1. Mengapa charger ini ada di mana-mana

TP4056 menyelesaikan masalah umum dengan murah: mengisi satu sel lithium-ion dari sumber USB 5 V, dengan output status dan tanpa induktor. Diperlukan resistor pemrograman, beberapa kapasitor, dan thermal pad, lalu rangkaian ini bekerja.

Kesederhanaan itu membuatnya menjadi pilihan default pada power bank, speaker Bluetooth, robot kecil, instrumen genggam, dan board hobi yang tak terhitung jumlahnya. Komponen ini adalah komoditas, dipasok dari beberapa produsen dengan nomor yang sama, dan di situlah pertanyaan substitusi dimulai.

Keterbatasannya sama-sama diketahui: ia bersifat linear, sehingga membuang selisih tegangan input sebagai panas, dan tidak memiliki fungsi proteksi. Keduanya menjadi alasan untuk melihat rangkaian di sekitarnya, bukan hanya nomor part.

2. Cara kerja siklus pengisian

Pengisi daya menjalankan siklus arus konstan, tegangan konstan. Pengisi daya pertama-tama membatasi arus ke nilai yang diprogram saat tegangan sel naik. Saat sel mencapai 4.2 V, pengisi daya mempertahankan tegangan tersebut dan arus menurun secara bertahap. Pengisian berakhir ketika arus turun di bawah sebagian dari nilai yang diprogram.

Arus diatur oleh resistor dari pin PROG ke ground. Hubungannya tidak linear di seluruh rentang, dan tabel vendor merupakan acuan; titik awal yang umum adalah sekitar 1 A dengan resistor 1.2 kΩ, dan arus yang lebih rendah dengan nilai resistor yang lebih besar.

Dua pin status open-drain melaporkan keadaan: satu aktif selama pengisian, satu aktif saat siklus selesai. Polaritas dan perilakunya perlu diperiksa saat melakukan penggantian, karena pengkabelan LED mengasumsikannya.

Apa yang sebenarnya dilihat oleh sel

Pada fase arus konstan, pengisi daya menjaga arus tetap stabil dan membiarkan tegangan sel naik. Fase inilah yang penting untuk waktu pengisian: sel 2000 mAh pada 1 A membutuhkan sekitar dua jam untuk mencapai 4.2 V.

Pada fase tegangan konstan, pengisi daya mempertahankan 4.2 V dan arus menurun bertahap. Fase ini lebih lambat dan tidak dapat dipersingkat tanpa melebihi tegangan float — yang merusak sel.

Itulah sebabnya pengisi daya dengan rating 1 A tidak mengisi sel besar dalam satu jam. 20–30% kapasitas terakhir masuk pada arus yang menurun, dan total waktu didominasi oleh fase CV.

3. Fungsi pin dan apa yang harus dicocokkan

Tegangan float adalah parameter yang menentukan apakah substitusi aman. Komponen yang mengisi hingga 4.25 V alih-alih 4.20 V mengurangi umur siklus dan, dalam produk tersegel, meningkatkan risiko. Periksa toleransinya, bukan hanya nilai nominalnya.

Memilih resistor PROG

Resistor pemrograman menetapkan arus CC. Tabel vendor adalah acuannya, dan hubungannya tidak sepenuhnya linear. Dua aturan praktis berlaku terlepas dari rumus persisnya.

Jangan pernah melebihi arus pengisian nominal sel.Penyetelan 1 A pada sel 500 mAh adalah kesalahan desain, bukan fitur pengisian cepat.

Gunakan resistor 1%.Toleransi arus mengikuti toleransi resistor, dan komponen 5% menggeser arus pengisian sebesar 5% — cukup berarti di batas atas rating sel.

Mengganti resistor juga merupakan cara termudah untuk menguji pengganti. Atur arus yang diketahui, ukur, dan bandingkan dengan yang asli. Jika nilainya berbeda, rumus atau referensi internalnya berbeda.

4. Keluarga di sekitarnya

Hanya varian TP4056 yang kompatibel pin satu sama lain. Komponen yang lebih kecil memiliki paket dan pinout berbeda; komponen tersebut merupakan alternatif fungsional untuk desain arus rendah, bukan pengganti langsung.

Sel paralel tidak membantu. Arus pengisi daya terbagi di antara sel-sel tersebut, tetapi total waktu pengisian dan total panas tidak berubah, dan sel yang tidak serasi berbagi secara tidak merata. Cocokkan pengisi daya dengan paket baterai, bukan dengan setiap sel secara individual.

5. Perhitungan termal: mengapa 1 A tidak selalu 1 A

Pengisi daya linear membuang selisih antara tegangan masukan dan tegangan sel sebagai panas. Pada masukan 5 V dan sel 3.7 V, 1 A mendisipasi sekitar 1.3 W. Mendekati akhir siklus, saat sel mencapai 4.2 V, dayanya sekitar 0.8 W.

Sebagian besar komponen dalam keluarga ini menyertakan regulasi termal: ketika die menjadi panas, komponen menurunkan arus alih-alih mengalami kegagalan. Itulah sebabnya desain 1 A dapat mengisi daya secara lambat di enclosure yang hangat dan tidak pernah menunjukkan gangguan. Itu juga sebabnya arus pengisian terukur sering kali lebih rendah daripada nilai yang diprogram.

Jika produk membutuhkan 2 A, charger linear adalah arsitektur yang salah. Charger switching seperti TP5100 mengurangi disipasi sebesar satu orde besaran, dengan konsekuensi diperlukannya induktor dan lebih banyak pekerjaan layout.

USB-C dan arus input

Desain modern menggunakan USB-C alih-alih micro-USB, dan itu mengubah dua hal. Sumber USB-C dapat menyatakan 500 mA, 1.5 A atau 3 A tergantung pada resistor di jalur CC; charger tidak melakukan negosiasi, ia hanya menarik arus.

Jika sumber tidak dapat menyuplai arus yang diprogram, tegangan input turun drastis. Charger dapat melakukan restart berulang kali, yang terlihat seperti unit rusak. Periksa kemampuan sumber sebelum menyalahkan komponen.

Periksa juga perilaku arus balik saat input dilepas ketika sel masih terhubung. Beberapa charger memblokirnya; yang lain mengandalkan komponen eksternal. Baterai yang mengalirkan arus ke port USB tanpa daya merupakan keluhan umum di lapangan.

6. Proteksi baterai adalah rangkaian terpisah

Charger mengontrol arus dan tegangan. Charger tidak melindungi sel dari pengosongan berlebih, arus berlebih, atau output yang terhubung singkat. Proteksi tersebut adalah IC terpisah, biasanya dipasangkan dengan MOSFET N-channel ganda pada jalur negatif.

Kombinasi umumnya adalah IC proteksi (keluarga DW01) ditambah MOSFET ganda 8205. IC proteksi memantau tegangan dan arus sel, serta menggerakkan MOSFET untuk memutus sel.

Menghilangkan rangkaian proteksi umum ditemukan pada desain hobi dan tidak dapat diterima pada produk. Satu gangguan — input USB yang terhubung singkat, sel yang rusak, konektor yang terhubung singkat — mengubah charger murah menjadi risiko kebakaran.

Detail desain termal

Pad yang terekspos adalah satu-satunya jalur termal yang berarti. Patri pad tersebut ke area tembaga dengan via ke bidang ground dalam; pad yang hanya terhubung ke jejak tipis akan mengalami panas berlebih jauh sebelum rating arus tercapai.

Jauhkan charger dari sel. Sel yang dipanaskan oleh charger-nya sendiri menua lebih cepat, dan dalam selungkup tertutup kedua sumber panas tersebut saling memperburuk.

Jika selungkup kecil, turunkan rating arus pengisian alih-alih menambahkan aliran udara. Regulasi termal akan melakukan ini secara otomatis, tetapi dengan konsekuensi waktu pengisian yang tidak dapat diprediksi.

Membaca pin status di firmware

Dua keluaran open-drain biasanya dihubungkan ke LED, dan kadang juga ke mikrokontroler. Tiga detail penting saat sumber kedua diperkenalkan.

Polaritas.Kedua pin bersifat open drain dan active low pada varian umum, tetapi tidak pada setiap klon. Indikasi yang terbalik membuat produk pengisian daya terlihat idle.

Tegangan pull-up.Jika pin ditarik ke rel baterai alih-alih rel logika, mikrokontroler melihat tegangan di atas suplainya saat baterai tinggi. Tarik pin ke rel logika sebagai gantinya.

Perilaku saat terminasi.Beberapa komponen mengubah status pin secara singkat selama siklus restart, yang dapat salah dibaca oleh firmware sebagai kesalahan. Lakukan debounce pada input, atau polling dengan laju lambat.

7. Apa yang harus diperiksa sebelum melakukan substitusi

Pin TEMP perlu diperhatikan. Jika desain tidak menggunakan termistor, pin tersebut harus dibias sesuai yang ditetapkan datasheet untuk "temperature sensing disabled". Membiarkannya mengambang dapat ditafsirkan sebagai suhu di luar rentang dan menghentikan pengisian — kegagalan yang tampak seperti pengisi daya mati.

Sertifikasi dan keselamatan sel

Produk dengan sel litium tunduk pada aturan transportasi dan keselamatan yang bergantung pada sel, rangkaian proteksi, dan selubung. Pengisi daya adalah salah satu bagian dari sistem tersebut, dan penggantian mengubah sistem.

Jika produk memiliki berkas sertifikasi, perubahan pengisi daya mungkin memerlukan delta test. Periksa dengan badan sertifikasi sebelum menganggap komponen yang kompatibel pin setara secara administratif.

Proteksi input dan ESD

Pin input melihat dunia luar melalui konektor, yang berarti ESD dan transien hot-plug. Tiga tindakan umum: dioda TVS di konektor, resistor seri kecil atau ferit, dan kapasitor dekat pin.

Nilai kapasitor tidak sembarangan. Kapasitansi terlalu besar pada input dapat menyebabkan lonjakan arus hot-plug yang menurunkan sumber USB; terlalu kecil membuat input terekspos. Nilai yang direkomendasikan datasheet adalah titik awal, bukan target untuk dilampaui.

Jika produk digunakan dengan kabel dan charger pihak ketiga, tambahkan TVS. Charger yang bertahan di meja uji dan mati di meja pelanggan biasanya jalur ESD, bukan cacat silikon.

8. Rencana pengujian

Pengujian sel dan pemasok

Kualitas sel lebih penting daripada kualitas pengisi daya. Sel dengan resistansi internal tinggi akan memanas selama pengisian, dan pengisi daya akan masuk ke regulasi termal lebih awal, sehingga produk terlihat lambat.

Ukur kurva pengisian pada sampel dari setiap lot sel: arus, tegangan, dan suhu casing terhadap waktu. Kurva yang mendatar lebih awal berarti sel atau pengisi daya sedang membatasi, dan keduanya dapat dibedakan dengan mengukur arus masukan.

Sel yang terkuras sangat dalam

Sel yang telah disimpan selama berbulan-bulan dapat berada di bawah tegangan minimum. Sebagian charger masuk ke mode trickle pada arus rendah; yang lain menolak untuk mulai.

Jika produk harus memulihkan sel yang sangat habis, konfirmasikan perilaku penggantinya sebelum pengiriman. Charger yang menolak untuk mulai terlihat identik dengan sel mati bagi pengguna, dan pengembaliannya mahal.

9. Biaya, pasokan, dan keselamatan

Charger ini berharga sen, dan sumber kedua berlimpah. Parameter yang penting secara komersial bukanlah harga, melainkan dokumentasi dan konsistensi tegangan float.

Untuk produk dengan sel lithium, keselamatan adalah properti sistem: charger, IC proteksi, sel, wadah, dan sertifikasi. Charger yang lebih murah yang mengisi 50 mV terlalu tinggi, dipasangkan dengan IC proteksi yang terlambat memutus, adalah kombinasi yang buruk bahkan jika setiap bagian lulus pengujiannya sendiri.

Beli sel dan komponen proteksi dari saluran yang dapat dilacak. Mode kegagalan sel palsu bukanlah pengujian yang gagal; melainkan kebakaran, dan tidak ada spesifikasi charger yang dapat melindunginya. Dokumentasikan nomor part sel, IC proteksi, dan charger sebagai satu rakitan yang disetujui.

Power-path dan berbagi beban

Charger saja tidak memungkinkan perangkat berjalan dari USB saat baterai diisi. Itu memerlukan pengontrol power-path, yang mengalihkan beban sistem ke input saat tersedia dan ke baterai jika tidak, serta menjaga arus pengisian tetap independen dari beban sistem.

Desain yang hanya menghubungkan beban ke sel memang berfungsi, tetapi tetap mengisi sel saat sel tersebut mengosongkan daya, memperpanjang waktu pengisian dan, dalam kasus terburuk, menjaga sel pada tegangan float tinggi untuk waktu lama. Jika produk berjalan saat dicolokkan, pertimbangkan komponen power-path daripada menambahkan charger kedua.

10. FAQ

Apakah TP4057 dapat langsung menggantikan TP4056?

Tidak. Ini adalah komponen 500 mA dalam paket SOT-23-6. Ini adalah alternatif fungsional untuk desain arus rendah, bukan pengganti yang kompatibel pin.

Bisakah saya mengisi daya pada 1 A dari port USB?

Hanya jika port tersebut dapat menyediakannya dan selnya memiliki rating untuk itu. Banyak sumber USB membatasi arus, dan charger akan menarik arus yang tersedia saja.

Apakah saya memerlukan IC proteksi dengan TP4056?

Ya, untuk suatu produk. Pengisi daya tidak melindungi terhadap pengosongan berlebih, arus berlebih, atau output yang korsleting.

Mengapa arus pengisian saya lebih rendah daripada yang diprogram?

Biasanya regulasi termal: die menjadi panas, sehingga komponen mengurangi arus. Perbaiki luas tembaga atau aliran udara sebelum mengganti resistor.

Bisakah saya membiarkan pin TEMP tidak terhubung?

Hanya jika datasheet menyatakan bahwa itu menonaktifkan penginderaan suhu. Pada beberapa komponen, membiarkannya mengambang menghentikan pengisian.

Kapan saya harus menggunakan pengisi daya switching?

Di atas sekitar 1 A, atau ketika tegangan input jauh dari tegangan sel. TP5100 adalah opsi 2 A yang umum.

11. Sumber

• Dokumentasi Microchip MCP73831:microchip.com
• Referensi pengisian Battery University:batteryuniversity.com
• Lembar data vendor untuk keluarga TP4056: TOP POWER, UMW, MSKSEMI.