit einem nicht vorschriftsmäßigen LDO umgehen. Abwärtswandler haben auch größere Dropouts, normalerweise im Bereich von 1-2 V. Das Entladen auf 6 V mit einem 2-Zellen-Lithium-Akku ist also perfekt für 3,3 V und je nach Schaltung auch gut für 5-V-Schienen. Ich würde auf ~ 4 V regeln und LDO verwenden, um 3,3 V saubere Schienen zu erhalten.
@PlasmaHH Danke, du hast mich klar gemacht. Aber was ist der Vorteil von Seriell zu Parallel. Abwärtswandler erzeugen Rauschen und fügen dem Design mehr Komplexität hinzu. Darüber hinaus arbeitet Li-Ion bei 3,7 bis 4,2, was für mich nach genügend Headroom für LDO gut aussieht.
"Soweit ich weiß, reichen 3,3 V zur Stromversorgung für alle Teile in diesem HF-Analysator aus" - sind Sie sicher? Hast du das Ding nachgebaut?
@pazel1374: 4,2 ist das absolute Maximum, und wenn Sie möchten, dass Ihr LiPo länger hält, bleiben Sie etwas darunter. 3,7 ist nominal, und Sie entladen sich normalerweise auf 3,3-3,0 V. Dazu müssen Sie einen Spannungsabfall von ~ 5-6 Ampere hinzufügen, den Sie ziehen.
@ pjc50 Ich entwerfe etwas Ähnliches (nicht aus Reverse-Engineering). Auf dem Design des Netzteils sehe ich, dass dieser Handheld einen 3-Zellen-Akku verwendet, also habe ich mich gefragt, was der Vorteil ist ...
@KyranF Danke, deine Lösung gibt mir einen Einblick.
Sehr oft ist es ein kleiner Schaltkreis, der eine hohe Spannung benötigt, die schließlich das gesamte Design diktiert. Wie ein RS232-Anschluss (ich bin alt) oder ein Verstärker. Sobald Sie festgestellt haben, dass Sie sowieso einen DC-DC benötigen, müssen Sie herausfinden, welcher Weg der beste ist. Wenn Sie auch eine negative Spannung benötigen, erhöht dies die Komplexität. Üblicherweise benötigt man, wenn man groß anfängt und klein wird, weniger Wandler als umgekehrt und reduziert den reflektierten momentanen Bedarf an der Batterie.
Beachten Sie, dass Mobiltelefone einen beträchtlichen Strombedarf haben können und fast immer über Einzelzellenbatterien verfügen: Sie sind so konzipiert, dass die digitale Seite mit 3,3/1,8 V und der HF-Leistungsverstärker, die Bildschirmhintergrundbeleuchtung usw. direkt mit der Batterie betrieben werden. Sie haben auch benutzerdefinierte "Beutel" -Zellen, die jede Größe haben können, solange es sich um ein ungefähr flaches Rechteck handelt. Wenn Sie eine größere Packung wünschen, als sie bequem als Beutel erhältlich ist, besteht die Standardpraxis darin, sie aus 18650-Zellen zu bauen.

Antworten (3)

Die Entscheidung, einen bestimmten Spannungseingang zu verwenden, wird nicht notwendigerweise anhand der Hauptversorgungsspannung getroffen, die in einem Gerät verwendet wird.
Betrachten Sie Ihre Frage zum ASUS-Laptop:

Sein Eingang beträgt 19 V; eine ziemlich standardmäßige Laptop-Versorgungsspannung, die jedoch wahrscheinlich nicht für interne Computer- oder Peripheriegeräte verwendet wird.

Bei 19 V und 45 W können Sie mit ca. 2,3 A maximalem Leitungsstrom rechnen.
Bei 12 V würde das auf etwa 3,75 A ansteigen.
Bei 5 V ... 9 A.
Bei 3,7 V (1-Zellen-Spannung) ... 12 A.
Spannungsverluste würden in den Drähten und Steckern bei niedrigeren Spannungen kritischer werden Gesamtdesign viel anspruchsvoller. Es ist auch viel schwieriger, ein internes Batterieladegerät zu entwickeln, da Sie jetzt Eingang/Batterie mit der gleichen Spannung mit FETs trennen müssen, damit ein SM-Ladegerät betrieben werden kann.

Intern laden sie die Batterien möglicherweise nicht einmal mit vollem Strom auf, wenn der Laptop gleichzeitig eingeschaltet ist, um sowohl die Verlustleistung innerhalb des Gehäuses als auch die Stromstärke in der Eingangsversorgungsleitung zu steuern. Sie können aus den technischen Daten ersehen, dass die Rechen-/Anzeigeseite des Laptops je nach Anzeigenutzung (Auflösung/Helligkeit) nur 5-7 W verbraucht.
Der Akku im ASUS ist wahrscheinlich ein 4-Zellen-14,8-V-Akku mit aktivem Kapazitätsmanagement, aber ohne Zellenausgleich. Ich sehe es nicht angegeben, würde aber von einer maximalen Ladezeit von etwa 1 - 2 Stunden für den Akku bei beispielsweise 2 ° C ausgehen.

Die meisten Referenzdesigns von Intel basieren auf einer 12-V-Versorgung (Rechenelemente auf Core-Ebene). Das Referenzdesign (das vollständig debuggt ist) aufzugeben und dafür eine neue Methode zu entwerfen, wäre ein riskantes Unterfangen. Selten sehen Sie OEMs wie ASUS, Apple oder Microsoft, die sich bei etwas anderem als Peripheriegeräten weit von der Referenzplattform entfernen.

Zurück zu Ihrer Frage ... könnte der Laptop mit einem parallel geschalteten Einzelzellen-Akku betrieben werden ... sicher, aber es wäre erheblich schwieriger, das Gerät zu entwerfen.

Ich würde die Zellen in Reihe schalten. Der Abwärtswandler kann so ausgelegt werden, dass er über einen ziemlich großen Eingangsspannungsbereich gut funktioniert, sodass Sie die Zellen auf eine so niedrige Spannung herunterziehen können, dass keine Energie mehr vorhanden ist.

Bei mehreren parallelen Zellen würde ich mir Sorgen über eine kleine Diskrepanz machen und eine Zelle, die versucht, andere Zellen rückwärts zu fahren, wenn alles ausgeschaltet sein soll.

Im Allgemeinen ist eine höhere Spannung bei niedrigerem Strom einfacher zu handhaben und hat weniger Verluste als eine niedrigere Spannung bei höherem Strom. Dies setzt voraus, dass sich alles auf einer "niedrigen" Spannung befindet, z. B. unter 20 V oder zumindest unter 30 V. Sie möchten lieber keine 100 V zum Ansteuern Ihres 3,3-V-Geräts haben, sondern 11 V gegenüber 7,5 V, den 11 V ist wahrscheinlich einfacher, effizient zu verwenden.

Eine übliche Anordnung, insbesondere in leistungsintensiven Anwendungen wie modernen CPUs, wird als Lastpunktregelung bezeichnet .

Dies speist eine höhere Spannung bei einem niedrigeren Strom um dünnere Leiterbahnen auf der Hauptplatine herum, um Abwärtsregler an den Stellen zu speisen, an denen die niedrigeren Spannungen benötigt werden. An diesem Punkt wird es eine niedrigere Spannung mit höherem Strom und dickeren Spuren.

Dies hat den Vorteil, dass die Leistungsführung einfacher ist, weniger Leiterbahnen benötigt, die Leiterbahnen dünner sind und Sie geringere Verluste in der Leistungsschaltung erhalten.

Es ist genau die gleiche Idee wie Hochspannungsleitungen, um Strom im ganzen Land zu übertragen und ihn dann für den Verbrauch auf niedrigere Spannungen umzuwandeln: weniger Übertragungsverluste und dünnere Kabel.

Und dafür wollen Sie natürlich eine höhere Spannung, keine niedrigere Spannung. Sie beginnen also mit einer Hochvolt-Batterieanordnung, um Ihnen das Leben zu erleichtern. Schließlich wäre es sehr verschwenderisch, von 3,7 V auf 12 V zu erhöhen, um dann wieder auf 3,3 V oder 1,8 V zurückzufallen.

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