1. Vì sao bộ sạc này có mặt ở khắp nơi

TP4056 giải quyết một vấn đề phổ biến với chi phí thấp: sạc một cell lithium-ion đơn từ nguồn USB 5 V, có đầu ra trạng thái và không cần cuộn cảm. Nó cần một điện trở lập trình, vài tụ điện và một pad tản nhiệt, và nó hoạt động.

Sự đơn giản đó đã khiến nó trở thành lựa chọn mặc định trong pin dự phòng, loa Bluetooth, robot nhỏ, thiết bị cầm tay và vô số bo mạch hobby. Linh kiện này là hàng phổ thông, được cung cấp từ nhiều nhà sản xuất dưới cùng một mã số, và đó là nơi các câu hỏi về thay thế bắt đầu.

Các hạn chế của nó cũng được biết đến rộng rãi: nó là tuyến tính, nên nó tiêu tán chênh lệch điện áp đầu vào dưới dạng nhiệt, và nó không có chức năng bảo vệ. Cả hai đều là lý do để xem xét mạch xung quanh nó, không chỉ số hiệu linh kiện.

2. Chu trình sạc hoạt động như thế nào

Bộ sạc thực hiện chu trình dòng không đổi, điện áp không đổi. Đầu tiên, nó giới hạn dòng ở giá trị đã lập trình trong khi điện áp cell tăng. Khi cell đạt 4.2 V, nó giữ điện áp đó và dòng giảm dần. Quá trình sạc kết thúc khi dòng giảm xuống dưới một phần của giá trị đã lập trình.

Dòng được đặt bằng một điện trở từ chân PROG xuống ground. Mối quan hệ không tuyến tính trên toàn dải, và bảng của nhà cung cấp là căn cứ; một điểm khởi đầu phổ biến là khoảng 1 A với điện trở 1.2 kΩ, và dòng thấp hơn với các giá trị lớn hơn.

Hai chân trạng thái open-drain báo trạng thái: một chân active trong khi sạc, một chân active khi chu trình hoàn tất. Cần kiểm tra cực tính và hành vi của chúng khi thay thế, vì cách đấu LED giả định dựa trên đó.

Điều mà cell thực sự nhận

Trong pha dòng không đổi, bộ sạc giữ dòng ổn định và để điện áp cell tăng. Đó là pha quan trọng đối với thời gian sạc: một cell 2000 mAh ở 1 A mất khoảng hai giờ để đạt 4.2 V.

Trong pha điện áp không đổi, bộ sạc giữ 4.2 V và dòng giảm dần. Pha này chậm hơn và không thể rút ngắn mà không vượt quá điện áp float — điều đó làm hỏng cell.

Đó là lý do vì sao bộ sạc có định mức 1 A không sạc đầy một tế bào lớn trong một giờ. 20–30% dung lượng cuối được nạp với dòng giảm dần, và tổng thời gian bị chi phối bởi pha CV.

3. Chức năng chân và những gì cần khớp

Điện áp duy trì là thông số quyết định việc thay thế có an toàn hay không. Một linh kiện sạc đến 4.25 V thay vì 4.20 V làm giảm tuổi thọ chu kỳ và, trong một sản phẩm kín, làm tăng rủi ro. Hãy kiểm tra dung sai, không chỉ giá trị danh định.

Chọn điện trở PROG

Điện trở lập trình đặt dòng CC. Bảng của nhà cung cấp là căn cứ chuẩn, và mối quan hệ không hoàn toàn tuyến tính. Hai quy tắc thực tế áp dụng bất kể công thức chính xác là gì.

Không bao giờ vượt quá dòng sạc định mức của cell.Đặt 1 A cho một cell 500 mAh là lỗi thiết kế, không phải tính năng sạc nhanh.

Dùng điện trở 1%.Dung sai dòng điện theo dung sai điện trở, và một linh kiện 5% làm dòng sạc lệch 5% — đủ để tạo khác biệt ở mức cao nhất trong định mức của cell.

Thay điện trở cũng là cách dễ nhất để kiểm tra một linh kiện thay thế. Đặt một dòng điện đã biết, đo nó và so sánh với bản gốc. Nếu các giá trị lệch nhau, công thức hoặc tham chiếu nội bộ khác.

4. Họ sản phẩm xung quanh nó

Chỉ các biến thể TP4056 là tương thích chân với nhau. Các linh kiện nhỏ hơn có package và cách bố trí chân khác nhau; chúng là lựa chọn thay thế chức năng cho các thiết kế dòng thấp, không phải loại cắm thay trực tiếp.

Các cell mắc song song không giúp ích. Dòng của bộ sạc được chia giữa chúng, nhưng tổng thời gian sạc và tổng nhiệt không thay đổi, và các cell không đồng nhất sẽ chia không đều. Hãy khớp bộ sạc với bộ pin, không phải với từng cell riêng lẻ.

5. Tính toán nhiệt: vì sao 1 A không phải lúc nào cũng là 1 A

Bộ sạc tuyến tính biến chênh lệch giữa điện áp đầu vào và điện áp cell thành nhiệt. Với đầu vào 5 V và cell 3.7 V, dòng 1 A tiêu tán khoảng 1.3 W. Gần cuối chu kỳ, khi cell đạt 4.2 V, mức này là khoảng 0.8 W.

Hầu hết các linh kiện trong dòng này đều có điều chỉnh nhiệt: khi die nóng lên, chúng giảm dòng thay vì hỏng. Đó là lý do một thiết kế 1 A có thể sạc chậm trong vỏ ấm và không bao giờ báo lỗi. Đây cũng là lý do dòng sạc đo được thường thấp hơn giá trị đã lập trình.

Nếu sản phẩm cần 2 A, bộ sạc tuyến tính là kiến trúc sai. Bộ sạc chuyển mạch như TP5100 giảm công suất tiêu tán đi một bậc độ lớn, đổi lại cần một cuộn cảm và công việc bố trí mạch nhiều hơn.

USB-C và dòng điện đầu vào

Các thiết kế hiện đại dùng USB-C thay vì micro-USB, và điều đó thay đổi hai điểm. Nguồn USB-C có thể thông báo 500 mA, 1.5 A hoặc 3 A tùy theo điện trở trên các đường CC; bộ sạc không thương lượng, nó chỉ đơn giản là lấy dòng.

Nếu nguồn không thể cung cấp dòng đã lập trình, điện áp đầu vào sẽ sụp. Bộ sạc có thể khởi động lại liên tục, trông giống như một thiết bị bị lỗi. Hãy kiểm tra khả năng của nguồn trước khi đổ lỗi cho linh kiện.

Cũng cần kiểm tra hành vi dòng ngược khi ngắt đầu vào trong lúc vẫn kết nối một cell pin. Một số bộ sạc chặn nó; những bộ khác dựa vào linh kiện ngoài. Việc pin xả vào một cổng USB không được cấp nguồn là một phàn nàn thực tế thường gặp.

6. Bảo vệ pin là một mạch riêng

Bộ sạc điều khiển dòng điện và điện áp. Nó không bảo vệ cell khỏi xả quá mức, quá dòng hoặc đầu ra bị chập. Việc bảo vệ đó là một IC riêng, thường được ghép với một MOSFET kênh N kép ở đường âm.

Tổ hợp phổ biến là một IC bảo vệ (họ DW01) cộng với một MOSFET kép 8205. IC bảo vệ giám sát điện áp và dòng điện của cell, và điều khiển các MOSFET để ngắt cell.

Bỏ qua mạch bảo vệ là phổ biến trong các thiết kế tự làm và không thể chấp nhận trong sản phẩm. Một lỗi duy nhất — đầu vào USB bị chập, cell bị hỏng, đầu nối bị chập — biến một bộ sạc rẻ tiền thành nguy cơ hỏa hoạn.

Chi tiết thiết kế nhiệt

Pad hở là đường dẫn nhiệt có ý nghĩa duy nhất. Hàn nó vào một vùng đồng có via nối tới mặt phẳng đất bên trong; một pad chỉ nối với một đường mạch mảnh sẽ quá nhiệt rất lâu trước khi đạt định mức dòng điện.

Giữ bộ sạc tránh xa cell. Một cell bị chính bộ sạc của nó làm nóng sẽ lão hóa nhanh hơn, và trong vỏ kín, hai nguồn nhiệt cộng dồn.

Nếu vỏ nhỏ, hãy giảm định mức dòng sạc thay vì thêm luồng khí. Điều chỉnh nhiệt sẽ tự động làm việc này, nhưng đánh đổi bằng thời gian sạc không thể dự đoán.

Đọc các chân trạng thái trong firmware

Hai đầu ra open-drain thường được nối với LED, và đôi khi cũng với vi điều khiển. Ba chi tiết cần lưu ý khi đưa vào một nguồn thứ hai.

Phân cực.Cả hai chân đều là open drain và active low trên các biến thể phổ biến, nhưng không phải trên mọi bản clone. Chỉ báo bị đảo khiến sản phẩm sạc trông như đang rảnh.

Điện áp pull-up.Nếu các chân được kéo lên rail nguồn pin thay vì rail logic, vi điều khiển sẽ thấy điện áp cao hơn nguồn cấp của nó khi pin ở mức cao. Thay vào đó, hãy kéo chúng lên rail logic.

Hành vi khi kết thúc.Một số linh kiện chuyển trạng thái các chân status trong thời gian ngắn trong chu kỳ khởi động lại, mà firmware có thể đọc nhầm là lỗi. Hãy debounce đầu vào hoặc poll với tốc độ chậm.

7. Những gì cần kiểm tra trước khi thay thế

Chân TEMP đáng được lưu ý. Nếu thiết kế không dùng thermistor, chân này phải được phân cực theo cách datasheet quy định cho "temperature sensing disabled". Để chân này thả nổi có thể bị hiểu là nhiệt độ ngoài phạm vi và dừng sạc — một lỗi trông giống như bộ sạc bị chết.

Chứng nhận và an toàn tế bào

Các sản phẩm có tế bào lithium chịu các quy định vận chuyển và an toàn phụ thuộc vào tế bào, mạch bảo vệ và vỏ. Bộ sạc là một phần của hệ thống đó, và việc thay thế sẽ làm thay đổi hệ thống.

Nếu sản phẩm có hồ sơ chứng nhận, việc thay đổi bộ sạc có thể yêu cầu thử nghiệm delta. Hãy kiểm tra với tổ chức chứng nhận trước khi cho rằng một linh kiện tương thích chân là tương đương về mặt thủ tục.

Bảo vệ đầu vào và ESD

Chân đầu vào tiếp xúc với thế giới bên ngoài qua một đầu nối, nghĩa là phải chịu ESD và quá độ khi cắm nóng. Ba biện pháp thường được dùng: một diode TVS tại đầu nối, một điện trở chuỗi nhỏ hoặc ferrite, và một tụ điện đặt gần chân.

Giá trị tụ điện không phải tùy ý. Quá nhiều điện dung ở đầu vào có thể gây ra xung dòng khi cắm nóng làm sụt nguồn USB; quá ít thì đầu vào không được bảo vệ. Giá trị khuyến nghị trong datasheet là điểm khởi đầu, không phải mục tiêu để vượt quá.

Nếu sản phẩm được dùng với cáp và bộ sạc của bên thứ ba, hãy thêm TVS. Một bộ sạc sống sót trên bàn thử nghiệm mà hỏng tại bàn làm việc của khách hàng thường là do đường ESD, không phải lỗi silicon.

8. Kế hoạch kiểm thử

Kiểm thử cell pin và nhà cung cấp

Chất lượng cell pin quan trọng hơn chất lượng bộ sạc. Cell pin có điện trở trong cao sẽ nóng lên trong quá trình sạc, và bộ sạc sẽ vào chế độ điều chỉnh nhiệt sớm hơn, khiến sản phẩm có vẻ chậm.

Đo đường cong sạc trên một mẫu từ mỗi lô cell pin: dòng điện, điện áp và nhiệt độ vỏ theo thời gian. Đường cong phẳng sớm có nghĩa là cell pin hoặc bộ sạc đang giới hạn, và có thể phân biệt hai trường hợp bằng cách đo dòng điện đầu vào.

Cell pin xả sâu

Một cell đã được lưu trữ trong nhiều tháng có thể ở dưới điện áp tối thiểu. Một số bộ sạc chuyển sang chế độ trickle ở dòng điện thấp; những bộ khác từ chối khởi động.

Nếu sản phẩm phải khôi phục một cell đã xả sâu, hãy xác nhận hành vi của linh kiện thay thế trước khi giao hàng. Một bộ sạc từ chối khởi động trông giống hệt một cell chết đối với người dùng, và việc trả hàng rất tốn kém.

9. Chi phí, nguồn cung và an toàn

Những bộ sạc này chỉ tốn vài cents, và nguồn cung thứ cấp rất dồi dào. Các thông số quan trọng về mặt thương mại không phải là giá mà là tài liệu và tính nhất quán của điện áp float.

Đối với một sản phẩm có cell lithium, an toàn là thuộc tính của hệ thống: bộ sạc, IC bảo vệ, cell, vỏ và chứng nhận. Một bộ sạc rẻ hơn sạc cao hơn 50 mV, kết hợp với một IC bảo vệ ngắt muộn, là một tổ hợp tệ ngay cả khi từng linh kiện đều vượt qua bài kiểm tra riêng của nó.

Mua cell và linh kiện bảo vệ từ các kênh có thể truy xuất nguồn gốc. Chế độ hỏng của một cell giả không phải là trượt bài kiểm tra; đó là cháy, và không có thông số kỹ thuật bộ sạc nào bảo vệ chống lại điều đó. Ghi lại mã part của cell, IC bảo vệ và bộ sạc như một cụm đã được phê duyệt.

Power-path và chia sẻ tải

Chỉ một bộ sạc không cho phép thiết bị chạy từ USB trong khi pin sạc. Điều đó cần một bộ điều khiển power-path, bộ này chuyển tải hệ thống sang đầu vào khi có nguồn và sang pin nếu không, đồng thời giữ dòng sạc độc lập với tải hệ thống.

Các thiết kế chỉ nối tải song song với cell vẫn hoạt động, nhưng chúng vẫn sạc cell trong khi cell xả, kéo dài thời gian sạc và trong trường hợp xấu nhất, giữ cell ở điện áp float cao trong thời gian dài. Nếu sản phẩm chạy khi cắm nguồn, hãy cân nhắc linh kiện power-path thay vì thêm bộ sạc thứ hai.

10. FAQ

TP4057 có phải là bản thay thế trực tiếp cho TP4056 không?

Không. Đây là linh kiện 500 mA trong gói SOT-23-6. Đây là giải pháp thay thế về chức năng cho các thiết kế dòng thấp, không phải bản thay thế tương thích chân.

Tôi có thể sạc ở 1 A từ cổng USB không?

Chỉ khi cổng có thể cung cấp dòng đó và cell pin được định mức cho mức đó. Nhiều nguồn USB giới hạn dòng, và bộ sạc sẽ chỉ lấy dòng có sẵn.

Tôi có cần IC bảo vệ với TP4056 không?

Có, đối với một sản phẩm. Bộ sạc không bảo vệ chống xả quá mức, quá dòng hoặc ngõ ra bị chập.

Tại sao dòng sạc của tôi thấp hơn mức đã lập trình?

Thường là do điều chỉnh nhiệt: die đang nóng, nên linh kiện giảm dòng. Hãy cải thiện diện tích đồng hoặc luồng gió trước khi thay đổi điện trở.

Tôi có thể để chân TEMP không kết nối không?

Chỉ khi datasheet nói rằng điều đó vô hiệu hóa cảm biến nhiệt độ. Ở một số linh kiện, để nó thả nổi sẽ dừng sạc.

Khi nào tôi nên dùng bộ sạc chuyển mạch?

Trên khoảng 1 A, hoặc khi điện áp đầu vào cách điện áp cell khá xa. TP5100 là lựa chọn 2 A phổ biến.

11. Nguồn tham khảo

• Tài liệu Microchip MCP73831:microchip.com
• Tài liệu tham khảo về sạc của Battery University:batteryuniversity.com
• Bảng dữ liệu nhà cung cấp cho dòng TP4056: TOP POWER, UMW, MSKSEMI.