Обзор возможностей и схема контроллера заряда tp4056

Литий-ионные аккумуляторы имеют массу достоинств, но требуют постоянного контроля при зарядке (да и во время разряда). Нарушение режима пополнения энергии может привести к выходу элемента питания из строя, а в худшем случае – к возгоранию и взрыву. Процесс зарядки должен происходить под управлением специальной электронной схемы, которую можно построить на базе контроллера заряда Li-ion аккумулятора TP4056.

Описание и сфера использования

Контроллер заряда представляет собой микросхему в корпусе SOP8, предназначенную для SMD-монтажа и имеющую 8 выводов (все выводы функциональны и могут быть задействованы при подключении). Основное предназначение микросхемы:

• контроль процесса зарядки Li-ion батарей стабильным током в пределах 1 А (устанавливается с помощью внешних элементов);
• прекращение подзаряда при достижении установленного порога напряжения;
• индикация состояния зарядки (в процессе/завершено);
• прерывание процесса при достижении верхнего уровня температуры.

Внешним сигналом микросхема может быть переведена в режим ожидания – заряд аккумулятора при этом прервется.

Алгоритм зарядки под управлением TP4056 выглядит так:

1. Если напряжение на клеммах заряжаемого аккумулятора ниже 2,9 вольт, активируется режим зарядки малым током (0,1 от заданного).
2. При уровне на клеммах в пределах от 2,9 до 4,1вольта зарядка производится установленным током.
3. При достижении напряжения 4,1 вольта батарея дозаряжается в режиме стабилизированного напряжения до 4,2 вольт, до достижения тока, равного 0,1 от заданного. После этого зарядка прекращается.

Если во время зарядки обнаружится повышенная температура банки, процесс прерывается.

Микросхема не требует подключения дополнительных силовых или активных элементов, и позволяет заряжать единичные литий-ионные ячейки, включая распространенные 18650, непосредственно от USB-порта.

Технические характеристики

Электрические характеристики микросхемы приводятся для напряжения питания 5 вольт и температуры окружающей среды +25 град.С:

• потребляемый ток (при Rпрог=1,2 кОм) – 150 мА;
• выходной уровень в режиме стабилизации напряжения – 4,2 В;
• пороговое напряжение – 2,9 вольт;
• ток зарядки при напряжении батареи ниже порогового (при Rпрог=1,2 кОм) – 130 мА.

Микросхема может длительно работать при коротком замыкании заряжаемой батареи. Диапазон рабочих температур – минус 40..+85 град. С, при пайке нельзя превышать уровень +145 град.С.

Напряжение питания батареи может меняться в пределах от 4 до 8 вольт DC.

Принципиальная схема TP4056

Производитель в datasheet не дает внутренней схемы TP4056. Упомянуто лишь, что она построена на полевых транзисторах (MOSFET) с P-каналом и не требует защиты в виде блокировочных диодов от отрицательного (втекающего от батареи) зарядного тока.

Варианты подключения и нюансы настройки

Перед подключением микросхемы надо разобраться с назначением ее выводов. Нумерация пинов идет от ключа против часовой стрелки (если смотреть сверху).

На нижней поверхности корпуса расположен теплоотвод, не соединенный ни с одним из выводов.

1. Temp. Сюда можно подключить вывод штатного датчика температуры, который встраивается в некоторые батареи. Нормальным режимом считается, если напряжение датчика лежит в пределах от 0,45 до 0,8 от напряжения питания. При выходе за эти пределы заряд блокируется.
2. Prog. Сюда подключается резистор, определяющий ток заряда (второй вывод резистора – на общий провод). Стандартное значение резистора – 1,2 кОм, при этом ток составит 1 А (максимальное значение).
3. GND. Общий вывод.
4. VCC. Напряжение источника питания. Он же является источником зарядного тока, поэтому должен быть рассчитан на полный ток заряда плюс небольшое потребление самой микросхемы.
5. BAT. Сюда подключается плюсовой вывод батареи. Минусовой подключается к общему проводу.
6. STDBY. Вывод с открытым стоком. Индикация дежурного режима (используется для опознавания окончания заряда). На выводе присутствует низкий уровень в процессе зарядки (подключен к нулевому проводу), а если зарядка не идет – вывод в состоянии высокого сопротивления.
7. CHRG. Индикация зарядки. Вывод с открытым стоком. Пока батарея заряжается, присутствует низкий уровень, в противном случае в состоянии высокого сопротивления.
   

   Если заряд прекращен по повышению температуры батареи, или батарея отсутствует, или ее напряжение слишком низкое — оба светодиода будут погашены.

8. CE. Разрешение заряда. Если на нем уровень около напряжения питания, микросхема работает в нормальном режиме. При подаче нуля (соединение с общим проводом), процесс заряда прекращается.

Типовое включение микросхемы указано в Datasheet. Питание подается через фильтр из резистора 0,4 Ома и конденсатора 10 мкФ (устанавливать не обязательно, но желательно для защиты от помех).

К выводам 7 и 6 через токоограничивающие резисторы в 1 кОм подключены катоды светодиодов, индицирующих дежурный режим и режим зарядки. Для режима STDBY выбран LED с зеленым цветом свечения, для режима CHRG – с красным.

Цвет свечения светодиодов принципиального значения не имеет и на работоспособность схемы не влияет – можно устанавливать светоизлучающие элементы с любым цветом.

С помощью резисторов R1 и R2 на входе Temp создано смещение. Оно позволяет заряжать аккумуляторы, не подключая датчик температуры (например, при его отсутствии). Заряжаемая батарея подключается между выводами 5 (положительный вывод) и общим проводом (отрицательный вывод). Параллельно аккумулятору можно подключить аккумулятор емкостью 10 мкФ. При его установке при отсутствии батареи зеленый светодиод будет гореть постоянно, а красный вспыхивать с периодом 1..4 сек.

К выводу 2 подключен «программирующий» резистор. Он определяет ток заряда в режиме стабильного тока. Зависимость тока от сопротивления выглядит так:

Iзар=(1/Rпрог)*1200, где Rпрог – сопротивление «программирующего» резистора в килоомах, а Iзар – ток заряда в миллиамперах. Для стандартных номиналов резисторов соотношение тока и сопротивления приведено в таблице.

Более совершенное зарядное устройство можно получить, если дополнить TP4056 модулем защиты на DW01A. Для подключения дополнительно модуля не надо вносить изменения в базовую схему – схема на DW01A подключается к выводам контроллера (к микросхеме надо добавить два N-канальных полевых транзистора с изолированным затвором), а батарея подключается к выводам дополнительного участка.

Дополнительная схема осуществляет несколько защит аккумулятора:

1. От перезаряда. Если напряжение на аккумуляторе по какой-либо причине превысит 4,2 вольта, транзистор, управляемый от пина 1 микросхемы, отключит аккумулятор от зарядного устройства. Если напряжение падает ниже установленного порога. FET открывается вновь.
2. От переразряда. Если напряжение на батарее упадет ниже 2,4 вольта, левый по схеме транзистор, управляемый от вывода 3, отключит аккумулятор от нагрузки.

При коротком замыкании отключаются оба транзистора. Обнаруживается режим КЗ по резкому падению напряжения.

Читайте также

Самодельное зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов

 

Варианты модуля на базе TP4056 с на AliExpress

Оба варианта модуля можно собрать самостоятельно, изготовив плату и установив на ней необходимые элементы. Но на AliExpress можно купить готовые модули, причем стоимость окажется не выше, чем если покупать детали поэлементно.

Можно приобрести модуль зарядного устройства на базе TP4056 без защиты. Отличить ее можно:

• по описанию (содержит фразу No protect);
• по внешнему виду (на плате всего одна микросхема);
• по выходным контактным площадкам (есть маркировка Bat+ и Bat-, отсутствует Out+ и Out-).

По умолчанию плата настроена на зарядный ток в 1000 мА (установлен программирующий резистор на 1,2 кОм). Чтобы изменить зарядный ток, надо демонтировать Rпрог и впаять другой резистор с нужным сопротивлением. Программирующий резистор может быть расположен по-разному, в зависимости от разводки платы, но можно проследить по дорожкам, какой элемент подключен к пину 2 микросхемы. Другой признак программирующего элемента – маркировка сопротивления 122 (1,2 кОм).

Для подключения питания на плате предусмотрен разъем и контакные площадки с маркировкой In+ и In- (они равнозначны).

На плате может быть установлен коннектор USB, microUSB, miniUSB или USB type С – если этот факт имеет значение, надо обратить внимание при покупке.

Для зарядки батареи из двух или более аккумуляторов модули можно соединять последовательно по выходу, но при этом ни в коем случае нельзя соединять параллельно по входу (то есть, питать одновременно от одного источника). При таком подключении один из модулей будет замкнут накоротко (цепь КЗ показана на рисунке красной линией).

При последовательном соединении плат TP4056 их надо питать от раздельных источников.

Рекомендуем: Как правильно заряжать литий ионный аккумулятор

Более распространены устройства с защитой:

• на плате установлены три корпуса;
• в описании есть фразы Protected или With protection;
• наряду с контактными площадками Bat+ и Bat- присутствуют Out+ и Out-.

Схема подключения этого модуля стандартная:

• питание подается через разъем или контактные площадки In+ и In- (или + и -);
• батарея подключается к контактам Bat+ и Bat-;
• можно подключить аккумулятор к выводам Out+ и Out-, но при этом схема защиты на DW01A задействована не будет.

Благодаря своей простоте и дешевизне, зарядники литиевых аккумуляторов на базе TP4056 получили широкое распространение. Их можно применять и нестандартными способами – там, где требуется стабилизация тока в пределах 1 А. Все зависит от фантазии пользователя.