1. Вступ

Літій-іонні акумулятори стали невід’ємною частиною портативної електроніки – від смартфонів до Arduino-проєктів. Однак для їх безпечного заряджання потрібен спеціальний підхід і контроль параметрів. TP4056 – це крихітна мікросхема-зарядний пристрій, що здобула величезну популярність завдяки простоті та надійності. Вона є універсальним і широко використовуваним рішенням для зарядки одноелементних Li-ion акумуляторів, забезпечуючи ефективне та безпечне зарядження. Саме тому TP4056 стала популярним вибором у найрізноманітніших електронних проєктах і споживчих пристроях​ . Іншими словами, цей недорогий модуль дозволяє безпечно заряджати літій-іонні акумулятори практично будь-де – від саморобних гаджетів до промислових виробів – без складних схемотехнічних рішень.

2. Принцип зарядки літій-іонних акумуляторів

Щоб зрозуміти роль TP4056, варто розглянути, як саме заряджаються Li-ion акумулятори. Стандартним підходом є метод CC/CV (Constant Current / Constant Voltage – постійний струм / постійна напруга). Спочатку розрядженому акумулятору подається стабільний струм (етап постійного струму CC). Цей струм підтримується незмінним доти, доки напруга на акумуляторі не досягне заданого максимуму (близько 4,2 В для літій-іонних елементів)​ . Коли акумулятор досягає цієї порогової напруги, зарядний пристрій переходить в режим постійної напруги CV – підтримує напругу на рівні ~4,2 В, поступово зменшуючи зарядний струм у міру насичення акумулятора​ . Такий алгоритм забезпечує максимально повний заряд без перегрузки – струм природно спадає, коли батарея практично заповнена, що мінімізує ризик перезаряду.

Проте зарядка Li-ion проходить кілька етапів, а не лише два. Якщо акумулятор глибоко розряджений (напруга дуже низька), застосовується фазa попереднього зарядження – так званий trickle-charge. На цьому етапі зарядний струм обмежується малим значенням (близько 10% від максимального) для обережного “пробудження” акумулятора. Наприклад, TP4056 при розрядженому акумуляторі нижче ~2,9 В автоматично зменшує струм до ~130 мА​ ​, щоб делікатно підняти напругу. Коли акумулятор підзарядиться до ~3,0 В, пристрій плавно збільшує струм до встановленого номіналу і переходить в основний режим CC​ . Далі, як згадувалося, при досягненні ~4,2 В вступає режим CV – струм падає з, скажімо, 1 А до все менших значень (сотні міліампер і нижче). Коли струм спадe приблизно до 0,1× від початкового (так зване C/10), зарядний цикл вважається завершеним, і подача струму припиняється​ . Такий поріг (близько 10% від максимального струму) використовується як критерій повного заряду акумулятора. TP4056, зокрема, автоматично завершує зарядження, коли струм впаде до 1/10 від запрограмованого значення​ . Після цього акумулятор більше не споживає струм, і можна вважати, що він заряджений на ~100%. Важливо, що на відміну від Ni-Cd чи Ni-MH акумуляторів, Li-ion не потребує продовження зарядки малим струмом після досягнення повного заряду – навпаки, це може зашкодити. Тому TP4056 повністю відключає заряд, щойно критерій виконано.

Для наочності розглянемо основні стадії зарядного циклу Li-ion акумулятора і типові параметри:

Після завершення зарядки хороші зарядні пристрої продовжують моніторинг акумулятора. Li-ion акумулятор має властивість повільно саморозряджатися. Якщо після певного часу напруга акумулятора впаде (звичайно на ~0,1–0,2 В від максимального рівня), TP4056 автоматично відновить зарядку – фактично розпочне новий цикл CC/CV, щоб знову довести батарею до 4,2 В​ ​. Ця функція називається автоматичним перезарядом (recharge) і гарантує, що акумулятор підтримується повністю зарядженим при підключеному живленні, без ризику перегрузити його. Завдяки описаному алгоритму зарядження Li-ion акумуляторів – плавному, багатофазному і контрольованому – забезпечується довговічність та безпека елементів.

3. Схема модуля зарядки на TP4056

TP4056 найчастіше використовується у вигляді готового зарядного модуля – крихітної плати, на якій розміщено саму мікросхему та кілька допоміжних компонентів. Такий модуль можна під’єднати до джерела 5 В (наприклад, USB-порту) і до акумулятора, отримавши повністю функціональний зарядний пристрій. Розглянемо докладно його типову схему та функціональні елементи:

Вхід живлення (5 В). Модулі оснащуються роз’ємом micro-USB або USB Type-C для подачі напруги 5 В від зарядного пристрою або порту комп’ютера. Також часто передбачені альтернативні контакти IN+ та IN– для прямого підключення до джерела живлення. Вхідний ланцюг іноді містить захисний запобіжник або резистор обмеження струму, хоча в багатьох мінімалістичних модулях його може не бути. Головне – модуль потребує стабільного джерела 5 В, здатного дати ~1 А струму, адже TP4056 заряджає акумулятор значним струмом.

Мікросхема TP4056. Серце модуля – сама зарядна інтегральна схема TP4056 (8-виводний чіп у корпусі SOP-8 або аналогічному). Вона безпосередньо керує процесом зарядження: контролює струм, напругу і час завершення. TP4056 підключається до входу 5 В (вивід VCC) та до клем акумулятора (вивід BAT для позитивного полюса, негативний полюс батареї – на загальний GND). Також у неї є кілька функціональних виводів, про які поговоримо нижче (Prog, TEMP, STAT). Фізично мікросхему розміщено на платі, часто поруч із нею зроблено полігон міді для відведення тепла, оскільки при зарядці в ній розсіюється тепло.

Резистор програмування струму (R_prog). Один-єдиний резистор на платі визначає максимальний зарядний струм. Він з’єднаний між виводом PROG мікросхеми і землею. Струм зарядки пропорційно обернено залежить від номіналу цього резистора. Типове значення, яке ставлять виробники модулів, – 1,2 кОм (близько 1 А). Через розсіювання тепла багато модулів фактично обмежуються ~0,85 А навіть при 1,2 кОм, але в цілому порядок залишається таким. Якщо ж потрібно заряджати акумулятор меншим струмом (скажімо, акумулятор малої ємності), цей резистор можна замінити на більший номінал, знизивши тим самим зарядний струм. Наприклад, заміна R_prog із 1,2 кОм на ~2,2 кОм зменшує максимальний струм до ~0,47 А, а використання ~4,7 кОм – до ~0,21 А. Таке просте налаштування дуже зручне і є однією з причин популярності TP4056.

Світлодіоди-індикатори. На модулі зазвичай встановлено два LED різних кольорів, підключених до виводів статусу мікросхеми (STAT). Один світлодіод світиться під час зарядки акумулятора, а другий – коли зарядка завершена. Наприклад, на багатьох платах червоний LED означає, що йде заряд, а синій/зелений загоряється при досягненні повного заряду. Так користувач може з першого погляду визначити стан: charging чи charged. Статусні виходи TP4056 відкритого колектору, тому світлодіоди підключені через резистори до лінії живлення 5 В і відповідного виводу STAT – коли вивід “тягне” до землі, світлодіод горить. Цікаво, що якщо батарея відсутня або вже заряджена, один із LED (той, що відповідає за повний заряд) може світитися постійно, або інший може блимати – це особливість роботи статусних виходів, але логіка індикації в цілому проста.

Захисна схема акумулятора. Більшість якісних модулів TP4056 містять додатковий чіп захисту (наприклад, DW01A) і спарений MOSFET (FS8205A). Ця підсхема виконує роль захисту акумулятора від перепаду напруги та надструмів при розряді/заряді. TP4056 сама по собі відповідає за правильний процес зарядження, але не відключає батарею від навантаження, якщо та розрядилася занадто сильно. DW01 якраз контролює напругу батареї і від’єднує її від вихідних клем, якщо напруга впала нижче ~2,4 В (глибокий розряд). Це запобігає надмірному розряду, який міг би зіпсувати акумулятор. Як тільки напруга на елементі опустилася до порогу, DW01 вимикає вихід (через транзистори FS8205A), захищаючи батарею. Навантаження тоді знеструмлюється, і батарея “відпочиває” в відключеному стані. Цікаво, що навіть у відключеному стані заряджання все одно можливе: якщо підключити 5 В і почати зарядку TP4056, струм піде в батарею через внутрішній діод MOSFETів. Коли акумулятор досягне ~3,0 В, DW01 знову з’єднає його з виходом (вийде з режиму захисту), і далі батарея заряджатиметься нормально. Окрім цього, DW01A забезпечує захист від перенапруги при зарядженні (спрацьовує при ~4,3 В) та від перевищення струму/короткого замикання (~3 А). Таким чином, у типового модуля на TP4056 є повний набір захистів: сама мікросхема не допустить перезаряд >4,2 В, а DW01A не дасть батареї надто розрядитися чи віддати надмірний струм. У парі з двоканальним MOSFET (дві транзисторні структури в одному корпусі, які забезпечують малий опір) це робить використання літієвих акумуляторів безпечнішим.

Контакти для акумулятора і навантаження. На платі зазвичай є пари контактів: B+ та B- (для підключення акумулятора), а також OUT+ та OUT- (для підключення навантаження). Якщо модуль містить захист, вихід OUT+ фактично з’єднаний із B+, а OUT- підключений після MOSFET. При спрацьовуванні захисту вихід Out- від’єднується від акумулятора. У нормальному режимі B- та Out- з’єднані через транзистори (малий опір). Навантаження живиться від акумулятора до моменту, поки напруга не впаде нижче безпечного рівня; тоді вихід вимикається. При зарядці батареї від TP4056 Out- під’єднується знову, коли батарея набере достатню напругу (>3 В). У модулях без вбудованого захисту є лише B+ і B-; тоді рекомендується використовувати акумулятор із вбудованим плато́м захисту або пильно стежити за розрядом самостійно.

Зібравши разом усі ці компоненти – TP4056, резистор програмування, індикатори, при потребі схему захисту – отримуємо повноцінний зарядний пристрій. Достатньо подати 5 В на вхід, підключити Li-ion акумулятор до виходу, і схема автоматично керує зарядом відповідно до алгоритму CC/CV, описаного вище. На індикаторах можна бачити процес (чи заряджається або вже заряджено), а захист убезпечить акумулятор у разі нештатних ситуацій. Такий модуль надзвичайно компактний (зазвичай кілька сантиметрів), але виконує роботу, яка колись вимагала безлічі компонентів. Саме через простоту схеми та готовність “все в одному” TP4056 дуже популярний серед радіоаматорів і розробників.

4. Внутрішня будова TP4056

Попри невеликі розміри, всередині TP4056 інтегровано доволі складну аналогову схему, що реалізує весь алгоритм зарядження. Розглянемо, які функціональні блоки містяться в мікросхемі і як вони працюють:

Внутрішній лінійний регулятор струму (пас транзистор). Основою TP4056 є внутрішній силовий транзистор (PMOSFET), який підключений між входом 5 В (VIN) і виходом BAT до акумулятора. Цей транзистор працює в лінійному режимі, регулюючи протікання струму до батареї. Можна сказати, що TP4056 діє як керований резистор: змінюючи опір каналу транзистора, вона обмежує струм або падіння напруги, підтримуючи потрібні значення. Важливо, що зовнішній діод для запобігання зворотному струму не потрібен – у схемотехніці TP4056 використано P-канальний MOSFET, підключений таким чином, що при відсутності вхідної напруги він блокує протікання струму від батареї назад в джерело​ ​. Іншими словами, коли 5 В живлення немає, внутрішній транзистор відсікає батарею від входу, запобігаючи розряду акумулятора в порт USB. Це перевага над старими рішеннями, де часто доводилось ставити діод, який знижував напругу і грівся. Також TP4056 не потребує зовнішнього шунтового резистора для вимірювання струму – необхідні елементи вимірювання вбудовано всередину​. Завдяки цьому вся схема зарядного пристрою виходить дуже простою і компактною.

Прецизійне опорне джерело напруги (4,2 В). Усередині мікросхеми є джерело опорної напруги, налаштоване приблизно на 4,2 В (з високою точністю ±1,5%)​ . Це опорне значення використовується як цільова напруга заряду акумулятора. Блок порівняння (компаратор) постійно зіставляє напругу на акумуляторі (через внутрішній подільник) з внутрішньою опорною. Поки напруга батареї менша 4,2 В, мікросхема працює в режимі підняття напруги (CC), але коли батарея досягає режиму CV, цей компаратор починає керувати транзистором так, щоб напруга не перевищила 4,2 В. TP4056 фактично підтримує батарею на повідку біля цього порогу, не даючи їй перезарядитися вище норми. Точність ±1,5% означає, що фактична напруга може бути в межах ~4,17–4,23 В​ , що цілком прийнятно для літій-іонних осередків (багато хто вважає трохи нижчу напругу навіть корисною для довговічності).

Датчик струму і вузол PROG. Контроль струму заряджання здійснюється через вивід PROG і відповідний резистор (про який згадувалось вище). Мікросхема намагається підтримувати певну напругу на виводі PROG, пропорційну струму. Згідно з даташитом, в режимі постійного струму на цьому виводі підтримується близько 2,0 В​ . Це означає, що через резистор R_prog протікає струм (I_prog = 2 В / R_prog), і внутрішній модуль вимірювання налаштований так, щоб зарядний струм був приблизно в 1000 разів більшим за струм через резистор Prog. Формула, яку можна вивести: I_charge ≈ 1200 / R_prog (для R_prog в ом, I в амперах)​ . Наприклад, при R_prog = 1200 Ω отримуємо ~1 А, що й підтверджується практично​ . Коли батарея майже заряджена і TP4056 переходить у режим CV, напруга на акумуляторі фіксується, і струм починає спадати – відповідно, струм через резистор Prog також зменшується, а напруга на ньому опускається. Як тільки вона впаде приблизно до 0,2 В (це відповідає ~10% від нормального струму, адже 2 В – 100%, 0,2 В – 10%), внутрішня схема фіксує це як сигнал до завершення зарядки​ . Таким чином, вузол R_prog виконує подвійну роль: задає максимальний струм і дозволяє відстежувати поточний струм для потреб керування процесом.

Комутатори режимів та пороги. Усередині TP4056 є кілька порогових схем (компараторів), що перемикають режими зарядки. Один з них стежить за напругою акумулятора: якщо батарея нижче ≈2,9 В, мікросхема працює в режимі trickle-charge (обмежений струм, близько 130 мА для R_prog=1,2 кΩ)​ . Коли поріг ~2,9 В перевищено, TP4056 автоматично переходить на повний зарядний струм (режим CC). Інший поріг – це якраз цільові 4,2 В: досягнувши його, контролер плавно перемикається з режиму постійного струму на режим постійної напруги. І, як зазначено вище, ще один критерій – струм в 1/10 від максимального – визначає момент відключення зарядки. Усі ці порогові рівні запрограмовані в внутрішній логіці чіпа. Перемикання режимів відбувається гладко, без різких стрибків: наприклад, при переході з trickle на CC TP4056 збільшує струм поступово (є невеликий гістерезис ~0,1 В щоб запобігти “дриготінню” режиму в точці ~2,9 В)​ , а перехід CC→CV теж відбувається м’яко, що видно на графіках зарядки​ . Це все зроблено для оптимізації часу заряджання і зменшення навантажень на акумулятор.

Логіка завершення і повторного запуску. Коли струм впав до порогу завершення (C/10), TP4056 припиняє зарядку – внутрішній транзистор вимикається, по суті перестаючи пропускати струм до батареї. У цьому стані чіп переходить у режим Standby (чергування): він споживає дуже малий струм і слідкує за напругою батареї. Статусні виходи перемикаються: індикатор “Charging” гасне, а “Charged” загоряється, сигналізуючи про закінчення циклу. Якщо відтепер напруга батареї почне зменшуватися (через саморозряд чи навантаження на батарею), і впаде приблизно до ~4,1 В, внутрішній компаратор Automatic Recharge знову активує транзистор і відновить зарядку у режимі CC​ . Тобто TP4056 автоматично підтримає акумулятор повністю зарядженим, коли джерело живлення підключене. Цей цикл може повторюватися багаторазово – щоразу, коли напруга трохи знизилась, зарядка вмикається, доводить до 4,2 В, і знову вимикається. Якщо ж живлення 5 В буде відключене, TP4056 просто перейде в неактивний режим і не заважатиме батареї працювати на навантаження.

Статусні виходи (STAT). Як вже згадано, у TP4056 є два виходи статусу (іноді позначаються STAT1 і STAT2). Це відкриті колектори (open-drain), які під’єднуються до світлодіодів або до мікроконтролера для індикації станів. Один з них тягне до землі під час зарядки (і тим самим, наприклад, запалює червоний LED), а другий – при повному заряді (запалює зелений/синій LED)​ . Коли ж відповідна умова не виконується, вихід переходить у високий імпеданс. Цікаво, що ці два виходи також дозволяють визначити наявність живлення: в даташиті зазначено, що один з них індикує “наявність вхідної напруги”​ . Якщо живлення відсутнє, обидва виходи будуть у неопределеному стані (та й світлодіоди не горітимуть через відсутність 5 В). У типовому модулі, як ми бачили, ці контакти використовуються суто для LED, тож користувач візуально бачить процес зарядження. За потреби їх можна підключити до мікроконтролера для більш розумного моніторингу (наприклад, MCU може засікати коли заряд завершено і відключати пристрій від живлення).

Контроль температури. TP4056 оснащений двома рівнями температурного контролю: внутрішнім і зовнішнім. Внутрішній – це термозахист кристалу (thermal feedback): якщо кристал мікросхеми нагрівається надто сильно (близько +120…+145 °C), TP4056 починає автоматично зменшувати зарядний струм, щоб збити температуру​ . Це дуже корисна функція, адже при заряджанні великим струмом і падінні напруги на внутрішньому транзисторі виділяється тепло. Без обмеження чіп міг би перегрітися; натомість він чемно “пригальмує” струм, зберігаючи безпечну температуру. У даташиті зазначено, що максимальна температура кристалу 145 °C, і саме на цьому рівні спрацьовує обмеження струму (по суті, TP4056 переходить в режим Thermal Regulation замість постійного струму)​ . Зовнішній контроль – через вивід TEMP. Цей вивід призначено для підключення термістора, закріпленого на акумуляторі (зазвичай NTC 100 кОм, яка змінює опір залежно від температури батареї). TP4056 вимірює напругу на TEMP і визначає, чи знаходиться вона в допустимому діапазоні (типово 45%–80% від напруги живлення)​ . Якщо температура акумулятора занадто низька або висока (що спричиняє відповідно зміну опору термістора і вихід напруги TEMP за межі 45–80% Vcc), мікросхема призупинить зарядку​ , доки температура не повернеться в нормальний діапазон. Таким чином, TP4056 може захищати батарею від зарядження при небезпечному холоді чи перегріві. Якщо функція не потрібна, виробник рекомендує просто заземлити вивід TEMP – тоді контроль відключено і зарядка йде незалежно від температури батареї​ . У більшості готових модулів TEMP якраз підключений на GND (термоконтроль вимкнено), але при власному проєктуванні можна використати цю можливість для додаткової безпеки.

Живлення і сплячий режим. TP4056 має вбудований поріг UVLO (undervoltage lockout) – блок, що стежить за напругою живлення 5 В. Якщо вхідна напруга впаде надто сильно (нижче ~4 В), або зникне зовсім, мікросхема переходить у спеціальний режим сну (sleep mode)​ . Зокрема, коли VIN опуститься до рівня, близького до напруги батареї (різниця ~30 мВ), TP4056 відключається від батареї і споживає від неї не більше 2 µA​ . Це гарантує, що при вимкненому живленні мікросхема не буде тихенько розряджати акумулятор. Такий мізерний зворотній струм (~几 мкА) практично не впливає на батарею​ . Таким чином, можна сміливо залишити модуль підключеним до акумулятора: якщо USB від’єднано, батарея не “тектиме” назад у схему (інша перевага архітектури без діода). При появі живлення 5 В TP4056 автоматично “прокидається” і починає новий цикл зарядки (якщо батарея цього потребує). Крім того, UVLO не дозволяє заряджати, якщо напруга живлення недостатня – наприклад, нижче ~4,0 В заряд просто не стартуватиме, щоб не виснажувати джерело живлення даремно.

Вхід керування (CE). В TP4056 передбачено вивід CE (Chip Enable) – вмикання/вимикання мікросхеми. Це цифровий вхід: якщо подати на нього низький рівень (0), TP4056 відключиться і не буде заряджати навіть за наявності живлення​ . За замовчуванням на платах CE підключений до живлення (через резистор підтягу або безпосередньо) – тобто чіп завжди увімкнено. Але при бажанні користувач може використати цей вивід: наприклад, поставити перемикач або транзистор, щоб примусово вимикати зарядку. Це може знадобитися в специфічних випадках – скажімо, щоб зберегти ресурс акумулятора, можна відключати зарядку трохи недозарядивши елемент, або з метою перезапустити чип. У типовому використанні CE не чіпають.

Отже, TP4056 являє собою досить інтелектуальну систему в корпусі малої мікросхеми: вона поєднує в собі і джерело опори, і контролер струму/напруги, і температурний захист, і логіку індикації та відключення. Все це дозволяє реалізувати повноцінний алгоритм заряджання Li-ion “самотужки”, без участі зовнішнього контролера. Фактично, інженерам вдалося інтегрувати майже всі необхідні компоненти (транзистори, компаратори, джерела струму тощо) у кристал чіпа, що робить TP4056 дуже зручним. Саме наявність цих внутрішніх функцій – терморегулювання, автоматичного відновлення, UVLO, індикації – вирізняє його на фоні простіших схем. Ці можливості, поєднані з простотою застосування, і привели до великої популярності TP4056.

5. Чому TP4056 став таким популярним?

Як ми вже неодноразово зазначали, TP4056 здобув собі славу “дефолтного” рішення для зарядки одиночних літій-іонних елементів у безлічі пристроїв. Підсумуймо основні переваги, які забезпечили цю популярність, та порівняємо з альтернативами:

Мінімум зовнішніх компонентів. TP4056 – це майже готовий зарядний пристрій в одному чипі. Для його роботи потрібні лічені елементи: один резистор для встановлення струму, пара невеликих конденсаторів для фільтрації, та (опціонально) індикаторні LED. Ні зовнішніх транзисторів, ні шунтів, ні діодів додавати не треба​ – все вже є всередині. Це надзвичайно спрощує життя інженерам. Для порівняння, інші рішення могли б вимагати окремого контролера і силового транзистора чи діодів, що збільшує розмір плати і складність монтажу. А тут – припаяв маленький чип і кілька деталей, й отримав працюючу зарядку.

Низька вартість і доступність. Мікросхема TP4056 виробляється багатьма виробниками (початково розроблена компанією Nanjing Top Power ASIC, звідки і позначення “TP”). Завдяки масовості та китайському походженню, ціна на неї дуже низька. На ринку можна знайти модулі на TP4056 буквально за менше $1 за штуку (особливо при покупці набором). Це означає, що навіть для бюджетних проєктів додати функцію зарядки Li-ion не є проблемою. Популярність також підживлюється тим, що модулі легко купити онлайн по всьому світу. Наприклад, радиолюбителі часто замовляють їх наборами по 5-10 штук для різних проєктів. Універсальність застосування (будь-який одноелементний акумулятор, стандарт 5 В живлення) зробила TP4056 справді масовим компонентом.

Ефективність і безпека заряджання. Хоча TP4056 – це лінійний зарядний пристрій (а не імпульсний перетворювач), він забезпечує досить ефективний заряд за рахунок оптимізованого алгоритму. У типових умовах (5 В вхід, акумулятор ~3,7 В) КПД може становити ~80% або трохи нижче – решта втрачається як тепло. Так, це менше, ніж у складніших імпульсних зарядних схем (вони можуть давати >90% КПД), але зате лінійна схема набагато простіша і дешевша. До того ж вбудоване терморегулювання гарантує, що навіть якщо тепловтрат більше, ніж хотілося б, чип не вийде з ладу: за потреби він просто трохи зменшить струм, подовживши час зарядки, але уникне перегріву​ . TP4056 має всі необхідні функції для надійного і безпечного заряджання – автоматичне завершення при досягненні повного заряду, контроль по струму і напрузі, відновлення при підсажуванні батареї, контроль температури батареї (через TEMP) і свій власний теплоконтроль​ . Це означає, що при правильному підключенні ризик перезаряду або перегріву акумулятора мінімізований. Такі особливості роблять TP4056 привабливим навіть для комерційних пристроїв: багато гаджетів (наприклад, ліхтарики, портативні аудіоколонки, пауербанки малої ємності) використовують цю мікросхему чи її аналоги, адже вона довела свою надійність.

Відповідність стандартам живлення (USB). TP4056 чудово вписався в епоху, коли майже всюди під рукою є USB 5 В для зарядки. Він розрахований саме на роботу від 5-вольтового джерела і струми до 1 А, що відповідає можливостям типового порту USB чи зарядного адаптера. Ба більше, його вихідна напруга 4,2 В і струми ~0,5–1 А ідеально підходять для більшості літій-іонних акумуляторів ємністю від сотень до кількох тисяч мА·год (типові 18650, 14500, Li-pol пакети). Отже, застосувати TP4056 для заряджання акумулятора від USB – напрочуд логічне рішення. Не дивно, що багато виробників модулів оснащують плати micro-USB роз’ємом, а останнім часом і USB-C (просто під’єднуючи 5В лінії Type-C, без реалізації PD, але цього достатньо). TP4056 став, по суті, стандартом де-факто для “USB-зарядки” одного акумулятора.

Гнучкість у використанні. Ще одна причина популярності – гнучке налаштування струму і можливість паралельної роботи. Як вже згадувалося, зміною одного резистора можна налаштувати будь-який потрібний струм до 1 А, що дозволяє заряджати як маленькі акумулятори (струм 100–200 мА), так і великі ємності швидше (800–1000 мА) з тією ж мікросхемою. Крім того, якщо потрібно заряджати кілька акумуляторів окремо, часто просто використовують декілька модулів TP4056 – по одному на кожен елемент. Це простіше і дешевше, ніж шукати багатоканальний зарядний чіп. Наприклад, для збірки з двох акумуляторів люди іноді ставлять два модулі, кожен зі своїм входом, або ж заряджають батареї паралельно, збільшивши ефективну ємність​ . Хоча другий спосіб вимагає уважності (батареї мають бути на одному рівні напруги перед паралельним з’єднанням, щоб струми вирівнювання не наробили лиха​ ), сам факт, що TP4056 дозволяє такі комбінації, додає йому балів в очах розробників. Одноканальні модулі можна масштабувати на кілька каналів, працюючи незалежно – це зручно у багатобатарейних пристроях (наприклад, зарядна станція для декількох 18650 – просто 4 модулі TP4056 на одній платі).

Альтернативи і порівняння. На ринку існують інші схожі мікросхеми, але у кожної свої нюанси. Популярний аналог – це серія Microchip MCP73831/2: вони теж лінійні зарядні контролери для одного Li-ion елементу. Однак, MCP73831 зазвичай обмежений струмом 500 мА, і для зміни струму потрібно вибирати конкретну модель або певним чином конфігурувати (менш гнучкий). До того ж, він має тільки один вихід статусу (LED) і не вміє деяких речей, що є у TP4056 (наприклад, немає окремого входу термодатчика в базовій моделі). Інші аналоги – LTC4054, MAX1555 – також існують, але здебільшого TP4056 виграє за рахунок поєднання ціни та функціоналу. Що стосується імпульсних (step-down) зарядних контролерів – їх застосовують там, де потрібна вища ефективність або більший струм. Наприклад, для зарядки акумулятора від сонячої панелі кращим вибором може бути спеціалізований контролер з MPPT, а для швидкої зарядки 2–3 А – понижуючий перетворювач (наприклад, чіп TP5100, що може давати 2 А на 4,2 В, або складніші BQ241xx від TI з підтримкою балансування). Але такі рішення значно складніші (потрібні індуктивності, більше компонентів) і дорожчі. У сегменті ж до 1 А від 5 В TP4056 практично не має конкурентів за сумою характеристик. Як результат, в інтернеті легко знайти відгуки, що цей модуль – “добрий зарядний пристрій для DIY-проєктів”​ , і багато хто обирає саме його за оптимальне співвідношення можливостей.

Підсумовуючи, TP4056 став популярним тому, що він простий, дешевий і робить свою справу. Він забезпечує правильний алгоритм зарядки Li-ion “без зайвого клопоту”, захищаючи акумулятор, і його легко інтегрувати навіть новачку. В епоху, коли майже кожен гаджет потребує акумулятора і зарядки від USB, наявність такого готового рішення значно полегшила життя інженерам. Саме тому TP4056 можна побачити всюди – від саморобних павербанків до серійних виробів.

6. Рекомендації щодо покращення TP4056

Хоча TP4056 добре працює “прямо з коробки”, досвід ентузіастів показує, що деякі модифікації чи покращення модуля можуть підвищити ефективність і зручність його використання. Ось кілька порад, які можна реалізувати в домашніх умовах:

Налаштування зарядного струму під свій акумулятор. Якщо стандартний модуль розрахований на 1 А, а ви заряджаєте батарейку малої ємності (скажімо, 300 мА·год), варто зменшити струм зарядки для продовження її ресурсу. Як згадувалось, це робиться заміною резистора R_prog. Наприклад, штатний 1,2 кΩ (≈1000 мА) можна замінити на 2,2 кΩ, щоб отримати ~500 мА, або навіть на 5 кΩ для струму ~200 мА​ ​. Така операція потребує паяльника і акуратності (резистор дуже дрібний SMD), але цілком здійсненна – ентузіасти часто так роблять. В результаті акумулятор заряджатиметься повільніше, зате холодніше і щадніше, що важливо для невеликих або старих елементів.

Покращення тепловідведення. При струмах 1 А TP4056 може суттєво нагріватися (особливо якщо різниця напруг велика, наприклад батарея 3 В, а на вході 5 В – це 2 В * 1 А = 2 Вт розсіюється). Хоч чип і має тепловий захист, тривалий перегрів – нічого доброго. Щоб забезпечити стабільний швидкий заряд без тротлінгу, варто подбати про охолодження. На готовому модулі можна приклеїти маленький радіатор на місце, під яким розташований чип (звісно, через ізолюючий шар, щоб не було замикання)​ . У тестах це дало помітний ефект: температура нижча, і навіть при підвищеній напрузі 5,5 В струм не зрізався​ . Також можна припаяти модуль на більшу друковану плату з полігоном міді під ним – це теж відведе тепло. Якщо ж радіатор причепити нема куди, і ви помічаєте, що модуль дуже гріється (неможливо торкнутися), краще зменшити струм зарядки, як описано вище. В крайньому разі, уникайте замкненого простору для модуля: трохи вентиляції або контакт з металевим корпусом теж допоможуть відвести тепло.

Використання піну TEMP (датчик температури батареї). Більшість китайських модулів мають TEMP, підпаяний на землю (тобто відключений), і не використовують цю функцію. Проте, якщо ваш акумулятор оснащений термістором (наприклад, багато літій-полімерних пакетів мають 3-й провід NTC), ви можете під’єднати його до TEMP входу TP4056 через відповідний резисторний дільник, як рекомендує даташит. Це дозволить пристрою контролювати температуру батареї. В результаті при занадто холодній або гарячій батареї зарядка автоматично призупиниться​ . Така модифікація особливо актуальна, якщо ваш пристрій буде працювати в умовах морозу або спеки – без неї батарея може постраждати від зарядки при -10°C або +50°C. Налаштування потребує підбору номіналів, але виробники часто наводять типову схему для популярних термісторів (наприклад, NTC 10 кΩ).

Додавання захисту, якщо його немає. Перевірте, чи ваш модуль має чіп типу DW01A і MOSFETи (зазвичай 6-нога мікросхема і 8-нога біля неї). Якщо ні – значить, модуль не захищає акумулятор від переразряду та короткого замикання. У такому випадку варто бути дуже уважним: або використовуйте Li-ion акумулятор із вбудованим захистом, або додайте окремий модуль захисту (їх також продають окремо). Не експлуатуйте незахищений акумулятор без контролю, інакше його можна розрядити “в нуль” і зіпсувати або навіть спричинити займання. Наявність захисту – велика перевага модулів TP4056, тож якщо у вашому екземплярі її немає, краще замінити на версію з захистом. Виробник Addicore відзначав, що деякі дешеві плати на TP4056 взагалі не містять схем захисту, на відміну від їхньої версії, де встановлено DW01A​ . Це потрібно мати на увазі.

Модифікація для одночасного живлення навантаження (Power Sharing). Стандартний модуль TP4056 не передбачає живлення споживача від USB під час зарядки – якщо ви підключите пристрій паралельно з батареєю, він буде живитись від батареї, а TP4056 може неправильно визначити кінець зарядки (через те, що частина струму йде в навантаження). В результаті акумулятор може недозаряджатися або зарядне не піде в завершення. Щоб цього уникнути, умільці розробили просту модифікацію схеми, що додає функцію розподілу навантаження (батері-шерінг). Суть: додається ще 3 компоненти – P-канальний MOSFET, діод Шотткі і резистор – і трохи розрізається/перемикається топологія виходів​ . Мосфет використовується як автоматичний перемикач: коли 5 В присутні, він не дозволяє батареї розряджатися на навантаження, живлення береться від адаптера; коли ж адаптер відключено, MOSFET проводить струм від батареї. Таким чином, при наявності зовнішнього живлення вся система живиться від нього, а батарея тільки заряджається; при відсутності – батарея живить систему через MOSFET (а діод блокує зворотній струм на вихід зарядного). Детально цю схему описав один з користувачів Arduino-форуму​ , показавши, як можна на готовому модулі її реалізувати (довелося перерізати доріжку між B+ і OUT+, підключити транзистор типу AOZ1232 або аналог, тощо). Такий апгрейд досить тонкий, але цілком здійсненний при певних навичках. Він особливо корисний для проєктів на зразок автономних датчиків: ви можете одночасно живити датчик від USB і заряджати батарею, а при відключенні USB – плавно перейти на батарею без просідання. На жаль, готових модулів TP4056 з цією функцією практично не знайти (дивуються і самі майстри, чому китайські виробники ще не впровадили це​ ). Якщо для вашої задачі критично живити навантаження під час зарядки – варто розглянути або таку модифікацію, або інший контролер, призначений для подібного (деякі мікросхеми типу MCP73871 мають “PowerPath”). В будь-якому разі, не підключайте суттєве навантаження напряму до батареї під час зарядки TP4056 без розподілу – це може ввести зарядний пристрій в оману щодо стану акумулятора.

Захист від переполюсовки акумулятора. Як з’ясував один оглядач, якщо помилково під’єднати батарею до модуля TP4056 навпаки (переплутати + та -), результат буде плачевним – мікросхема миттєво вийде з ладу, іноді з димом​ . На жаль, ні TP4056, ні типові DW01-захисти не мають внутрішнього захисту від такої помилки. Тому уважно підключайте акумулятор правильною полярністю! Для додаткового захисту від дурня інколи ставлять діод або MOSFET на виході батареї. Діод (послідовно з батареєю) при зворотній полярності просто не пустить струм, рятуючи схему – але він додає падіння напруги ~0,3–0,7 В при нормальній роботі, що небажано (батарея недозаряджатиметься до ~3,9–4,0 В). MOSFET-варіант складніший, тож зазвичай покладаються на уважність. Якщо ви збираєте пристрій самостійно, варто використати роз’єм для батареї з захистом від переполюсовки або, наприклад, додати діод шотткі паралельно входу (між +B і -B) для захисту від зворотної полярності за схемою “діод як запобіжник” (він швидко згорить і закоротить, щоб врятувати решту схеми). Але простіше – не переплутати дроти 🙂

Якісний кабель і джерело живлення. TP4056 потребує близько 1 А струму від джерела 5 В. Якщо ви живите модуль від USB, переконайтесь, що використовуєте добрий кабель, здатний провести такий струм без помітного падіння напруги. Інакше на самому модулі може бути лише 4,5 В замість 5 В, що сповільнить зарядку​ . Багато “тонких” кабелів викличуть просідання і нагрів. Так само, якщо живите від мережевого адаптера – виберіть адаптер не менш ніж на 1 А (бажано 2 А, щоб він працював у комфортному режимі). Ця порада здається очевидною, але на практиці часто про неї забувають, а тоді дивуються, чому “TP4056 заряджає не до кінця” чи “струм лише 500 мА, а не 1 А”. Річ може бути зовсім не в мікросхемі, а в просіданні живлення.

Загалом, модуль на TP4056 вже з заводу добре оптимізований для типових задач. Але ці додаткові кроки – підбір струму під ємність акумулятора, охолодження, реалізація живлення навантаження та захисні заходи – дозволяють зробити його використання ще більш надійним і пристосованим до ваших потреб. Багато з цих покращень описані спільнотою розробників і підтверджені експериментально. Тож, якщо ви плануєте інтегрувати TP4056 в свій проєкт, варто взяти до уваги наведені рекомендації.

7. На завершення

На цьому наша глибока подорож у світ TP4056 завершується. Ми розглянули його принцип дії, внутрішню будову, типову схему застосування і навіть хитрощі вдосконалення. Сподіваємось, стало зрозуміло, чому ця маленька мікросхема завоювала таку популярність серед інженерів і аматорів: вона втілює складний технічний алгоритм у простій дружній формі. TP4056 продовжує залишатися актуальним, хоча технології не стоять на місці – з’являються нові рішення для швидкісної зарядки, інтегровані PMIC, однак простий модуль за $1 досі виручає в безлічі випадків. І, ймовірно, ще довго виручатиме, адже літій-іонні акумулятори та їх зарядка – це та сфера, де надійність і перевіреність рішення часто важливіші за модні новинки. TP4056 якраз і є таким перевіреним рішенням, що підтверджено роками практики і мільйонами успішно заряджених акумуляторів​ . Використовуйте його з розумом – і нехай ваші Li-ion батареї завжди будуть заряджені, але не перезаряджені!