1. Hvorfor denne laderen er overalt

TP4056 løser et vanlig problem billig: lade en enkelt litium-ion-celle fra en 5 V USB-kilde, med en statusutgang og ingen induktor. Den trenger en programmeringsmotstand, noen få kondensatorer og en termisk pad, og den fungerer.

Denne enkelheten gjorde den til standardvalget i powerbanker, Bluetooth-høyttalere, små roboter, håndholdte instrumenter og utallige hobbykort. Komponenten er en massevare, hentet fra flere produsenter under samme nummer, og det er der spørsmålene om substitusjon begynner.

Begrensningene er like godt kjent: den er lineær, så den kaster bort inngangsspenningsforskjellen som varme, og den har ingen beskyttelsesfunksjon. Begge er grunner til å se på kretsen rundt den, ikke bare på delenummeret.

2. Hvordan ladesyklusen fungerer

Laderen kjører en konstantstrøm-/konstantspenningssyklus. Den begrenser først strømmen til den programmerte verdien mens cellespenningen stiger. Når cellen når 4.2 V, holder den denne spenningen, og strømmen avtar gradvis. Ladingen avsluttes når strømmen faller under en brøkdel av den programmerte verdien.

Strømmen settes av en motstand fra PROG-pinnen til jord. Forholdet er ikke lineært over hele området, og leverandørens tabell er fasit; et vanlig utgangspunkt er omtrent 1 A med en 1.2 kΩ motstand, og lavere strømmer med større verdier.

To open-drain-statuspinner rapporterer tilstanden: én aktiv under lading, én aktiv når syklusen fullføres. Polariteten og oppførselen deres er verdt å sjekke ved utskifting, fordi LED-oppkoblingen forutsetter dem.

Hva cellen faktisk ser

I konstantstrømsfasen holder laderen strømmen jevn og lar cellespenningen stige. Det er fasen som har betydning for ladetiden: en 2000 mAh-celle ved 1 A bruker omtrent to timer på å nå 4.2 V.

I konstantspenningsfasen holder laderen 4.2 V, og strømmen avtar gradvis. Denne fasen er langsommere og kan ikke forkortes uten å overskride float-spenningen — noe som skader cellen.

Det er derfor en lader med merkeytelse 1 A ikke lader en stor celle på én time. De siste 20–30% av kapasiteten kommer ved avtagende strøm, og den totale tiden domineres av CV-fasen.

3. Pinfunksjoner og hva som må samsvare

Floatspenningen er parameteren som avgjør om substitusjonen er trygg. En komponent som lader til 4.25 V i stedet for 4.20 V reduserer sykluslevetiden og øker risikoen i et forseglet produkt. Kontroller toleransen, ikke bare nominell verdi.

Valg av PROG-motstand

Programmeringsmotstanden setter CC-strømmen. Leverandørtabellen er fasit, og forholdet er ikke perfekt lineært. To praktiske regler gjelder uavhengig av den eksakte formelen.

Overskrid aldri cellens oppgitte ladestrøm.En innstilling på 1 A for en 500 mAh-celle er en designfeil, ikke en hurtigladefunksjon.

Bruk en 1%-motstand.Strømtoleransen følger motstandens toleranse, og en 5%-komponent endrer ladestrømmen med 5% – nok til å ha betydning på toppen av cellens spesifikasjon.

Å bytte motstanden er også den enkleste måten å teste en erstatning. Sett en kjent strøm, mål den, og sammenlign med originalen. Hvis verdiene avviker, er formelen eller den interne referansen forskjellig.

4. Familien rundt den

Bare TP4056-variantene er pinnkompatible med hverandre. De mindre delene har forskjellige kapsler og pinout; de er funksjonelle alternativer for lavstrømdesign, ikke drop-in-er.

Parallelle celler hjelper ikke. Laderstrømmen fordeles mellom dem, men total ladetid og total varme er uendret, og celler som ikke er like, deler ujevnt. Tilpass laderen til pakken, ikke til hver enkelt celle.

5. Termisk matematikk: hvorfor 1 A ikke alltid er 1 A

En lineær lader omdanner forskjellen mellom inngangsspenning og cellespening til varme. Ved 5 V inn og en 3.7 V-celle dissiperer 1 A omtrent 1.3 W. Mot slutten av syklusen, når cellen når 4.2 V, er det omtrent 0.8 W.

De fleste delene i denne familien har termisk regulering: når brikken blir varm, reduserer de strømmen i stedet for å svikte. Det er derfor en 1 A-konstruksjon kan lade sakte i et varmt kabinett og aldri vise feil. Det er også derfor den målte ladestrømmen ofte er lavere enn den programmerte verdien.

Hvis produktet trenger 2 A, er en lineær lader feil arkitektur. En svitsjende lader som TP5100 reduserer effekttapet med en størrelsesorden, på bekostning av en induktor og mer layoutarbeid.

USB-C og inngangsstrøm

Moderne konstruksjoner bruker USB-C i stedet for micro-USB, og det endrer to ting. En USB-C-kilde kan annonsere 500 mA, 1.5 A eller 3 A avhengig av motstanden på CC-linjene; laderen forhandler ikke, den trekker bare strøm.

Hvis kilden ikke kan levere den programmerte strømmen, kollapser inngangsspenningen. Laderen kan starte på nytt gjentatte ganger, noe som ser ut som en defekt enhet. Kontroller kildens kapasitet før du gir komponenten skylden.

Kontroller også reversstrømoppførselen når inngangen fjernes mens en celle er tilkoblet. Noen ladere blokkerer den; andre er avhengige av eksterne komponenter. Et batteri som tappes ut i en strømløs USB-port, er en vanlig klage fra felt.

6. Batteribeskyttelse er en separat krets

Laderen styrer strøm og spenning. Den beskytter ikke cellen mot overutlading, overstrøm eller kortsluttet utgang. Denne beskyttelsen er en separat IC, vanligvis sammenkoblet med en dobbel N-kanals MOSFET i den negative banen.

Den vanlige kombinasjonen er en beskyttelses-IC (DW01-familien) pluss en dobbel 8205-MOSFET. Beskyttelses-IC-en overvåker cellens spenning og strøm og driver MOSFET-ene for å koble fra cellen.

Å utelate beskyttelseskretsen er vanlig i hobbydesign og uakseptabelt i produkter. En enkelt feil – en kortsluttet USB-inngang, en skadet celle, en kortslutning i en kontakt – gjør en billig lader til en brannfare.

Termiske designdetaljer

Den eksponerte padden er den eneste meningsfulle termiske banen. Lodd den til et kobberareal med viaer til et indre jordplan; en pad som bare er koblet til en tynn leder, vil overopphetes lenge før strømspesifikasjonen nås.

Hold laderen unna cellen. En celle som varmes opp av sin egen lader, eldes raskere, og i en forseglet kapsling forsterker de to varmekildene hverandre.

Hvis kapslingen er liten, reduser ladestrømmen i stedet for å tilføre luftgjennomstrømning. Termisk regulering vil gjøre dette automatisk, men på bekostning av uforutsigbar ladetid.

Avlesning av statuspinnene i fastvare

De to open-drain-utgangene er vanligvis koblet til LED-er, og noen ganger også til en mikrokontroller. Tre detaljer er viktige når en sekundær kilde introduseres.

Polaritet.Begge pinnene er open drain og aktiv lav på de vanlige variantene, men ikke på alle kloner. En reversert indikasjon får et ladeprodukt til å se inaktivt ut.

Pull-up-spenning.Hvis pinnene trekkes til batteriskinnen i stedet for logikkskinnen, ser mikrokontrolleren en spenning over sin forsyning når batteriet er høyt. Trekk dem til logikkskinnen i stedet.

Oppførsel ved terminering.Noen komponenter veksler statuspinnene kortvarig under en omstartssyklus, noe fastvaren kan feiltolke som en feil. Avvis prell på inngangen, eller les av med lav frekvens.

7. Hva du bør kontrollere før du bytter ut

TEMP-pinnen fortjener en kommentar. Hvis designet ikke bruker en termistor, må pinnen forspennes på den måten databladet angir for «temperature sensing disabled». Å la den flyte kan tolkes som en temperatur utenfor området og stoppe ladingen — en feil som ser ut som en død lader.

Sertifisering og cellesikkerhet

Produkter med litiumceller er underlagt transport- og sikkerhetsregler som avhenger av cellen, beskyttelseskretsen og kapslingen. Laderen er én del av dette systemet, og en utskifting endrer systemet.

Hvis produktet har en sertifiseringsfil, kan en laderendring kreve en delta-test. Sjekk med sertifiseringsorganet før du antar at en pin-kompatibel del er administrativt likeverdig.

Inngangsbeskyttelse og ESD

Inngangspinnen ser omverdenen gjennom en kontakt, noe som betyr ESD og hot-plug-transienter. Tre tiltak er vanlige: en TVS-diode ved kontakten, en liten seriemotstand eller ferritt, og en kondensator nær pinnen.

Kondensatorverdien er ikke vilkårlig. For mye kapasitans på inngangen kan forårsake en hot-plug-strømtopp som trekker ned USB-kilden; for lite lar inngangen være ubeskyttet. Den anbefalte verdien i databladet er et utgangspunkt, ikke et mål man skal overskride.

Hvis produktet brukes med kabler og ladere fra tredjepart, bør du legge til TVS-en. En lader som overlever benken og dør på en kundes skrivebord, er vanligvis en ESD-vei, ikke en silisiumfeil.

8. Testplan

Testing av celler og leverandører

Cellekvalitet betyr mer enn laderkvalitet. En celle med høy indre motstand vil bli varm under lading, og laderen vil gå tidligere over i termisk regulering, noe som gjør at produktet fremstår som tregt.

Mål ladekurven på en prøve fra hvert celleparti: strøm, spenning og kassetemperatur over tid. En kurve som flater ut tidlig, betyr at cellen eller laderen begrenser, og de to kan skilles ved å måle inngangsstrømmen.

Dyputladede celler

En celle som har vært lagret i måneder, kan ligge under minimumsspenningen. Noen ladere går over i dryppmodus ved lav strøm; andre nekter å starte.

Hvis produktet må gjenopprette en dypt utladet celle, må du bekrefte oppførselen til erstatningen før forsendelse. En lader som nekter å starte, ser for brukeren identisk ut med en død celle, og returen er kostbar.

9. Kostnad, forsyning og sikkerhet

Disse laderne koster cent, og sekundærkilder er rikelig tilgjengelige. Parameterne som betyr noe kommersielt, er ikke prisen, men dokumentasjonen og konsistensen i floatspenningen.

For et produkt med en litiumcelle er sikkerhet en systemegenskap: lader, beskyttelses-IC, celle, kapsling og sertifisering. En billigere lader som lader 50 mV for høyt, kombinert med en beskyttelses-IC som utløses sent, er en dårlig kombinasjon selv om hver del består sin egen test.

Kjøp celler og beskyttelsesdeler fra sporbare kanaler. Feilmodusen til en forfalsket celle er ikke en mislykket test; det er brann, og ingen laderspesifikasjon beskytter mot det. Dokumenter cellens delenummer, beskyttelses-IC-en og laderen som én godkjent sammensetning.

Power-path og lastdeling

En lader alene lar ikke en enhet kjøre fra USB mens batteriet lades. Det krever en power-path-kontroller, som kobler systemlasten til inngangen når den er til stede og til batteriet ellers, og som holder ladestrømmen uavhengig av systemlasten.

Design som ganske enkelt kobler lasten over cellen fungerer, men de fortsetter å lade cellen mens den utlades, forlenger ladetiden og holder i verste fall cellen på en høy floatspenning over lange perioder. Hvis produktet kjører mens det er tilkoblet, bør du vurdere en power-path-komponent i stedet for å legge til en ekstra lader.

10. FAQ

Er TP4057 en drop-in-erstatning for TP4056?

Nei. Det er en 500 mA-komponent i SOT-23-6-kapsling. Det er et funksjonelt alternativ for lavstrømdesign, ikke en pinnekompatibel erstatning.

Kan jeg lade med 1 A fra en USB-port?

Bare hvis porten kan levere det, og cellen er dimensjonert for det. Mange USB-kilder begrenser strømmen, og laderen vil bare trekke det som er tilgjengelig.

Trenger jeg en beskyttelses-IC med TP4056?

Ja, for et produkt. Laderen beskytter ikke mot overutlading, overstrøm eller kortsluttet utgang.

Hvorfor er ladestrømmen min lavere enn programmert?

Vanligvis termisk regulering: die er varm, så komponenten reduserer strømmen. Forbedre kopperareal eller luftstrømning før du endrer motstanden.

Kan jeg la TEMP-pinnen være ukollet?

Bare hvis databladet sier at det deaktiverer temperaturføling. På noen komponenter stopper ladingen hvis den står flytende.

Når bør jeg bruke en svitsjende lader?

Over omtrent 1 A, eller når inngangsspenningen er langt fra cellespenningen. TP5100 er det vanlige 2 A-alternativet.

11. Kilder

• Microchip MCP73831-dokumentasjon:microchip.com
• Battery University-referanser for lading:batteryuniversity.com
• Leverandørdatablad for TP4056-familien: TOP POWER, UMW, MSKSEMI.