Wie schalten Laptops nahtlos von Netzstrom auf Akkubetrieb um?

Die Frage liegt also darin, wie der Laptop von der Verwendung des Netzstroms auf die Verwendung des Akkus umschaltet, ohne für den Bruchteil einer Sekunde herunterzufahren, wenn Sie das Gerät vom Steckernetzteil trennen?

Kurze Antwort: sehr schnelle Steuerung.

Es gibt viele Möglichkeiten, diese Funktionalität zu implementieren, aber auf modernen (ca. 2020) Motherboards erfolgt dies über einen dedizierten Lade-IC, der steuert, wann Strom von der Wechselstromsteckdose oder von der Batterie kommen soll, indem die Batterie angeschlossen/abgetrennt wird eines MOSFET zwischen der Batterie und dem Rest des Motherboards.

Das obige Beispielschema stammt aus dem ISL9238- Datenblatt. Dieser IC misst die AC-Eingangsspannung (die zum Zeitpunkt des Eintreffens an diesem IC DC ist) und verwendet diesen Eingang, falls vorhanden, um das Motherboard mit Strom zu versorgen und den Akku aufzuladen. Andernfalls schaltet der IC um, um das System nur von der Batterie mit Strom zu versorgen, und das Umschalten erfolgt innerhalb weniger Mikrosekunden.

Während dieses kleinen Fensters von n Mikrosekunden halten die Entkopplungskondensatoren auf der Platine genügend Ladung, um das Motherboard mit Strom zu versorgen. Und sollten diese Kondensatoren aus irgendeinem Grund nicht ausreichen, um das Motherboard während der Schaltperiode mit Strom zu versorgen, leitet die Body-Diode des Serien-MOSFET, bis der IC den MOSFET vollständig einschaltet.

Es gibt andere Betriebsmodi, die von diesem IC verfügbar sind (z. B. Batterie-Ergänzungsmodus), aber das liegt außerhalb des Bereichs dieser Frage.

Es gibt eine ganze Welt von Ladegerät-ICs, die dies tun: Der ISL9238 ist nur einer von ihnen. Wenn Sie mehr erfahren möchten, sehen Sie sich den Abschnitt Akkuladegeräte von Digikey an.

Eine Reihe von Laptops funktionieren genau so, wie Sie es beschreiben, und es ist tatsächlich sehr rau für die Batterien. Nicht nur auf 100 % zu laden, sondern nur bei 100 % im Leerlauf zu stehen, beansprucht eine Lithiumzelle.

Einige Ladesysteme leiten die Eingangsleistung separat an Batterie und Last um, wenn sie angeschlossen sind. Dies ist ein besseres System, da es mehr Kontrolle über den Batteriestrom gibt (da er getrennt vom Laststrom gemessen werden kann). Dies löst jedoch nicht das Problem des Leerlaufs bei voller Ladung.

Aus diesem Grund haben einige Laptops eine BIOS-Option, um den Akku nur auf 80 % aufzuladen. Einige Studien haben gezeigt, dass das Halten der Batterie zwischen 20 % und 80 % die Batterielebensdauer um eine Größenordnung verlängern kann, im Gegensatz zu einem Herunterfahren auf 0 und einem Aufladen auf 100.

Auch Ladezustände unter 20 % belasten Batterien überproportional.

Die Batterie- und Stromversorgungsschemata für Laptops sind sehr komplex. Wenn der Laptop an das Wechselstromnetz angeschlossen ist, wird die von dieser Einheit bereitgestellte Spannung sowohl an die internen Schaltnetzteile als auch an das interne Batterieladegerät geliefert. Die Batterie hat FET-Schalter oder ist am Ausgang mindestens diodenisoliert, so dass ein Laptop, der mit seiner Wechselstromversorgung läuft, überhaupt NICHT an die Batterie angeschlossen ist. Diodenisolation wird aufgrund des Vf/Power-Problems selten verwendet, es werden FET-Schalter oder sogenannte aktive Dioden verwendet.

Die Batterie aufzuladen (und ihren Zustand zu kennen) ist eine komplexe Aufgabe. Die meisten Laptops zeigen im Netzbetrieb eine prozentuale Ladung des Akkus an, und dies erfordert, dass der Akku von den DC-DC-Wandlern der internen Hauptstromversorgung isoliert ist. Um den Ladezustand der Batterie herauszufinden, ist ein komplexer Spannungsüberwachungs- oder Leistungszustands-IC erforderlich, der in das Batteriepaket eingebettet ist.

Wenn Sie sich Gedanken über die Betriebseigenschaften eines Laptops machen, fallen Ihnen vielleicht folgende ein:

1. Die Batteriespannung ist nicht die gleiche wie die externe Stromversorgungsspannung, und typischerweise würde ein Abwärtswandler verwendet werden. Die meisten typischen Laptops haben einen Eingangspegel von 19 V (oder so ungefähr).

2. Die meisten Laptop-Akkus (LiIon) haben 4 Zellen, sodass die maximale Spannung etwa 16,8 V beträgt. Dies ermöglicht einen vernünftigen Spannungsabfall (ein Buck-Ladegerät) von 19 V.

3. Praktisch alle Laptops haben eine Bildschirmanzeige für den Ladezustand, und dieser wäre fast unmöglich zu berechnen, wenn der Laptop sowohl Strom aus dem externen PS als auch aus dem Akku ziehen würde.

Das ist einfach. Es ist wie dein Auto.

Der Laptop ist immer mit dem Akku verbunden und kann immer daraus schöpfen.

In der Zwischenzeit speist die "Lichtmaschine" (in diesem Fall der Leistungsblock) Strom in das System ein.

In Ihrem Auto ist die Lichtmaschine so eingestellt, dass sie genau die Erhaltungsspannung Ihrer Batterie ausgibt , sodass Strom fließt, bis sie vollständig aufgeladen ist, und dann stoppt der Batteriestrom einfach. Die gesamte Lichtmaschinenleistung geht in die Systeme des Autos. Dies ist gut genug gewählt, dass Autos SLA-Batterien wie Optima Red-Tops verwenden können.

In Ihrem Laptop passiert weitgehend das Gleiche, aber der Laptop-Akku wird auch durch eine Schutzschaltung geschützt, die den Stromfluss behindert, der den Akku gefährden oder beschädigen würde. So wird nichts dem Zufall überlassen. Die Schutzschaltungen unterbrechen den Stromfluss, wenn dies erforderlich ist.