TP4056 — Модуль зарядки с защитой li-ion аккумуляторов

Как заряжать литиевые аккумуляторы

Вся фишка зарядки литиевых аккумуляторов кроется в том, что ни ток заряда ни напряжение не должен быть постоянными. Процесс заряда должен проходить по определенным фазам:

1. При полной разрядке аккумулятора ( < 3 вольт) ток заряда должен быть максимальным. Обычно он не должен превышать значения емкости аккумулятора (С).
2. По мере накопления заряда, т.е. повышении напряжения аккумулятора, ток заряда должен уменьшаться.
3. При достижении 90% от полного заряда, ток заряда должен снизиться до уровня порядка 0,1С. Как только напряжение на аккумуляторе достигнет 4.1-4.15 В, процесс заряда должен прекратиться.

Соблюдение этих правил заряда литиевого аккумулятора обеспечит ему продолжительный срок службы. Разрядка литиевого аккумулятора ниже 3 вольт, а так же его регулярная перезарядка даже на 0.1 вольта значительно сокращает емкость аккумулятора.

Какое устройство следует использовать

Для подзарядки АКБ 18650 нужно использовать устройства с номинальным напряжением 4,2 В. Если литий-ионный накопитель планируется подключать к универсальному ЗУ, то оно должно быть оборудовано контроллером параметров и индикаторами окончания процесса.

Наиболее дешевые модели имеют 1-2 гнезда для батарей, максимальный ампераж до 1 А и номинальный вольтаж 4,2 В. Лучший вариант ЗУ для литиевых накопителей – интеллектуальное устройство, оборудованное измерителем напряжения на клеммах, функцией восстановления после глубокого разряда и защитой от превышения номинального вольтажа.

Характеристики модуля для заряда Li-ion аккумулятора на базе TP4056:

• Используемый контроллер: TP4056 и DW01 для зашиты аккумулятора от переразряда и перезаряда;
• Режим зарядки: линейная 1%;
• Ток зарядки: до 1А (настраивается);
• Точность зарядки: 1.5%;
• Входное напряжение: 4.5 — 5.5В;
• Напряжение полного заряда: 4.2В;
• Индикаторы: красный — зарядка, зеленый (в некоторых версиях синий) — заряд окончен;
• Входной разъем: mini USB, MicroUSB или контакты для подпайки проводов;
• Диапазон температур: -10 до +85 град.С;
• Защита от переполюсовки: нет;
• Защита от перезаряда: 4.30±0.050 В;
• Защита от переразряда: 2.40±0.100 В;
• Вес: 5 г;
• Размеры платы: 25 × 17 × 4 mm.
• Рабочая температура: -10° до +85°
• Микросхема управления: TP4056
• Минимальное входное напряжение: 4.5V
• Максимальное входное напряжение, В: 5.5
• Выходное напряжение, В: 4.2 (при полной зарядке)
• Номинальный выходной ток, А: 0-1.0
• Тип заряда — линейный метод зарядки
• Точность заряда — 1.5%
• Полное напряжение заряда — 4.2v
• Количество заряжаемых аккумуляторов    1 шт.
• Светодиодный индикатор: заряжается — «красный» , полностью заряжено — «зеленый» (иногда синий)
• Входной интерфейс — различные варианты usb

Микросхема имеет индикацию процесса заряда и сама отключает аккумулятор при достижении напряжения на нем 4,2В. В момент заряда светится красный светодиод, когда батарея будет полностью заряжена засветится зеленый(синий) светодиод, красный при этом погаснет.
Процесс зарядки аккумулятора идентичен зарядке мобильного телефона.

Модуль подходит для зарядки Литий-Ионных и Литий-полимерных (Li-Ion, Li-Po) банок. Будь то аккумуляторы от мобильного телефона или батареи типоразмер 18650 или какие либо другие. Подать напряжение на устройство можно двумя способами: через разъем, мини/микро/type-C USB, или путем пайки проводов, минуя разъем.

Кроме того, у микросхемы есть возможность подключить термодатчик, который следит за температурой батареи, а это очень важно, об этом я уже упоминал вот в этой статье. Работать этот датчик конечно будет при его наличии и подключении и непосредственном контакте датчика с батареей, что чаще всего мы не делаем)). Датчик подключается к выводу 1 и GND (вывод 3) и резистивный делитель, которым задается начальное смещение (номиналы резисторов делителя зависят от сопротивления используемого терморезистора). На всех модулях (которые встречались мне) этот вывод подключен на землю и естественно не используется.

Назначение выводов:

1 TEMP — подключение датчика температуры, встроенного в литий-ионную батарею. Если на выводе напряжение будет ниже 45% или выше 80% от напряжения питания, то зарядка приостановится. Контроль температуры отключается замыканием входа на общий провод.

2 PROG — Программирование тока зарядки (1.2к — 10к); Постоянный ток зарядки и контроль напряжения зарядки выбираются сопротивлением резистора, между этим пином и GND; Поддерживается ток заряда от 30мА до 1А. Для всех режимов зарядки, зарядный ток может быть выставлен резистором согласно таблице:

3 GND — Общий;

4 Vcc — Напряжение питания, если ток потребления (ток зарядки батареи) становится ниже 30mA, контроллер уходит в спячку, потребляя от контакта BAT ~ 2мкA;

5 BAT — Подключение аккумуляторной батареи (+);

6 STDBY — Индикация окончания заряда, при слишком низком напряжении питания, или напряжении на входе ТЕМР не в диапазоне — разомкнут; При подключенной батарее, в течении зарядки — разомкнут, по окончании — замкнут; При неподключенной батарее замкнут;

7 CHRG — Индикация зарядки, при слишком низком напряжении питания, или напряжении на входе ТЕМР не в диапазоне — разомкнут; При подключенной батарее, в течении зарядки — замкнут, по окончании — разомкнут; При неподключенной батарее, кратковременно включается с периодом 1-4 сек (светодиод мигает);

8 CE — Управление зарядкой. При подаче высокого уровня микросхема находится в рабочем режиме, при низком уровне контроллер в состоянии сна. Вход TTL и CMOS совместим;

Процесс зарядки происходит точно по всем стандартам и состоит из нескольких этапов:

1. Контроль напряжения подключенного аккумулятора (постоянно);

2. Зарядка током 1/10 от запрограммированного резистором Rprog (100мА при Rprog = 1.2к) до уровня 2.9 В (если требуется);

3. Зарядка максимальным током (1000мА при Rprog = 1.2к);

4. При достижении на батарее 4.2 В идет стабилизация напряжения на уровне 4.2В. Ток падает по мере зарядки;

5. При достижении тока 1/10 от запрограммированного резистором Rprog (100мА при Rprog = 1.2к) зарядное устройство отключается. Переход к п. 1

По сути это более навороченная модификация чипа TP4054, у которого в свою очередь куча аналогов (MCP73831, LTC4054, TB4054, TP4054, SGM4054, ACE4054, LP4054, U4054, BL4054, WPM4054, IT4504, Y1880, PT6102, PT6181, VS6102, HX6001, LC6000, LN5060, CX9058, EC49016, CYT5026, Q7051).

Модуль на основе TP4056 существует в 2-х исполнениях, с защитой и без:

Модуль на TP4056 с защитой Модуль на TP4056 с защитой Модуль на TP4056 без защиты Модуль на TP4056 без защиты

Отличие состоит в одной микросхеме (DW01), транзисторной сборке (ML8205A) и нескольких элементах обвязки.

Плата без защиты это на 100% схема согласно даташиту TP4056, за исключением, как я уже сказал, подключения термодатчика.

Плата с защитой дополнена микросхемой DW01 и транзисторной сборкой ML8205A. Эта защита добавляет:

• Встроенная защита от короткого замыкания по выходу (ограничение до 3А);
• Встроенная защита от глубокого разряда аккумулятора (2,4 вольт);
• Защиту от переполюсовки батареи, но она крайне кратковременна и чаще всего ведет в выгоранию DW01, которая ценой своей жизни спасает остальной модуль.

Описание выводов модуля

Вывод	Описание
IN+	Vcc / Питание
IN-	GND / Общий
OUT+	Нагрузка «+»
OUT-	Нагрузка «-«
BAT+	К «+» аккумулятора
BAT-	К «-» аккумулятора

Принципиальная схема модуля на TP4056

Схема (без защиты) практически идентична схеме из даташита, за исключением подключения термодатчика аккумулятора. Если понадобилось, можно вывести вход датчика температуры отдельным проводком, напаявшись на лапку и отрезав ее от GND. Или же подняв лапку над платой и напаявшись.

Схема защиты на базе DW01A (из спецификации) выглядит следующим образом:

Ниже приведено типовое включение TP4056, защиты на базе DW01A и мосфетов S-8205A.

Варианты подключения и нюансы настройки

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

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

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

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

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

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

Типовое включение TP4056

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

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

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

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

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

Rпрог, кОмIзар, мА

1,2	1000
1,5	800
2	600
2,4	500
2,7	444
3	400
3,9	308
4,7	255
5,1	235
6,8	176
7,5	160
8,2	146
9,1	130
10	120

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

Зарядное устройство с модулем защиты на DW01A

Дополнительная схема осуществляет несколько защит аккумулятора:

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

Мнение эксперта Становой Алексей Инженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой. Задать вопрос При этом от зарядного устройства батарея не будет отключена – ток подзаряда пойдет через «паразитный» диод транзистора. При дозарядке до 2,4 вольта аккумулятор оживет и начнет заряжаться номинальным током.

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

Самодельное зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов

Как регулировать ток заряда

В исходном состоянии модуль может выдать максимальный ток заряда до 1 Ампера.

Если же емкость аккумулятора меньше 1000мА*ч, то максимальный ток заряда лучше снизить до значения, равного емкости аккумулятора или еще ниже, особенно если аккумулятор не очень новый. Для этого стоит заменить резистор RPROG на подходящий номинал.

Измерение характеристик модуля

Мерить мы будем следующее:

Читайте также:  Литий-полимерный аккумулятор — характеристики, плюсы и минусы

1. Процесс зарядки — посмотрим, как меняется ток заряда от напряжения на аккумуляторе.
2. Разрядку, а точнее умение модуля продолжительно отдавать ток в нагрузку, а так же умение отрубать аккумулятор по достижении порога разряда.

Для этих целей нам понадобится вольтметр и амперметр. Но я рожа ленивая, да и мерить вручную в наш век — мартышкин труд. Поэтому на помощь был позван микроконтроллер PIC18F4550. Он умеет общаться с компом по USB и обладает 10-битным АЦП на борту.

Амперметр и вольтметр далее изображены условно. И вольтметр и амперметр реализованы на дифференциальных усилителях. Для измерения тока использован низкоомный резистор, разность напряжений с выводов которого и снимается дифференциальным усилителем. Такому методу измерения тока недавно была посвящена отдельная статья.

С выходов диф. усилителей сигнал поступает на АЦП микроконтроллера. Шаг АЦП по напряжению составляет около 5 мВ, чего для таких измерений более чем достаточно. Чтобы максимально снизить погрешность, данные приходящие за 10 секунд усреднялись ( по 200 приходящих значений).

Все пытки проводились с участием аккумулятора Sony VTC6 формата 18650. Этот аккумулятор обладает емкостью 3000 мА*ч. Максимальный выходной ток аккумулятора может достигать 30 А.

Контроль разряда аккумулятора

Для изучения выходных характеристик модуля схема была несколько изменена. В качестве нагрузки был установлен переменный резистор, включенный последовательно с амперметром к выходным контактам модуля.

Сопротивление нагрузочного резистора было установлено так, что начальный ток разряда составлял около 1.15 А. Т.к. нагрузка была постоянной, соответственно ток в выходной цепи падал с падением напряжения на аккумуляторе.

Как видно из графика, модуль благополучно отрубил нагрузку от аккумулятора в районе 5000 сек. А это значит, что модуль отдавал ток порядка 1 ампера в течении полутора часов и не загнулся. Отличный результат)

Рост напряжения на аккумуляторе, после отключения нагрузки, вызван химическим восстановлением аккумулятора после столь длительной отдачи приличного тока.

Если аккумулятор был полностью разряжен и модуль его отключил, то включение произойдет, при подключении зарядного устройства, как только напряжение на аккумуляторе достигнет уровня в 2.9 — 3 вольта.

Тесты зарядки реальных аккумуляторов

Заявленная емкость 3400mAh:

Очень хороший график CC/CV, немного затянуто падение СС, это увеличивает время зарядки, но аккумулятору от этого хуже не будет. Ток зарядки не достиг заявленных 1000мА. Возможно его ограничила температура самого контроллера. Контроллер сначала сильно разогревшись к концу зарядки остывает.

Снижение напряжения питания до 4.5 В, увеличивает время зарядки и уменьшает температуру, но итоговое напряжение немного ниже.

Увеличение напряжения питания действительно увеличивает температуру, но также и уменьшает ток. Когда чип перегревается, он уменьшает ток.

То же, но использован небольшой алюминиевый радиатор на контроллере. И это действительно помогает, температура ниже, чем при питании от 5,0 В.

Старый 16340 IMR аккумулятор от видеокамеры также был заряжен успешно.

После окончания зарядки контроллер продолжает мониторинг напряжения аккумулятора. Ток, потребляемый схемой мониторинга 2-3 mkA. После падения напряжения до 4.0В, зарядка включается снова.
При отключении и подключении аккумулятора, зарядка включится только если напряжение аккумулятора ниже 4.0В.

Внимание!!! Контроллер имеет одну особенность, не описанную в даташите.
Он не содержит схемы защиты от переполюсовки батареи. В этом случае контроллер гарантированно выходит из строя из-за превышения максимального тока и теплового пробоя. Но это только полбеды, контроллер пробивается накоротко, и на его выходе (батарее) появляется полное (!) входное напряжение.
Это особенно актуально для заряда пальчиковых аккумуляторов типа 18650. При установке очень легко ошибиться с полярностью.

Можно купить и модули с защитой:

Кроме контроллера зарядки ТP4056 в него добавлены два чипа: DW01 (схема защиты) + ML8205A(сдвоенный ключ MOSFET).

Умный модуль бережет аккумулятор

Я не зря назвал этот модуль умным. Если внимательно присмотреться к моменту подачи питания на модуль, то можно увидеть небольшую ступеньку на зависимости тока. Вот так она выглядит крупным планом:

Речь идет о ступеньке между 500 и 600 секундами на уровне 100 мА. Эта ступенька присутствует если аккумулятор разряжен ниже 3 вольт.

Модуль бережно относится к аккумулятору. Сначала он доводит напряжение на аккумуляторе примерное до 3 вольт током в 100 мА. А уже затем начинает кочегарить через аккумулятор 1 ампер. Ну или ток, который был установлен резистором RPROG.

Как вам статья?