TP4056 — легендарная микросхема, дающая вторую жизнь старому железу

1. Вступление

Микросхема TP4056 — специализированный контроллер для зарядки Li‑ion и Li‑Po аккумуляторов по алгоритму CC/CV (Constant Current / Constant Voltage). Он предназначен для работы с конфигурациями 1S (одна ячейка или несколько параллельно — nP) с фиксированным напряжением окончания зарядки 4,2 В. Контроллер позволяет задать зарядный ток в диапазоне от 50 до 1000 мА с помощью изменения сопротивления одного резистора. Его можно назвать линейным стабилизатором с функцией контроля тока и напряжения (CC/CV).

Микросхема уникальна тем, что присутствует на рынке уже более десяти лет и заслуженно носит статус «народной». Её популярность объясняется предельно простой схемой включения, выносливостью и безотказностью: конструкция надёжная и простая, как лом. Внутри миниатюрного корпуса SOP-8 есть термозащита, контроль напряжения и блокировка при обратных токах, что прощает многие ошибки начинающих мастеров, делая её неубиваемой при штатном подключении. Ну а если вдруг она ляжет, буквально за 10–20 рублей можно купить новую, при условии, что берёте оптом.

Но перед тем, как приступить к её подробному изучению, я разберу значение CC/CV.

2. Разница между CC/CV

CC (Constant Current) — расшифровывается как «стабилизированный ток». В этом режиме микросхеме TP4056, без разницы, какое напряжение на выходе в диапазоне от 3 до 4.2 вольт, она будет отдавать строго указанный ток.

CV (Constant Voltage) — расшифровывается как «постоянное напряжение». В этом режиме микросхема стабилизирует выход строго до 4.2 вольта. Это полная противоположность CC: здесь микросхеме «всё равно», какой у неё ток на выходе (в диапазоне от 0 мА до 1 А), — она жестко удерживает заданное напряжение. Но если напряжение на выходе просядет (например, при резком падении сопротивления нагрузки), чип мгновенно перейдёт обратно в режим стабилизации тока.

Но как же TP4056 может так менять напряжение, а вследствии косвенно контролировать ток зарядки?

3. Основа работы всех линейных стабилизаторов

Первое, что важно понимать: все линейные стабилизаторы считаются понижающими. Сделать их повышающими физически невозможно. Либо придётся городить гибрид из повышающего DC‑DC преобразователя, LC‑фильтров по питанию и только после него ставить линейный стабилизатор. Но проще тогда уж сразу использовать импульсный buck‑boost преобразователь.

Сама микросхема TP4056 работает в линейном режиме: разница напряжений между входом и выходом выделяется на ней в виде тепла. Мощность тепловыделения рассчитывается по формуле P = ∆U*I, где ∆U — разница между входом и выходом. То есть, если на входе 5 вольт, а на выходе 3 вольта, то чип погасит на себе 2 вольта. При токе в 1 ампер на микросхеме будет выделяться 2 ватта, что очень немало для её маленького корпуса.

На борту микросхемы TP4056 есть силовой P‑канальный MOSFET‑транзистор, и на нём завязывается весь принцип работы контроллера зарядки.

У транзисторов есть переходное состояние между открытым и закрытым положениями — его называют линейным режимом. Так, подав на затвор определённое напряжение, можно добиться сопротивления от максимально возможного (мегаомы) до минимального (миллиомы). Конечно, этот график зависимости сопротивления от напряжения нелинейный: он зависит от множества переменных, которые простираются от погрешности техпроцесса до внешних условий (температура, приложенное напряжение и так далее).

Также основные технические характеристики транзистора тоже плавают, поэтому принято указывать их в области допустимых значений. Общий пример для абстрактного транзистора: Rds(on) <=30 мОм, то есть сопротивление может быть не более 30 мОм.

В общем, логическая часть микросхемы просто отвечает за то, чтобы менять напряжение на MOSFET‑транзисторе таким образом, чтобы выходное напряжение не превышало 4,2 вольта, а ток — 1 ампера. Чип плавно переходит от режима CC к CV, попутно сообщая пользователю статус зарядки.

К примеру, если продолжить ту простую аналогию (5 вольт входящее напряжение, 3 вольта выходящее напряжение, ток 1 ампер, а дельта 2 вольта), то можно найти переходное сопротивление MOSFET‑транзистора, оно будет равно U/I=R, 2/1 = 2 Ома. Забегая наперёд скажу, последовательно там ещё резистор на 0.4 Ома стоит, итоговое сопротивление мосфета будет 2 — 0,4 = 1,6 Ом.

Также у неё есть интересная фишка, и сейчас я о ней расскажу

4. Главная и опасная фишка микросхемы TP4056

Данная фишка заключается в том, что микросхема может «реанимировать» аккумулятор с напряжением менее 2,9 вольта.

Современные литий‑ионные аккумуляторы боятся переразряда, как мороза: они очень быстро деградируют. Пластины растворяются, стабильность элемента падает, сопротивление увеличивается, а ёмкость тает на глазах. В общем, грубо говоря, происходит всё, что ухудшает характеристики ячейки. И чем дольше аккумулятор находится в таком состоянии, тем сильнее он деградирует.

В целом я не силён в реанимации аккумуляторов с точки зрения химии (мой профиль — это только безопасная практика) и детальную статистику не собирал. Однако я считаю, что наше здоровье гораздо дороже, чем сомнительная выгода от экономии на покупке нового элемента путём дальнейшей эксплуатации дестабилизированного аккумулятора. Скажу одно точно: если напряжение на банке упало совсем низко (< 1В), её проще сразу выбросить. Точнее, правильно утилизировать, сдав в специальный пункт утилизации.

Вернёмся к теме. Процесс реанимации у TP4056 выглядит так: микросхема просто заряжает аккумулятор током в 1/10 от заданного, потихоньку возвращая его напряжение в норму, и при достижении 2,9–3 В выходит на номинальный зарядный ток.

Я ещё раз повторюсь: в аккумуляторе, который перешёл черту нижнего порога напряжения и долгое время имел потенциал значительно ниже 2,9 вольта, уже начались необратимые химические реакции и деградация — то самое образование дендритов.

Дело в том, что сепаратор (изолятор) внутри батареи может быть пробит кристаллами лития. Через этот микроскопический прокол в любой момент может замкнуться цепь и потечь ток короткого замыкания, ограниченный исключительно внутренним сопротивлением батареи и сопротивлением перехода. В итоге вся тепловая мощность сосредоточится в этой точке, расплавит и уничтожит площадь близлежащих сепараторов, увеличит зону замыкания — и этот процесс будет уже необратимым.

В таком случае совета два: либо выкидываем аккумулятор в окно, либо засыпаем его песком. В обоих случаях, чтобы предотвратить последствия, стоит не бросать одного горящий аккумулятор, как костёр, и следить за процессом горения. Если дело начнёт выходить из‑под контроля, стоит вызвать спецслужбы. Водой тушить нельзя: литий мгновенно вступит в бурную реакцию.

Итак, в целом я предупредил, что*пользоваться такой функцией микросхемы не стоит по вышеупомянутым причинам. В первую очередь TP4056 — это чип для зарядки исправных аккумуляторов. Продолжим.

5. Способ настройки зарядного тока и строение платы

Строение платы на TP4056 может показаться сложным (конечно, есть те, кто спокойно разбирается в ней, но я сделаю упор на максимальную простоту и доступность для всех): микросхема, какие‑то резисторы, конденсаторы… На самом деле схема проста до безобразия — по крайней мере, в части обвязки. А вот о том, что творится внутри самого кремниевого чипа, мы говорить не будем, иначе статья будет очень длинной.

Давайте разберём каждую деталь:

• Конденсаторы — два оранжевых «кубика», стоящие у микросхемы. Они нужны для сглаживания пульсаций по питанию и для увеличения стабильности работы схемы в целом.

• Токозадающий (программный) резистор. Он стоит в обвязке второй ножки микросхемы TP4056. Это самый важный компонент для пользователя: именно его сопротивление определяет, каким током будет заряжаться ваш аккумулятор — от 50 мА до 1 А

• Светодиоды. Стоят у плюсового входа. Нужны для индикации статуса работы микросхемы: один синий, другой красный. Они анодом подключаются к общему плюсу, а вот управляет ими микросхема, «заземляя» катоды через свои логические транзисторы.

• Токоограничивающие резисторы, стоящие у светодиодов. Они нужны для ограничения тока, проходящего через светодиоды, чтобы те не сгорели от слишком большого тепловыделения на кристалах. Эти резисторы соединяются со светодиодами последовательно и уходят напрямую на ножки управления микросхемы.

• Токоограничивающий (балластный) резистор перед микросхемой. Это самый крупный резистор на плате (с маркировкой R400 или аналогичной, сопротивлением 0,4 Ома). Он нужен для того, чтобы снять часть тепловой нагрузки с микросхемы на себя. Он как бы «просаживает» входное напряжение перед микросхемой, из‑за чего разница между входом и выходом самой микросхемы уменьшается. В результате тепловыделение чипа падает, и он работает уже не в таком жёстком режиме.

• Микросхема TP4056 — главная звезда этой статьи. Она включает в себя и логическую, и силовую часть в одном корпусе. Она делает всё то, что я описал выше. Сама по себе она тоже представляет собой схему из десятков логических элементов и резисторов, но внутреннее строение у неё на порядок сложнее. Поэтому, чтобы не проводить длинный реверс‑инжиниринг, пока представим её «чёрным ящиком»: ей дали определённые параметры и значения, она их преобразовала и выдала результат.

• Разъём для зарядки. На большинстве готовых модулей это Micro‑USB или более современный Type‑C. Из советов могу сказать: будьте внимательны к подбору кабеля. Если вы используете длинный и тонкий китайский провод, на нём может упасть до 0,5 В и более. В таком случае TP4056 просто не сможет выйти на номинальный ток, и процесс зарядки сильно растянется. При этом КПД преобразования у самой TP4056 вырастет (если оценивать его строго в периметре платы), но чуда не произойдет: выделяемое тепло просто перераспределится на провод, который сработает как последовательный паразитный резистор в схеме.

• Текстолитовая плата. Она выполняет функцию радиатора. Поскольку TP4056 во время работы сильно греется вместе с балластным резистором (выделяя до 2 Вт по примеру выше), всё лишнее тепло уходит в плату через основание микросхемы — специальную металлическую подложку, общую массу. Если производитель сэкономил на меди или плохо пропаял центральный контакт, чип будет быстро уходить в термозащиту.

Также моя версия платы простая, на ней реализована только зарядка, но существуют и другие варианты, где реализована ещё и базовая BMS. Впрочем, общая топология там такая же, два разделённых блока. Если говорить грубо, плату с защитой (BMS) можно разделить визуально на две части.

Раз уж мы затронули плату с защитой, прошу заметить: «плюс» здесь общий, а разрыв нагрузки (защитное отключение) происходит по «минусу».

Так что если вы при пайке случайно «залили» припоем и соединили площадки B+ и OUT+, не расстраивайтесь — плата не потеряет свою работоспособность. На уровне разводки дорожек они и так сидят на одном контакте.

Также для полноты картины я выложу схемотехнику обоих вариантов плат. Сравнение схем наглядно покажет разницу между «голым» контроллером и модулем с интегрированной защитой.

Взял с сайта РОБОТЕХНИКА18.РФ

На этой схеме вы можете увидеть внутреннее строение модуля TP4056 без защиты.

Вот так выглядит схема с защитой:

Взял из открытых источников

Тут же схема хоть и выглядит страшнее, но база — та же. Просто добавляется обвязка, способная контролировать аккумулятор. Компонент U2 (DW01) — это «мозги» защиты: микросхема анализирует напряжение и решает, стоит ли обесточить нагрузку. А U3 (сборка полевых транзисторов 8205A) — это, по сути, исполнитель. Если что‑то пошло не так (переразряд или КЗ), U2 фиксирует и закрывает мосфет U3, разрывая цепь.

Вернёмся к сути. Весь процесс изменения тока зарядки заключается в замене того самого токозадающего резистора у микросхемы. Он один в поле воин, перепутать его с другими компонентами будет сложно. Главное здесь — не залить всё припоем. Работа с SMD‑деталями формата 0603 требует определённого опыта и аккуратности.

Но заметьте: дорожки от этого резистора идут на общий минус и на вторую ножку микросхемы. Если вы боитесь запороть плату при замене SMD, можно просто удалить штатный резистор и установить вместо него обычный выводной резистор на 0,25 Вт. А какой именно номинал выбрать — я сейчас расскажу:

6. Таблица данных для изменения тока зарядки и формула расчёта

Формула расчёта тока на первый взгляд кажется специфической

R =1200/I, где R — сопротивление в Омах, а I — желаемый ток в Амперах.

Таковы законы математики для данной микросхемы. Но чтобы вам было проще и не пришлось доставать калькулятор, есть готовые данные:

1000 мА — требуется сопротивление 1.2 кОм, (стоит в стоке)

900 мА — требуется сопротивление 1,33 кОм

800 мА — требуется сопротивление 1.5 кОм

700 мА — требуется сопротивление 1.66 кОм

600 мА — требуется сопротивление 2 кОм

500 мА — требуется сопротивление 2.4кОм

400 мА — требуется сопротивление 3 кОм

300 мА — требуется сопротивление 4 кОм

200 мА — требуется сопротивление 5 кОм

130 мА — требуется сопротивление 10 кОм

7. Нестандартное применение TP4056

Так как TP4056 можно назвать умным стабилизатором напряжения и тока, ей можно найти кучу применений. Я приведу несколько примеров. Некоторые из них уже были придуманы до меня, но есть и те, которые я разработал сам.

Первый способ — это использование TP4056 в качестве линейного драйвера для мощных светодиодов. Поскольку микросхема по своей сути является стабилизатором тока, она отлично подходит для плавной регулировки яркости светодиодов в самодельных фонарях и светильниках. Чтобы реализовать это на практике, вместо штатного SMD‑резистора нужно установить переменный резистор (потенциометр), но обязательно в связке с постоянным резистором на 1,2 кОм. Такая «страховка» нужна для того, чтобы даже при крайнем положении регулятора сохранялось минимальное базовое сопротивление. Оно не позволит току превысить безопасный порог в 1 А, иначе чип просто сгорит. Главный плюс применения линейного преобразователя заключается в том, что он работает без ШИМ‑модуляции. Это значит, что ваш самодельный свет не будет давать мерцания и противных полос на камеру при видеосъёмке.

Второй способ — TP4056 можно использовать как полноценный симулятор Li‑ion или Li‑Po аккумулятора. Любая стандартная техника, рассчитанная на литий, будет работать от такого источника абсолютно стабильно. Но самое интересное начинается при имитации падения напряжения. Например, если добавить на выход пару конденсаторов и параллельно включённый диод, вам откроется доступ к испытаниям реактивных нагрузок. Вы можете менять ток «на лету», имитируя просадку напряжения на реальном аккумуляторе и наблюдая, как меняются обороты двигателя, выходные параметры и эффективность тестируемого устройства или яркость лампы. И если вдруг TP4056 сгорит — не беда, она стоит копейки (около 0,5$), и её можно поменять буквально «на коленке». Но дело становится куда веселее, если соединить пять таких плат параллельно: вы получите полноценный испытательный стенд с током до 5 А для тестов силовой нагрузки. Важно понимать: TP4056 стабилизирует ток, но не создаёт его из воздуха, поэтому для работы массива плат заранее позаботьтесь о мощном источнике питания на 5 В. И помните: соединять модули можно только параллельно! Последовательное включение недопустимо — вы просто замкнёте общие массы через дорожки плат и получите короткое замыкание.

Третий способ — TP4056 можно использовать в качестве простейшего Smoke Stopper для проверки низковольтных цепей на наличие кз. Вы выставляете лимит тока в районе 0,5 А с помощью токозадающего резистора и подключаете плату к тестируемому устройству. Если индикатор горит красным, но устройство при этом успешно инициализировалось и подало признаки жизни — поздравляю, вы всё собрали правильно! Если же аппарат не включился, значит, что вы где‑то есть короткое замыкание. TP4056 просто ограничит ток на безопасном уровне, вместо того чтобы сжечь устройство.

Общий вывод такой: я считаю, что TP4056 — это одна из тех плат, которые просто обязаны были стать народными. Она своего рода «Калашников» в мире электроники: дешёвая, надёжная и, главное, не порождает диких пульсаций в сети. А как её применять — решать уже вам.

А теперь чуть‑чуть неформального диалога. Перечитывая свою статью пятимесячной давности, я был просто поражён тем, как я писал. Но если для развлекательного контента такой слог ещё подошёл бы, то Хабр, как я понимаю, уже требует строгий технический язык. Поэтому я не поленился и переработал оригинальный текст, подстроив его под нормы данной площадки. В целом на этом всё, всем 73!

Источник: habr.com