Микросхема TP4056 зарядного устройства¶

TP4056 — интегральная микросхема (ИМС), предназначенная для зарядки одноэлементных литий-ионных (Li-Ion) и литий-полимерных (Li-Pol) аккумуляторных батарей от источника постоянного тока с напряжением 4,5–5,5 В. Относится к классу линейных зарядных контроллеров с постоянным током и постоянным напряжением (CC/CV). Микросхема производится китайской компанией Nanjing Top Power ASIC Corp. (TPOWER) и получила широкое распространение в недорогих портативных устройствах и модулях для самостоятельной сборки электроники.

¶История и распространение

TP4056 появилась на рынке в начале 2010-х годов как бюджетная альтернатива более сложным зарядным контроллерам. Благодаря низкой стоимости (менее 0,1 доллара США за микросхему в оптовых партиях), минимальной внешней обвязке и простоте включения она быстро завоевала популярность среди радиолюбителей и производителей потребительской электроники. Массовое распространение модулей на базе TP4056 связано с развитием движения «сделай сам» (DIY), а также с ростом популярности переделок электроинструмента с никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов на литиевые.

¶Конструкция и принцип работы

Микросхема выпускается в корпусе SOP-8 (Small Outline Package) с восемью выводами, а также в корпусе DFN-8 (безвыводной). Основные функциональные блоки TP4056 включают:

• Регулятор тока зарядки — задаёт постоянный ток заряда в первой фазе (CC).
• Регулятор напряжения — ограничивает напряжение на аккумуляторе на уровне 4,2 В во второй фазе (CV).
• Схема контроля температуры — отключает зарядку при перегреве кристалла.
• Схема контроля окончания заряда — прекращает заряд при снижении тока ниже порога (обычно 10% от установленного).
• Схема индикации состояния — управляет двумя внешними светодиодами (CHRG и STDBY).

Принцип работы основан на двухстадийном профиле заряда. На первой стадии (CC) микросхема подаёт на аккумулятор постоянный ток, величина которого задаётся внешним резистором, подключённым к выводу PROG. Когда напряжение на батарее достигает 4,2 В, начинается вторая стадия (CV): ток плавно снижается, а напряжение удерживается на уровне 4,2 В. Заряд считается завершённым, когда ток падает до порогового значения (около 50–60 мА при максимальном токе 1 А).

¶Технические характеристики

Основные параметры микросхемы TP4056:

• Напряжение питания: 4,0–5,5 В (рекомендуемое 5,0 В).
• Максимальный ток заряда: до 1 А (программируется внешним резистором).
• Напряжение окончания заряда: 4,2 В ± 1 %.
• Ток покоя (после окончания заряда): менее 2 мкА.
• Ток отключения заряда: 10 % от программируемого тока.
• Защита от переполюсовки: отсутствует (требуется внешняя схема).
• Защита от перегрева: встроенная, отключение при температуре кристалла выше 145 °C.
• Рабочая температура: от −40 °C до +85 °C.

Программирование тока заряда осуществляется резистором RPROG, подключённым между выводом PROG и землёй. Зависимость описывается формулой: Iзар = 1200 / RPROG (где ток в амперах, сопротивление в омах). Для тока 1 А требуется резистор номиналом 1,2 кОм.

¶Типовые схемы включения

Микросхема используется как в составе готовых модулей, так и в виде отдельного компонента на печатной плате. Наиболее распространённый модуль представляет собой небольшую плату с микросхемой TP4056, разъёмом micro-USB или USB Type-C для питания, контактными площадками для подключения аккумулятора (B+ и B−) и двумя светодиодами индикации.

Типовая схема включения содержит:

• Входной конденсатор 1–10 мкФ (по питанию).
• Выходной конденсатор 10–22 мкФ (на аккумулятор).
• Резистор программирования тока (1,2 кОм для 1 А).
• Два резистора для светодиодов (обычно 1 кОм).
• Два светодиода: красный (идёт заряд) и синий/зелёный (заряд завершён).

¶Особенности и ограничения

¶Защита аккумулятора

TP4056 не имеет встроенной защиты от переразряда, короткого замыкания нагрузки и переполюсовки. Для безопасной работы с литиевыми аккумуляторами требуется внешняя плата защиты (protection circuit module, PCM), которая обычно встроена в сам аккумулятор или устанавливается отдельно. Многие готовые модули на базе TP4056 дополнительно оснащаются микросхемой защиты DW01A и полевым транзистором FS8205A, что обеспечивает отключение аккумулятора при переразряде (ниже 2,4 В) и коротком замыкании.

¶Тепловыделение

Поскольку TP4056 является линейным регулятором, избыточное напряжение (разница между входным 5 В и напряжением аккумулятора 3,7–4,2 В) рассеивается в виде тепла. При токе 1 А и напряжении батареи 3,7 В мощность потерь составляет около 1,3 Вт, что вызывает значительный нагрев корпуса. Для снижения температуры рекомендуется уменьшать ток заряда или обеспечивать теплоотвод.

¶Отсутствие USB-логики

Микросхема не поддерживает протокол USB-идентификации (не «договаривается» с USB-портом о максимальном токе). При подключении к компьютеру или зарядному устройству она потребляет ток, который способен обеспечить источник, вплоть до установленного резистором предела. Это может привести к перегрузке слабых USB-портов.

¶Применение

TP4056 используется в следующих областях:

• Портативная электроника — зарядка аккумуляторов в фонарях, игрушках, электронных сигаретах, беспроводных наушниках.
• DIY-проекты и прототипирование — модули TP4056 широко применяются при создании самодельных устройств на базе Arduino, ESP8266, ESP32 и других микроконтроллеров.
• Переделка электроинструмента — замена никель-кадмиевых аккумуляторов на литиевые в шуруповёртах и других инструментах.
• Системы резервного питания — зарядка литиевых аккумуляторов в устройствах бесперебойного питания малой мощности.
• Солнечные зарядные устройства — в паре с повышающим или понижающим преобразователем для зарядки от солнечных панелей.

¶Аналоги и модификации

Существует ряд совместимых по назначению микросхем и модулей:

• TP4056A — улучшенная версия с повышенной точностью и меньшим током покоя.
• TP4054 — упрощённый вариант в корпусе SOT-23-5 с меньшим максимальным током (до 800 мА).
• TP4057 — аналог с током до 500 мА.
• CN3065 — китайский аналог с поддержкой зарядки от солнечных панелей.
• ME4056 — аналог производства китайской компании Micro One.
• STC4056 — клон с аналогичными характеристиками.

¶Критика и недостатки

Основные нарекания пользователей связаны с отсутствием встроенной защиты от переполюсовки и переразряда, а также с существенным тепловыделением при больших токах. Некоторые дешёвые модули, собранные на TP4056, используют завышенные номиналы резисторов, что приводит к току заряда выше заявленного и перегреву. Кроме того, микросхема не поддерживает зарядку аккумуляторов с напряжением выше 4,2 В (например, LiFePO4 с напряжением 3,6 В), что ограничивает область её применения.

¶Источники

• Техническое описание (datasheet) TP4056 компании Nanjing Top Power ASIC Corp.
• Обзоры и практические руководства по применению модулей TP4056 в радиолюбительской литературе.
• Документация на модули защиты DW01A и FS8205A.