1. Вступление

Литий-ионные аккумуляторы стали неотъемлемой частью портативной электроники – от смартфонов до Arduino-проектов. Однако для их безопасной зарядки нужен особый подход и контроль параметров. TP4056 – это крошечная микросхема-зарядное устройство, которая обрела огромную популярность благодаря простоте и надежности. Она является универсальным и широко используемым решением для зарядки одноэлементных Li-ion аккумуляторов, обеспечивая эффективную и безопасную зарядку. Именно поэтому TP4056 стала популярным выбором в самых разных электронных проектах и потребительских устройствах​ . Другими словами, этот недорогой модуль позволяет безопасно заряжать литий-ионные аккумуляторы практически где угодно – от самоделок до промышленных изделий – без сложных схемотехнических решений.

2. Принцип зарядки литий-ионных аккумуляторов

Чтобы понять роль TP4056, стоит разобраться, как именно заряжаются Li-ion аккумуляторы. Стандартный подход – это метод CC/CV (Constant Current / Constant Voltage – постоянный ток / постоянное напряжение). Сначала разряженному аккумулятору подается стабильный ток (этап постоянного тока CC). Этот ток поддерживается неизменным до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не достигнет заданного максимума (около 4,2 В для литий-ионных элементов)​ . Когда аккумулятор достигает этого порогового напряжения, зарядное устройство переходит в режим постоянного напряжения CV – поддерживает напряжение на уровне ~4,2 В, постепенно уменьшая зарядный ток по мере насыщения аккумулятора​ . Такой алгоритм обеспечивает максимально полный заряд без перегрузки – ток естественным образом падает, когда батарея практически заполнена, что сводит к минимуму риск перезаряда.

Однако зарядка Li-ion проходит несколько этапов, а не только два. Если аккумулятор глубоко разряжен (напряжение очень низкое), применяется фаза предварительной зарядки – так называемый trickle-charge. На этом этапе зарядный ток ограничивается малым значением (около 10% от максимального) для бережного «пробуждения» аккумулятора. Например, TP4056 при разряженном аккумуляторе ниже ~2,9 В автоматически уменьшает ток до ~130 мА​ ​, чтобы аккуратно поднять напряжение. Когда аккумулятор подзарядится до ~3,0 В, устройство плавно увеличивает ток до установленного номинала и переходит в основной режим CC​ . Далее, как упоминалось, при достижении ~4,2 В вступает режим CV – ток падает, скажем, с 1 А до все меньших значений (сотни миллиампер и ниже). Когда ток упадет примерно до 0,1× от начального (так называемый C/10), зарядный цикл считается завершенным, и подача тока прекращается​ . Такой порог (около 10% от максимального тока) используется как критерий полной зарядки аккумулятора. TP4056, в частности, автоматически завершает заряд, когда ток упадет до 1/10 от запрограммированного значения​ . После этого аккумулятор больше не потребляет ток, и можно считать, что он заряжен на ~100%. Важно, что в отличие от Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторов, Li-ion не требует продолжать зарядку малым током после достижения полного заряда – напротив, это может навредить. Поэтому TP4056 полностью отключает заряд, как только критерий выполнен.

Для наглядности рассмотрим основные стадии зарядного цикла Li-ion аккумулятора и типичные параметры:

После завершения зарядки хорошие зарядные устройства продолжают мониторить аккумулятор. Li-ion аккумулятор имеет свойство медленно саморазряжаться. Если через некоторое время напряжение аккумулятора упадет (обычно на ~0,1–0,2 В от максимального уровня), TP4056 автоматически возобновит зарядку – фактически начнет новый цикл CC/CV, чтобы снова довести батарею до 4,2 В​ ​. Эта функция называется автоматической подзарядкой (recharge) и гарантирует, что аккумулятор поддерживается полностью заряженным при подключенном питании, без риска перегрузить его. Благодаря описанному алгоритму зарядки Li-ion аккумуляторов – плавному, многофазному и контролируемому – обеспечиваются долговечность и безопасность элементов.

3. Схема зарядного модуля на TP4056

TP4056 чаще всего используется в виде готового зарядного модуля – крошечной платы, на которой размещены сама микросхема и несколько дополнительных компонентов. Такой модуль можно подключить к источнику 5 В (например, к USB-порту) и к аккумулятору, получив полностью функциональное зарядное устройство. Рассмотрим подробно его типовую схему и функциональные элементы:

Вход питания (5 В). Модули оснащаются разъемом micro-USB или USB Type-C для подачи напряжения 5 В от зарядного устройства или порта компьютера. Также часто предусмотрены альтернативные контакты IN+ и IN– для прямого подключения к источнику питания. Входная цепь иногда содержит защитный предохранитель или резистор ограничения тока, хотя во многих минималистичных модулях его может не быть. Главное – модуль нуждается в стабильном источнике 5 В, способном дать ~1 А тока, ведь TP4056 заряжает аккумулятор довольно большим током.

Микросхема TP4056. Сердце модуля – сама зарядная интегральная схема TP4056 (8-выводный чип в корпусе SOP-8 или аналогичном). Она напрямую управляет процессом зарядки: контролирует ток, напряжение и время завершения. TP4056 подключается ко входу 5 В (вывод VCC) и к клеммам аккумулятора (вывод BAT для положительного полюса, отрицательный полюс батареи – на общий GND). Также у нее есть несколько функциональных выводов, о которых поговорим ниже (Prog, TEMP, STAT). Физически микросхема размещена на плате, часто рядом с ней сделан полигон меди для отвода тепла, поскольку при зарядке она рассеивает тепло.

Резистор программирования тока (R_prog). Единственный резистор на плате определяет максимальный зарядный ток. Он соединен между выводом PROG микросхемы и землей. Зарядный ток обратно пропорционален номиналу этого резистора. Типичное значение, которое ставят производители модулей, – 1,2 кОм (около 1 А). Из-за рассеивания тепла многие модули фактически ограничиваются ~0,85 А даже при 1,2 кОм, но в целом порядок тот же. Если же нужно заряжать аккумулятор меньшим током (скажем, аккумулятор небольшой емкости), этот резистор можно заменить на больший номинал, снизив тем самым зарядный ток. Например, замена R_prog с 1,2 кОм на ~2,2 кОм уменьшает максимальный ток до ~0,47 А, а использование ~4,7 кОм – до ~0,21 А. Такое простое настройки очень удобно и является одной из причин популярности TP4056.

Светодиоды-индикаторы. На модуле обычно установлены два светодиода разных цветов, подключенных к выводам статуса микросхемы (STAT). Один светодиод горит во время зарядки аккумулятора, а второй – когда зарядка завершена. Например, на многих платах красный светодиод означает, что идет заряд, а синий/зеленый загорается при достижении полного заряда. Так пользователь может с первого взгляда определить состояние: charging или charged. Статусные выходы TP4056 – открытые коллекторы, поэтому светодиоды подключены через резисторы к линии питания 5 В и соответствующему выводу STAT – когда вывод «тянет» к земле, светодиод горит. Интересно, что если батарея отсутствует или уже заряжена, один из светодиодов (тот, что отвечает за полный заряд) может гореть постоянно, а другой может мигать – это особенность работы статусных выводов, но логика индикации в целом проста.

Защитная схема аккумулятора. Большинство качественных модулей TP4056 содержат дополнительный чип защиты (например, DW01A) и спаренный MOSFET (FS8205A). Эта подсхема выполняет роль защиты аккумулятора от перепадов напряжения и сверхтоков при разряде/заряде. TP4056 сама по себе отвечает за правильный процесс зарядки, но не отключает батарею от нагрузки, если она разрядилась слишком сильно. DW01 как раз контролирует напряжение батареи и отключает ее от выходных клемм, если напряжение упало ниже ~2,4 В (глубокий разряд). Это предотвращает чрезмерный разряд, который мог бы испортить аккумулятор. Как только напряжение на элементе опустилось до порога, DW01 выключает выход (через транзисторы FS8205A), защищая батарею. Нагрузка при этом обесточивается, и батарея «отдыхает» в отключенном состоянии. Интересно, что даже в отключенном состоянии зарядка все равно возможна: если подать 5 В и начать зарядку TP4056, ток пойдет в батарею через внутренний диод MOSFET’ов. Когда аккумулятор достигнет ~3,0 В, DW01 снова соединит его с выходом (выйдет из режима защиты), и дальше батарея будет заряжаться нормально. Кроме того, DW01A обеспечивает защиту от перенапряжения при зарядке (срабатывает при ~4,3 В) и от превышения тока/короткого замыкания (~3 А). Таким образом, у типичного модуля на TP4056 есть полный набор защит: сама микросхема не допустит перезаряд >4,2 В, а DW01A не даст батарее чрезмерно разрядиться или отдать слишком большой ток. В паре с двухканальным MOSFET (две транзисторные структуры в одном корпусе, обеспечивающие малое сопротивление) это делает использование литиевых аккумуляторов гораздо безопаснее.

Контакты для аккумулятора и нагрузки. На плате обычно есть пары контактов: B+ и B- (для подключения аккумулятора), а также OUT+ и OUT- (для подключения нагрузки). Если модуль содержит защиту, то выход OUT+ фактически соединен с B+, а OUT- подключен после MOSFET. При срабатывании защиты выход Out- отключается от аккумулятора. В нормальном режиме B- и Out- соединены через транзисторы (их сопротивление – десятки миллиом). Нагрузка питается от аккумулятора до тех пор, пока его напряжение не упадет ниже безопасного уровня; тогда выход выключается. При зарядке батареи от TP4056 Out- снова подключается, когда батарея набирает достаточно напряжения (>3 В). В модулях без встроенной защиты имеются только B+ и B-; в этом случае рекомендуется использовать сам аккумулятор с встроенной платой защиты или внимательно следить за разрядом самостоятельно.

Собрав вместе все эти компоненты – TP4056, резистор программирования, индикаторы, при необходимости схему защиты – получаем полноценное зарядное устройство. Достаточно подать 5 В на вход, подключить Li-ion аккумулятор к выходу, и схема автоматически управляет зарядом в соответствии с алгоритмом CC/CV, описанным выше. По индикаторам можно видеть процесс (заряжается ли или уже заряжено), а защита позаботится о безопасности аккумулятора в случае нештатных ситуаций. Такой модуль чрезвычайно компактный (обычно несколько сантиметров), но выполняет работу, которая когда-то потребовала бы множества компонентов. Именно из-за простоты схемы и готовности «все в одном» модуль на TP4056 так популярен среди радиолюбителей и разработчиков.

4. Внутренняя структура TP4056

Несмотря на небольшие размеры, внутри TP4056 интегрирована довольно сложная аналоговая схема, реализующая весь алгоритм зарядки. Рассмотрим, какие функциональные блоки содержит микросхема и как они работают:

Внутренний линейный регулятор тока (пас-транзистор). Основой TP4056 является внутренний силовой транзистор (PMOSFET), который подключен между входом 5 В (VIN) и выходом BAT к аккумулятору. Этот транзистор работает в линейном режиме, регулируя протекание тока к батарее. Можно сказать, что TP4056 действует как управляемый резистор: изменяя сопротивление канала транзистора, она ограничивает ток или падение напряжения, поддерживая нужные значения. Важно, что внешний диод для предотвращения обратного тока не требуется – в схемотехнике TP4056 применен P-канальный MOSFET, подключенный таким образом, что при отсутствии входного напряжения он блокирует протекание тока от батареи обратно в источник​ ​. Иными словами, когда 5 В питания нет, внутренний транзистор отключает батарею от входа, не давая разряжаться аккумулятору через порт USB. Это преимущество над старыми решениями, где часто приходилось ставить диод, который понижал напряжение и нагревался. Также TP4056 не требует внешнего шунтового резистора для измерения тока – необходимые элементы измерения встроены внутрь​. Благодаря этому вся схема зарядного устройства получается очень простой и компактной.

Прецизионный опорный источник напряжения (4,2 В). Внутри микросхемы есть опорный источник напряжения, настроенный примерно на 4,2 В (с высокой точностью ±1,5%)​ . Это опорное значение служит целевым напряжением для зарядки аккумулятора. Блок сравнения (компаратор) постоянно сопоставляет напряжение на аккумуляторе (через внутренний делитель) с внутренней опорой. Пока напряжение батареи меньше 4,2 В, микросхема работает в режиме подъема напряжения (CC), но когда батарея достигает режима CV, этот компаратор начинает управлять транзистором так, чтобы напряжение не превысило 4,2 В. TP4056 фактически удерживает батарею у этого порога, не позволяя ей перезарядиться выше нормы. Точность ±1,5% означает, что фактическое напряжение может быть в пределах ~4,17–4,23 В​ , что вполне допустимо для литий-ионных ячеек (многие считают чуть более низкое напряжение даже полезным для долговечности).

Датчик тока и узел PROG. Контроль зарядного тока осуществляется через вывод PROG и соответствующий резистор (о котором упоминалось выше). Микросхема старается поддерживать определенное напряжение на выводе PROG, пропорциональное току. Согласно даташиту, в режиме постоянного тока на этом выводе поддерживается около 2,0 В​ . Это значит, что через резистор R_prog протекает ток (I_prog = 2 В / R_prog), а внутренний модуль измерения настроен так, чтобы зарядный ток был примерно в 1000 раз больше тока через резистор Prog. Формула, которую можно вывести: I_charge ≈ 1200 / R_prog (для R_prog в омах, I в амперах)​ . Например, при R_prog = 1200 Ω получается ~1 А, что и подтверждается практически​ . Когда батарея почти заряжена и TP4056 переходит в режим CV, напряжение на аккумуляторе фиксируется, и ток начинает спадать – соответственно, ток через резистор Prog тоже уменьшается, а напряжение на нем опускается. Как только оно упадет примерно до 0,2 В (это соответствует ~10% от нормального тока, ведь 2 В – 100%, 0,2 В – 10%), внутренняя схема фиксирует это как сигнал к завершению зарядки​ . Таким образом, узел R_prog выполняет двойную роль: задает максимальный ток и позволяет отслеживать текущий ток для управления процессом.

Коммутаторы режимов и пороги. Внутри TP4056 есть несколько пороговых схем (компараторов), которые переключают режимы зарядки. Одна из них следит за напряжением на аккумуляторе: если батарея ниже ≈2,9 В, микросхема работает в режиме trickle-charge (ограниченный ток, около 130 мА для R_prog=1,2 кОм)​ . Когда порог ~2,9 В превышен, TP4056 автоматически переходит на полный зарядный ток (режим CC). Другой порог – это как раз целевые 4,2 В: достигнув их, контроллер плавно переходит от режима постоянного тока к режиму постоянного напряжения. И, как отмечено выше, еще один критерий – ток в 1/10 от максимального – определяет момент отключения зарядки. Все эти пороговые уровни запрограммированы во внутренней логике чипа. Переключение режимов происходит плавно, без резких скачков: например, при переходе с trickle на CC TP4056 увеличивает ток постепенно (имеется небольшой гистерезис ~0,1 В, чтобы избежать «дребезга» режима в точке ~2,9 В)​ , а переход CC→CV тоже происходит мягко, что видно на графиках зарядки​ . Все это сделано для оптимизации времени зарядки и уменьшения нагрузки на аккумулятор.

Логика завершения и повторного запуска. Когда ток упал до порога завершения (C/10), TP4056 прекращает зарядку – внутренний транзистор выключается, фактически переставая пропускать ток к батарее. В этом состоянии чип переходит в режим Standby (ожидание): он потребляет очень малый ток и следит за напряжением батареи. Статусные выходы переключаются: индикатор «Charging» гаснет, а «Charged» загорается, сигнализируя о завершении цикла. Если теперь напряжение батареи начнет уменьшаться (из-за саморазряда или нагрузки на батарею) и упадет примерно до ~4,1 В, внутренний компаратор Automatic Recharge снова активирует транзистор и возобновит зарядку в режиме CC​ . То есть TP4056 автоматически поддержит аккумулятор полностью заряженным, когда питание подключено. Этот цикл может повторяться многократно – каждый раз, когда напряжение немного упало, зарядка включается, доводит до 4,2 В, и снова отключается. Если же питание 5 В будет отключено, TP4056 просто перейдет в неактивный режим и не будет мешать батарее работать на нагрузку.

Статусные выходы (STAT). Как уже отмечалось, у TP4056 есть два выхода статуса (иногда обозначаются STAT1 и STAT2). Это открытые коллекторы (open-drain), которые подключаются к светодиодам или к микроконтроллеру для индикации состояний. Один из них тянет к земле во время зарядки (и тем самым, например, зажигает красный светодиод), а второй – при полном заряде (зажигает зеленый/синий светодиод)​ . Когда соответствующее условие не выполняется, выход переходит в высокое сопротивление. Интересно, что эти два выхода также позволяют определить наличие питания: в даташите указано, что один из них индицирует «наличие входного напряжения»​ . Если питание отсутствует, оба выхода будут в неопределенном состоянии (да и светодиоды не загорятся из-за отсутствия 5 В). В типичном модуле, как мы видели, эти контакты используются чисто для LED, и пользователь визуально видит процесс зарядки. При необходимости их можно подключить к микроконтроллеру для более «умного» мониторинга (например, MCU может отслеживать, когда заряд завершен, и отключать устройство от питания).

Контроль температуры. TP4056 оснащен двумя уровнями контроля температуры: внутренним и внешним. Внутренний – это термозащита кристалла (thermal feedback): если кристалл микросхемы слишком нагревается (около +120…+145 °C), TP4056 начинает автоматически уменьшать зарядный ток, чтобы сбить температуру​ . Это очень полезная функция, ведь при зарядке большим током и падении напряжения на внутреннем транзисторе выделяется тепло. Без ограничения чип мог бы перегреться; вместо этого он вежливо «притормозит» ток, сохраняя безопасную температуру. В даташите указано, что максимальная температура кристалла 145 °C, и именно на этом уровне срабатывает ограничение тока (по сути, TP4056 переходит в режим Thermal Regulation вместо постоянного тока)​ . Внешний контроль – через вывод TEMP. Этот вывод предназначен для подключения термистора, закрепленного на аккумуляторе (обычно NTC 100 кОм, который изменяет сопротивление в зависимости от температуры батареи). TP4056 измеряет напряжение на TEMP и определяет, находится ли оно в допустимом диапазоне (обычно 45%–80% от напряжения питания)​ . Если температура аккумулятора слишком низкая или высокая (что приводит к соответствующему изменению сопротивления термистора и выходу напряжения TEMP за пределы 45–80% Vcc), микросхема приостановит зарядку​ , пока температура не вернется в нормальный диапазон. Таким образом, TP4056 может защитить батарею от зарядки при опасном холоде или перегреве. Если функция не нужна, производитель рекомендует просто заземлить вывод TEMP – тогда контроль отключается и зарядка идет независимо от температуры батареи​ . В большинстве готовых модулей TEMP как раз подключен к GND (термоконтроль отключен), но при самостоятельном проектировании можно использовать эту возможность для дополнительной безопасности.

Питание и спящий режим. TP4056 имеет встроенный порог UVLO (undervoltage lockout) – блок, следящий за напряжением питания 5 В. Если входное напряжение слишком упадет (ниже ~4 В) или исчезнет совсем, микросхема перейдет в специальный спящий режим (sleep mode)​ . В частности, когда VIN опустится до уровня, близкого к напряжению батареи (разница ~30 мВ), TP4056 отключается от батареи и потребляет от нее не более 2 мкА​ . Это гарантирует, что при отключенном питании микросхема не будет тайно разряжать аккумулятор. Такой ничтожный обратный ток (~несколько мкА) практически не влияет на батарею​ . Таким образом, можно смело оставлять модуль, подключенным к аккумулятору: если USB не подано, батарея не «утечет» обратно в схему (еще одно преимущество архитектуры без диода). При появлении питания 5 В TP4056 автоматически «проснется» и начнет новый цикл зарядки (если батарее это нужно). Кроме того, UVLO не позволяет заряжать, если напряжение питания недостаточно – например, ниже ~4,0 В зарядка просто не стартует, чтобы не нагружать источник питания зря.

Вывод управления (CE). В TP4056 предусмотрен вывод CE (Chip Enable) – включение/выключение микросхемы. Это цифровой вход: если подать на него низкий уровень (0), TP4056 отключится и не будет заряжать даже при наличии питания​ . По умолчанию на платах CE подключен к питанию (через подтягивающий резистор или напрямую) – то есть чип всегда включен. Но при желании пользователь может использовать этот вывод: например, поставить переключатель или транзистор, чтобы принудительно отключать зарядку. Это может понадобиться в специфических случаях – скажем, чтобы сохранить ресурс аккумулятора, можно отключать зарядку, недозарядив элемент, или для перезапуска чипа. В типичном применении CE не трогают.

Итак, TP4056 представляет собой довольно «умную» систему в корпусе маленькой микросхемы: она объединяет в себе и источник опоры, и контроллер тока/напряжения, и температурную защиту, и логику индикации/отключения. Все это позволяет реализовать полноценный алгоритм зарядки Li-ion «самостоятельно», без участия внешнего контроллера. Фактически, инженерам удалось интегрировать почти все необходимые компоненты (транзисторы, компараторы, источники тока и т. д.) в кристалл чипа, что делает TP4056 очень удобным. Именно наличие этих внутренних функций – терморегулирования, автоматического восстановления, UVLO, индикации – отличает его от более простых схем. Эти возможности, в сочетании с простотой применения, и привели к большой популярности TP4056.

5. Почему TP4056 стал таким популярным?

Как уже неоднократно упоминалось, TP4056 приобрел славу «дефолтного» решения для зарядки одиночных литий-ионных элементов во множестве устройств. Подытожим основные преимущества, которые обеспечили эту популярность, и сравним с альтернативами:

Минимум внешних компонентов. TP4056 – это почти готовое зарядное устройство в одном чипе. Для его работы нужны считаные элементы: один резистор для установки тока, пара небольших конденсаторов для фильтрации и (опционально) индикаторные LED. Ни внешних транзисторов, ни шунтов, ни диодов добавлять не нужно​ – все уже внутри. Это чрезвычайно упрощает жизнь инженерам. Для сравнения, другие решения могли бы потребовать отдельного контроллера и силового транзистора или диодов, что увеличивает размер платы и сложность монтажа. А тут – припаял маленький чип и пару деталей и получил работающее зарядное.

Низкая стоимость и доступность. Микросхема TP4056 выпускается многими производителями (изначально разработана компанией Nanjing Top Power ASIC, откуда и обозначение «TP»). Благодаря массовости и китайскому происхождению цена на нее очень низкая. На рынке можно найти модули на TP4056 буквально меньше чем за $1 (особенно при покупке комплектом). Это значит, что даже для бюджетных проектов добавить функцию зарядки Li-ion не проблема. Популярность также подкрепляется тем, что модули легко купить онлайн по всему миру. Например, радиолюбители часто заказывают их партиями по 5-10 штук для разных проектов. Универсальность применения (любой одноэлементный аккумулятор, стандарт 5 В питания) сделала TP4056 по-настоящему массовым компонентом.

Эффективность и безопасность зарядки. Хотя TP4056 – это линейное зарядное устройство (а не импульсный преобразователь), оно обеспечивает достаточно эффективную зарядку за счет оптимизированного алгоритма. В типичных условиях (5 В на входе, аккумулятор ~3,7 В) КПД может быть ~80% или чуть ниже – остальное теряется в виде тепла. Да, это меньше, чем в более сложных импульсных зарядных схемах (они могут давать >90% КПД), но зато линейная схема гораздо проще и дешевле. Плюс встроенная терморегуляция гарантирует, что даже при большем тепловыделении чип не выйдет из строя: при необходимости он просто немного снизит ток, удлинив время зарядки, но избежит перегрева​ . TP4056 обладает всеми необходимыми функциями для надежной и безопасной зарядки – автоматическое завершение при достижении полного заряда, контроль по току и напряжению, восстановление при просадке батареи, контроль температуры батареи (через TEMP) и собственный теплоконтроль​ . Это значит, что при правильном подключении риск перезаряда или перегрева аккумулятора минимален. Такие особенности делают TP4056 привлекательным даже для коммерческих устройств: многие гаджеты (например, фонарики, портативные аудиоколонки, повербанки небольшой емкости) используют эту микросхему или ее аналоги, ведь она доказала свою надежность.

Соответствие стандартам питания (USB). TP4056 отлично вписался в эпоху, когда почти повсюду под рукой есть USB 5 В для зарядки. Он рассчитан именно на работу от 5-вольтового источника и токи до 1 А, что соответствует возможностям типичного порта USB или зарядного адаптера. Более того, его выходное напряжение 4,2 В и токи ~0,5–1 А идеально подходят для большинства литий-ионных аккумуляторов емкостью от сотен до нескольких тысяч мА·ч (типовые 18650, 14500, Li-pol пакеты). Таким образом, использовать TP4056 для зарядки аккумулятора от USB – весьма логичное решение. Неудивительно, что многие производители модулей оснащают платы разъемом micro-USB, а в последнее время и USB-C (просто подключая линии 5 В Type-C, без реализации PD, но этого достаточно). TP4056 стал, по сути, стандартом де-факто для «USB-зарядки» одного аккумулятора.

Гибкость в использовании. Еще одна причина популярности – гибкая настройка тока и возможность параллельной работы. Как уже отмечалось, изменением одного резистора можно установить любой нужный ток до 1 А, что позволяет заряжать и маленькие аккумуляторы (ток 100–200 мА), и более емкие быстрее (800–1000 мА) с той же микросхемой. Кроме того, если нужно заряжать несколько аккумуляторов по отдельности, часто просто используют несколько модулей TP4056 – по одному на каждый элемент. Это проще и дешевле, чем искать многоканальный зарядный чип. Например, при сборке из двух аккумуляторов иногда ставят два модуля, каждый со своим входом, или заряжают батареи параллельно, увеличивая эффективную емкость​ . Хотя второй способ требует аккуратности (батареи должны иметь одинаковое напряжение перед параллельным соединением, чтобы выравнивающие токи не навредили​ ), сам факт, что TP4056 допускает подобные комбинации, добавляет ему очков в глазах разработчиков. Одноканальные модули можно масштабировать на несколько каналов, работая независимо – это удобно в многобатарейных устройствах (например, зарядная станция для нескольких 18650 – просто 4 модуля TP4056 на одной плате).

Альтернативы и сравнение. На рынке есть и другие похожие микросхемы, но у каждой свои особенности. Популярный аналог – серия Microchip MCP73831/2: они тоже линейные зарядные контроллеры для одного Li-ion элемента. Однако MCP73831 обычно ограничен током 500 мА, и для изменения тока нужно выбирать конкретную модель или особым образом конфигурировать (менее гибко). Плюс у него только один статусный выход (LED) и нет некоторых функций, которые есть у TP4056 (например, отдельного входа термодатчика в базовой модели). Другие аналоги – LTC4054, MAX1555 – также существуют, но чаще TP4056 выигрывает за счет сочетания цены и функционала. Что касается импульсных (step-down) зарядных контроллеров – их применяют там, где нужна большая эффективность или больший ток. Например, для зарядки от солнечной панели лучше выбрать специализированный контроллер с MPPT, а для быстрой зарядки 2–3 А – понижающий преобразователь (например, чип TP5100, который может давать 2 А на 4,2 В, или более сложные BQ241xx от TI с поддержкой балансировки). Но такие решения заметно сложнее (нужны дроссели, больше компонентов) и дороже. В сегменте же до 1 А от 5 В TP4056 практически не имеет конкурентов по сумме характеристик. В результате в интернете легко найти отзывы, что этот модуль – «хорошее зарядное устройство для DIY-проектов»​ , и многие выбирают именно его за оптимальное сочетание возможностей.

Подводя итог, TP4056 стал популярным потому, что он простой, дешевый и отлично справляется со своей задачей. Он обеспечивает правильный алгоритм зарядки Li-ion «без лишних хлопот», защищая аккумулятор, и его легко интегрировать даже новичку. В эпоху, когда практически каждый гаджет нуждается в аккумуляторе и зарядке от USB, наличие такого готового решения очень облегчило жизнь инженерам. Именно поэтому TP4056 встречается повсюду – от самодельных повербанков до серийных изделий.

6. Рекомендации по улучшению TP4056

Хотя TP4056 хорошо работает «из коробки», опыт энтузиастов показывает, что некоторые модификации или улучшения модуля могут повысить эффективность и удобство его использования. Вот несколько советов, которые можно реализовать в домашних условиях:

Настройка зарядного тока под свой аккумулятор. Если стандартный модуль рассчитан на 1 А, а вы заряжаете батарею небольшой емкости (скажем, 300 мА·ч), стоит уменьшить зарядный ток для продления ее ресурса. Как упоминалось, это делается заменой резистора R_prog. Например, штатные 1,2 кΩ (≈1000 мА) можно заменить на 2,2 кΩ, чтобы получить ~500 мА, или даже на 5 кΩ для тока ~200 мА​ ​. Такая операция требует паяльника и аккуратности (резистор очень мелкий SMD), но вполне осуществима – энтузиасты часто так делают. В результате аккумулятор будет заряжаться медленнее, зато прохладнее и щадяще, что важно для небольших или старых элементов.

Улучшение теплоотвода. При токах 1 А TP4056 может заметно нагреваться (особенно если разница напряжений велика, например батарея 3 В, а на входе 5 В – это 2 В * 1 А = 2 Вт рассеивается). Хоть у чипа есть тепловая защита, длительный перегрев – ничего хорошего. Чтобы обеспечить стабильную быструю зарядку без троттлинга, нужно позаботиться об охлаждении. На готовом модуле можно приклеить маленький радиатор на место, где расположен чип (конечно, через изолирующий слой, чтобы не было замыкания)​ . В тестах это дало заметный эффект: температура ниже, и даже при повышенном напряжении 5,5 В ток не снижался​ . Также можно припаять модуль на более крупную печатную плату с полигоном меди под ним – это тоже отведет тепло. Если же радиатор некуда цеплять и вы замечаете сильный нагрев (невозможно тронуть), лучше уменьшить зарядный ток, как описано выше. В крайнем случае, избегайте замкнутого пространства для модуля: немного вентиляции или контакт с металлическим корпусом тоже помогут отвести тепло.

Использование вывода TEMP (датчик температуры батареи). Большинство китайских модулей имеют TEMP, припаянный на землю (то есть отключенный), и не используют эту функцию. Однако, если ваш аккумулятор оснащен термистором (например, многие литий-полимерные пакеты имеют 3-й провод NTC), вы можете подключить его ко входу TEMP TP4056 через соответствующий делитель, как рекомендует даташит. Это позволит устройству контролировать температуру батареи. В итоге при слишком холодной или горячей батарее зарядка автоматически приостановится​ . Такая модификация особенно актуальна, если ваше устройство будет работать при морозе или жаре – без нее батарея может пострадать при зарядке при -10°C или +50°C. Настройка требует подбора номиналов, но производители часто приводят типовую схему для популярных термисторов (например, NTC 10 кΩ).

Добавление защиты, если ее нет. Убедитесь, что ваш модуль имеет чип типа DW01A и MOSFETы (обычно 6-ногая микросхема и 8-ногая рядом). Если нет – значит, модуль не защищает аккумулятор от переразряда и короткого замыкания. В таком случае будьте очень внимательны: либо используйте Li-ion аккумулятор со встроенной защитой, либо добавьте отдельный модуль защиты (они тоже продаются отдельно). Не эксплуатируйте незащищенный аккумулятор без контроля, иначе его можно разрядить «в ноль» и испортить или даже вызвать возгорание. Наличие защиты – большое преимущество модулей TP4056, так что если в вашем экземпляре ее нет, лучше заменить на версию с защитой. Производитель Addicore отмечал, что некоторые дешевые платы на TP4056 вообще не содержат схемы защиты, в отличие от их версии, где установлен DW01A​ . Это стоит иметь в виду.

Модификация для одновременного питания нагрузки (Power Sharing). Стандартный модуль TP4056 не предполагает питания потребителя от USB во время зарядки – если вы подключите устройство параллельно с батареей, оно будет питаться от батареи, а TP4056 может неверно определить окончание зарядки (из-за того, что часть тока уходит на нагрузку). В итоге аккумулятор может недозаряжаться или зарядное не завершится. Чтобы этого избежать, умельцы разработали простую модификацию схемы, добавляющую функцию распределения нагрузки (battery-sharing). Суть: добавляются еще 3 компонента – P-канальный MOSFET, диод Шоттки и резистор – и слегка разрезается/переключается топология выходов​ . MOSFET используется как автоматический переключатель: когда 5 В присутствует, он не дает батарее разряжаться на нагрузку, питание берется от адаптера; когда адаптер отключен, MOSFET пропускает ток от батареи. Таким образом, при наличии внешнего питания вся система питается от него, а батарея только заряжается; при его отсутствии – батарея питает систему через MOSFET (а диод блокирует обратный ток на выход зарядного). Подробно эту схему описал один из пользователей Arduino-форума​ , показав, как можно на готовом модуле ее реализовать (пришлось перерезать дорожку между B+ и OUT+, подключить транзистор типа AOZ1232 или аналог и т. д.). Такое улучшение довольно тонкое, но вполне выполнимое при определенных навыках. Оно особенно полезно для проектов вроде автономных датчиков: вы можете одновременно питать датчик от USB и заряжать батарею, а при отключении USB – плавно перейти на батарею без просадки. К сожалению, готовых модулей TP4056 с этой функцией практически не найти (удивляются и сами мастера, почему китайские производители этого еще не ввели​ ). Если для вашей задачи критично питать нагрузку во время зарядки – стоит рассмотреть или такую модификацию, или другой контроллер, предназначенный для подобного (некоторые микросхемы типа MCP73871 имеют «PowerPath»). В любом случае, не подключайте серьезную нагрузку напрямую к батарее во время зарядки TP4056 без распределения – это может ввести зарядное устройство в заблуждение насчет состояния аккумулятора.

Защита от переполюсовки аккумулятора. Как выяснил один обзорщик, если по ошибке подключить батарею к модулю TP4056 наоборот (перепутать + и -), итог будет плачевным – микросхема мгновенно выйдет из строя, иногда с дымом​ . Увы, ни TP4056, ни типичные защиты DW01 не имеют внутренней защиты от такой ошибки. Поэтому подключайте аккумулятор всегда правильно по полярности! Для дополнительной «защиты от дурака» иногда ставят диод или MOSFET на выходе батареи. Диод (последовательно с батареей) при обратной полярности просто не пустит ток, спасая схему, – но он добавляет падение ~0,3–0,7 В в нормальной работе, что нежелательно (батарея недозарядится до ~3,9–4,0 В). Вариант с MOSFET сложнее, поэтому обычно полагаются на внимательность. Если вы собираете устройство самостоятельно, стоит использовать разъем для батареи с защитой от переполюсовки или, к примеру, добавить диод шоттки параллельно входу (между +B и -B) для защиты от обратной полярности по схеме «диод как предохранитель» (он быстро сгорит и закоротит, спасая остальную схему). Но проще – просто не путать провода 🙂

Качественный кабель и источник питания. TP4056 требует около 1 А тока от 5 В. Если вы питаете модуль от USB, убедитесь, что используете хороший кабель, способный пропустить такой ток без заметного падения напряжения. Иначе на самом модуле может быть лишь 4,5 В вместо 5 В, что замедлит зарядку​ . Многие «тонкие» кабели вызовут просадку и нагрев. Аналогично, если питать от сетевого адаптера – выберите адаптер не менее чем на 1 А (желательно 2 А, чтобы он работал в комфортном режиме). Этот совет кажется очевидным, но на практике о нем часто забывают, а потом удивляются, почему «TP4056 не до конца заряжает» или «ток всего 500 мА, а не 1 А». Причина может быть вовсе не в микросхеме, а в просадке напряжения питания.

В целом, модуль на TP4056 уже с завода хорошо оптимизирован для типичных задач. Но эти дополнительные шаги – подбор тока под емкость аккумулятора, охлаждение, реализация питания нагрузки и меры защиты – позволяют сделать его использование еще более надежным и адаптированным к вашим нуждам. Многие из этих улучшений описаны сообществом разработчиков и подтверждены экспериментально. Так что, если вы планируете интегрировать TP4056 в свой проект, стоит учесть приведенные рекомендации.

7. Напоследок

На этом наше детальное путешествие в мир TP4056 завершается. Мы рассмотрели его принцип действия, внутреннее устройство, типовую схему применения и даже хитрости улучшения. Надеемся, стало понятно, почему эта маленькая микросхема завоевала такую популярность среди инженеров и любителей: она воплощает сложный технический алгоритм в простой и удобной форме. TP4056 продолжает оставаться актуальным, хотя технологии не стоят на месте – появляются новые решения для быстрой зарядки, интегрированные PMIC, но простенький модуль за $1 все еще выручает во множестве случаев. И, возможно, еще долго будет выручать, ведь литий-ионные аккумуляторы и их зарядка – та область, где надежность и проверенность решения часто важнее модных новинок. TP4056 как раз и есть такое проверенное решение, подтвержденное годами практики и миллионами успешно заряженных аккумуляторов​ . Используйте его с умом – и пусть ваши Li-ion батареи всегда будут заряжены, но не перезаряжены!