TP4056-vaihtoehdot: Li-Ion-laturien ristiviittaus

Yhden ampeerin lineaarilaturi miljoonilla USB-piirilevyillä — mitä ominaisuuksia pitää vastata, mitä lisätä turvallisuuden vuoksi ja milloin lineaarilaturi on yksinkertaisesti väärä valinta.

Hankintaopas· Akun lataus ·Teho-IC-varasto · Lisää hankintaoppaita

TL;DR

TP4056on 1 A:n lineaarinen litiumionilaturi SOP-8-kotelossa, jossa on paljastettu jäähdytysalusta, ja lataa 4,2 V:iin ohjelmoitavalla virralla.
Se ei sisällä akunsuojapiiriä. Turvallinen suunnittelu lisää suojapiiri-IC:n ja kaksois-MOSFETin (DW01 ja 8205) kennon ja järjestelmän väliin.
Nastayhteensopivia vaihtoehtoisia lähteitä on olemassa, mutta lämpöalusta ja TEMP-nastan käsittely eroavat.
Lineaarinen lataus 1 A:lla 5 V:sta hajottaa noin 1,3 W — rajan määrää kotelo, ei virran nimellisarvo.
Noin 1 A:n yläpuolella tai suurella tulojännitteellä oikea arkkitehtuuri on kytkentälaturi, kuten TP5100.

1. Miksi tämä laturi on kaikkialla

TP4056 ratkaisee yleisen ongelman edullisesti: yhden litiumionikennon lataaminen 5 V USB -lähteestä, tilalähdöllä ja ilman induktoria. Se tarvitsee ohjelmointivastuksen, muutaman kondensaattorin ja lämpöalustan, ja se toimii.

Tämä yksinkertaisuus teki siitä oletusvalinnan varavirtalähteissä, Bluetooth-kaiuttimissa, pienissä roboteissa, kädessä pidettävissä instrumenteissa ja lukemattomissa harrastelevyissä. Komponentti on bulkkituote, jota useat valmistajat toimittavat samalla numerolla, ja juuri siitä korvauskysymykset alkavat.

Sen rajoitukset tunnetaan yhtä hyvin: se on lineaarinen, joten se hukkaa tulo- ja lähtöjännitteen eron lämpönä, eikä siinä ole suojatoimintoa. Molemmat ovat syitä tarkastella sen ympärillä olevaa piiriä eikä vain osanumeroa.

2. Miten latausjakso toimii

Laturi toteuttaa vakivirta-vakijännite-syklauksen. Se rajoittaa ensin virran ohjelmoituun arvoon kennojännitteen noustessa. Kun kenno saavuttaa 4.2 V, se pitää tämän jännitteen ja virta pienenee. Lataus päättyy, kun virta laskee alle murto-osaan ohjelmoidusta arvosta.

Virta asetetaan vastuksella PROG-nastasta maahan. Suhde ei ole lineaarinen koko alueella, ja valmistajan taulukko on määräävä; yleinen lähtökohta on noin 1 A 1.2 kΩ:n vastuksella ja pienemmät virrat suuremmilla arvoilla.

Kaksi open-drain-tilapinniä ilmoittavat tilan: yksi aktiivinen latauksen aikana, yksi aktiivinen syklin valmistuessa. Niiden polariteetti ja toiminta kannattaa tarkistaa korvaavaa osaa valittaessa, koska LED-kytkentä olettaa ne.

Mitä kenno todella näkee

Vakivirta-vaiheessa laturi pitää virran vakaana ja antaa kennojännitteen nousta. Tämä on vaihe, joka ratkaisee latausajan: 2000 mAh:n kenno 1 A:lla saavuttaa 4.2 V noin kahdessa tunnissa.

Vakijännitevaiheessa laturi pitää 4.2 V:n jännitteen ja virta pienenee. Tämä vaihe on hitaampi, eikä sitä voi lyhentää ylittämättä ylläpitojännitettä — mikä vahingoittaa kennoa.

Siksi 1 A:iin mitoitettu laturi ei lataa suurta kennoa yhdessä tunnissa. Viimeiset 20–30 % kapasiteetista latautuvat laskevalla virralla, ja kokonaisaikaa hallitsee CV-vaihe.

3. Nastojen toiminnot ja mitä on sovitettava

Nasta	Toiminto	Korvaushuomautus
1	TEMP — battery temperature input	Some variants omit it; check how it is disabled
2	PROG — current setting resistor	Formula and range differ between families
3	GND	Also the thermal pad connection
4	VCC — input supply	Input range and absolute maximum must match
5	BAT — cell connection	Float voltage is the critical parameter
6–7	STDBY, CHRG — status outputs	Polarity must match the LED circuit
8	CE — chip enable	Active-high on most variants

Ylläpitojännite on parametri, joka ratkaisee, onko korvaaminen turvallista. Komponentti, joka lataa 4.25 V:iin 4.20 V:n sijaan, lyhentää sykli-ikää ja lisää riskiä suljetussa tuotteessa. Tarkista toleranssi, ei pelkästään nimellisarvoa.

PROG-vastuksen valinta

Ohjelmointivastus asettaa CC-virran. Valmistajan taulukko on ratkaiseva, eikä suhde ole täysin lineaarinen. Kaksi käytännön sääntöä pätee tarkasta kaavasta riippumatta.

Älä koskaan ylitä kennon nimellistä latausvirtaa.1 A:n asetus 500 mAh:n kennolle on suunnitteluvirhe, ei pikalatausominaisuus.

Käytä 1 %:n vastusta.Virran toleranssi seuraa vastuksen toleranssia, ja 5 %:n komponentti muuttaa latausvirtaa 5 %:lla – tarpeeksi, jotta sillä on merkitystä kennon nimellisarvon yläpäässä.

Vastuksen vaihtaminen on myös helpoin tapa testata korvaavaa. Aseta tunnettu virta, mittaa se ja vertaa alkuperäiseen. Jos arvot poikkeavat, kaava tai sisäinen referenssi eroaa.

4. Sitä ympäröivä perhe

Osa	Virta	Kotelo	Varastossa
TP4056	1 A	SOP-8 with pad	Yes
TP4057	500 mA	SOT-23-6	Yes
TP4054	500 mA	SOT-23-5	Yes
TP5100	2 A	TQFN (switching)	Yes
MCP73831	500 mA	SOT-23-5	Yes

Vain TP4056-muunnelmat ovat keskenään pinniyhteensopivia. Pienemmät osat ovat eri koteloita ja eri pinnijärjestyksiä; ne ovat toiminnallisia vaihtoehtoja pienivirtaisiin suunnitelmiin, eivät suoraan vaihdettavia.

Rinnakkaiset kennot eivät auta. Laturin virta jakautuu niiden kesken, mutta kokonaislatausaika ja kokonaislämpö pysyvät ennallaan, ja eripariset kennot jakavat virran epätasaisesti. Sovita laturi akkupakettiin, ei kuhunkin kennoon erikseen.

5. Lämpömatematiikka: miksi 1 A ei ole aina 1 A

Lineaarinen laturi hävittää tulojännitteen ja kennojännitteen eron lämpönä. Kun tulojännite on 5 V ja kennojännite 3.7 V, 1 A hävittää noin 1.3 W. Jakson lopulla, kun kenno saavuttaa 4.2 V, se on noin 0.8 W.

Latausvirta	Häviö 3.7 V:n kennolla	Käytännön huomautus
0.5 A	0.65 W	Comfortable with a pad
1.0 A	1.3 W	Requires copper and airflow
1.5 A	1.95 W	Beyond the package in most designs

Useimmissa tämän perheen osissa on lämpösäätö: kun piisiru kuumenee, ne pienentävät virtaa sen sijaan että vikaantuisivat. Siksi 1 A:n suunnittelu voi ladata hitaasti lämpimässä kotelossa eikä koskaan näytä vikaa. Siksi myös mitattu latausvirta on usein pienempi kuin ohjelmoitu arvo.

Jos tuote tarvitsee 2 A, lineaarilaturi on väärä arkkitehtuuri. Kytkentälaturi, kuten TP5100, pienentää tehohäviötä suuruusluokalla, mutta vaatii kelan ja enemmän piirilevysuunnittelua.

USB-C ja tulovirta

Nykyaikaisissa suunnitelmissa käytetään USB-C:tä micro-USB:n sijaan, ja se muuttaa kahta asiaa. USB-C-lähde voi ilmoittaa 500 mA, 1.5 A tai 3 A CC-linjojen vastuksesta riippuen; laturi ei neuvottele, vaan yksinkertaisesti ottaa virtaa.

Jos lähde ei pysty syöttämään ohjelmoitua virtaa, tulojännite romahtaa. Laturi voi käynnistyä uudelleen toistuvasti, mikä näyttää vialliselta yksiköltä. Tarkista lähteen kyvykkyys ennen kuin syytät osaa.

Tarkista myös takavirran käyttäytyminen, kun tulo poistetaan kennon ollessa kytkettynä. Jotkin laturit estävät sen; toiset nojaavat ulkoisiin komponentteihin. Akku, joka purkautuu jännitteettömään USB-porttiin, on yleinen kenttävalitus.

6. Akun suojaus on erillinen piiri

Laturi säätää virtaa ja jännitettä. Se ei suojaa kennoa ylipurkautumiselta, ylivirralta tai oikosuljetulta lähdöltä. Tämä suojaus on erillinen IC, joka yleensä liitetään kaksikanavaiseen N-kanavaiseen MOSFETiin negatiivisessa polussa.

Yleinen yhdistelmä on suojaus-IC (DW01-sarja) sekä 8205-kaksois-MOSFET. Suojaus-IC valvoo kennon jännitettä ja virtaa ja ohjaa MOSFETeja kennon irrottamiseksi.

Suojauspiirin ohittaminen on yleistä harrastussuunnitelmissa ja hyväksymätöntä tuotteissa. Yksi vika — oikosuljettu USB-tulo, vaurioitunut kenno, liittimen oikosulku — muuttaa halvan laturin tulipaloriskiksi.

Lämpösuunnittelun yksityiskohdat

Paljastettu padi on ainoa merkityksellinen lämpöreitti. Juota se kuparialueelle, jossa on läpiviennit sisäiseen maatasoon; vain ohueen johdinvetoon liitetty padi ylikuumenee kauan ennen kuin virta-arvo saavutetaan.

Pidä laturi etäällä kennosta. Oma laturi lämmittää kennoa, joka vanhenee nopeammin, ja suljetussa kotelossa kaksi lämmönlähdettä vahvistavat toisiaan.

Jos kotelo on pieni, pienennä latausvirtaa sen sijaan, että lisäisit ilmavirtaa. Lämpösäätö tekee tämän automaattisesti, mutta ennakoimattoman latausajan kustannuksella.

Tilapinnien lukeminen laiteohjelmistosta

Kaksi avoimen nielun lähtöä on yleensä kytketty LEDeihin ja joskus myös mikrokontrolleriin. Kolme yksityiskohtaa on merkityksellisiä, kun toinen lähde otetaan käyttöön.

Napaisuus.Molemmat nastat ovat open drain -tyyppisiä ja aktiivisia matalalla yleisimmissä versioissa, mutta eivät kaikissa klooneissa. Käänteinen merkinanto saa lataustuotteen näyttämään joutilaalta.

Ylösvetojännite.Jos nastat vedetään akkukiskoon logiikkakiskon sijaan, mikrokontrolleri näkee syöttöjännitteensä yläpuolisen jännitteen, kun akun jännite on korkea. Vedä ne sen sijaan logiikkakiskoon.

Käyttäytyminen lopetuksessa.Jotkin osat vaihtavat tilanastojen tilaa hetkellisesti uudelleenkäynnistysjakson aikana, minkä laiteohjelmisto voi tulkita virheellisesti viaksi. Vaimenna tulo tai suorita kysely hitaalla taajuudella.

7. Mitä tarkistaa ennen korvaamista

Tarkista	Miksi
Float voltage and tolerance	Cycle life and safety
PROG resistor formula	Charge current must stay within the cell rating
TEMP pin handling	Some parts disable differently; floating it can stop charging
Status pin polarity	LED behaviour and firmware indication
Thermal pad	Dissipation path; required for 1 A
Input absolute maximum	USB hot-plug transients

TEMP-nasta ansaitsee huomautuksen. Jos suunnittelussa ei käytetä termistoria, nasta on biasoitava siten kuin datalehti määrittää "temperature sensing disabled" -tilaa varten. Sen jättäminen kelluvaksi voidaan tulkita alueen ulkopuoliseksi lämpötilaksi ja se voi pysäyttää latauksen — vika, joka näyttää kuolleelta laturilta.

Sertifiointi ja kennojen turvallisuus

Litiumkennoja sisältäviin tuotteisiin sovelletaan kuljetus- ja turvallisuussääntöjä, jotka riippuvat kennotyypistä, suojapiiristä ja kotelosta. Laturi on yksi osa tätä järjestelmää, ja korvaaminen muuttaa järjestelmää.

Jos tuotteella on sertifiointitiedosto, laturin vaihtaminen voi edellyttää delta-testiä. Tarkista sertifiointielimeltä ennen kuin oletat, että nastayhteensopiva osa on hallinnollisesti vastaava.

Tulonsuojaus ja ESD

Tulopinni näkee ulkomaailman liittimen kautta, mikä tarkoittaa ESD- ja hot-plug-transientteja. Kolme toimenpidettä on yleisiä: TVS-diodi liittimessä, pieni sarjavastus tai ferriitti ja kondensaattori lähellä pinniä.

Kondensaattorin arvo ei ole mielivaltainen. Liian suuri kapasitanssi tulossa voi aiheuttaa hot-plug-virtapiikin, joka vetää USB-lähteen alas; liian pieni jättää tulon alttiiksi. Datalehden suositusarvo on lähtökohta, ei tavoite, joka pitäisi ylittää.

Jos tuotetta käytetään kolmannen osapuolen kaapeleiden ja laturien kanssa, lisää TVS. Laturi, joka kestää penkkitestit ja hajoaa asiakkaan työpöydällä, on yleensä ESD-reitti, ei piikidevika.

8. Testisuunnitelma

Vaihe	Testi	Hyväksymiskriteerit
1	Float voltage at termination	4.20 V within tolerance at 25 °C
2	Charge current in the CC phase	Matches the programmed value
3	Case temperature at 1 A in the enclosure	Below the thermal-regulation threshold
4	Termination and restart behaviour	Stops, then restarts on voltage drop
5	Protection IC trip and recovery	Cell disconnects and recovers
6	Hot-plug and reverse connection	No damage to charger or cell

Kennojen ja toimittajien testaus

Kennon laatu on tärkeämpää kuin laturin laatu. Kenno, jolla on korkea sisäinen vastus, lämpenee latauksen aikana, ja laturi siirtyy lämpötilansäätelyyn aiemmin, mikä saa tuotteen näyttämään hitaalta.

Mittaa latauskäyrä kustakin kennoerästä otetusta näytteestä: virta, jännite ja kotelon lämpötila ajan funktiona. Käyrä, joka tasaantuu aikaisin, tarkoittaa, että kenno tai laturi rajoittaa, ja nämä kaksi voidaan erottaa toisistaan mittaamalla tulovirta.

Syväpurkautuneet kennot

Kuukausia varastoitu kenno voi olla minimijännitteen alapuolella. Jotkut laturit siirtyvät tippalataustilaan pienellä virralla; toiset eivät käynnisty.

Jos tuotteen on palautettava syvästi purkautunut kenno, varmista korvaavan laturin toimintatapa ennen toimitusta. Käyttäjän silmissä käynnistymisestä kieltäytyvä laturi näyttää samalta kuin kuollut kenno, ja palautus tulee kalliiksi.

9. Kustannus, saatavuus ja turvallisuus

Nämä laturit maksavat senttejä, ja vaihtoehtoisia lähteitä on runsaasti. Kaupallisesti merkitykselliset parametrit eivät ole hinta vaan dokumentaatio ja ylläpitojännitteen yhdenmukaisuus.

Litiumkennoa sisältävässä tuotteessa turvallisuus on järjestelmän ominaisuus: laturi, suojaus-IC, kenno, kotelo ja sertifiointi. Halvempi laturi, joka lataa 50 mV liian korkealla jännitteellä, yhdessä myöhään laukeavan suojaus-IC:n kanssa on huono yhdistelmä, vaikka jokainen osa läpäisisi oman testinsä.

Osta kennot ja suojausosat jäljitettävistä kanavista. Väärennetyn kennon vikaantumistapa ei ole epäonnistunut testi; se on tulipalo, eikä mikään laturin spesifikaatio suojaa siltä. Dokumentoi kennon osanumero, suojaus-IC ja laturi yhtenä hyväksyttynä kokoonpanona.

Tehopolku ja kuorman jakaminen

Pelkkä laturi ei mahdollista laitteen toimintaa USB:stä akun latautuessa. Se vaatii power-path-ohjaimen, joka kytkee järjestelmän kuorman syöttöön, kun se on saatavilla, ja muuten akkuun, ja joka pitää latausvirran riippumattomana järjestelmän kuormituksesta.

Ratkaisut, joissa kuorma kytketään yksinkertaisesti kennon yli, toimivat, mutta ne jatkavat kennon lataamista sen purkautuessa, pidentävät latausaikaa ja pitävät pahimmassa tapauksessa kennoa pitkiä aikoja korkeassa ylläpitojännitteessä. Jos tuote toimii kytkettynä, harkitse power-path-komponenttia toisen laturin lisäämisen sijaan.

10. UKK

Onko TP4057 suora korvaava komponentti TP4056:lle?

Ei. Se on 500 mA:n komponentti SOT-23-6-kotelossa. Se on toiminnallinen vaihtoehto pienivirtaisiin suunnitelmiin, ei nastayhteensopiva korvaaja.

Voinko ladata USB-portista 1 A:lla?

Vain jos portti pystyy syöttämään sen ja kenno on mitoitettu sille. Monet USB-lähteet rajoittavat virtaa, ja laturi ottaa yksinkertaisesti sen, mitä on saatavilla.

Tarvitsenko suojaus-IC:n TP4056:n kanssa?

Kyllä, tuotetta varten. Laturi ei suojaa ylipurkaukselta, ylivirralta tai oikosuljetulta lähdöltä.

Miksi latausvirrani on pienempi kuin ohjelmoitu?

Yleensä lämpösäätö: piisiru on kuuma, joten komponentti pienentää virtaa. Paranna kuparialaa tai ilmavirtausta ennen vastuksen vaihtamista.

Voinko jättää TEMP-nastan kytkemättä?

Vain jos datalehdessä sanotaan, että se poistaa lämpötilan tunnistuksen käytöstä. Joissakin komponenteissa sen jättäminen kelluvaksi lopettaa latauksen.

Milloin minun tulisi käyttää hakkurilaturia?

Yli noin 1 A:n virroilla tai kun tulojännite on kaukana kennojännitteestä. TP5100 on yleinen 2 A:n vaihtoehto.

11. Lähteet

Microchip MCP73831 -dokumentaatio:microchip.com
Battery Universityn latausviitteet:batteryuniversity.com
Toimittajien datalehdet TP4056-sarjalle: TOP POWER, UMW, MSKSEMI.

Tietoja kirjoittajasta— Julkaisija: Chip-Seek Supply Chain Intelligence Team. Seuraamme komponenttien saatavuutta, korvaavia osia ja kvalifiointiriskiä laitteistosuunnittelijoille ja hankintatiimeille. Luelaatu- ja jäljitettävyysprosessiimme.