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TP4056 Utilizziamolo nel modo corretto

Indice

Introduzione

In questo articolo parleremo di quale è il giusto approccio nell'utilizzo di un integrato molto comune al giorno d'oggi, l'IC oggetto di questo testo è il TP4056/TP4054 ma le informazioni che verranno trattate potranno tranquillamente essere riutilizzate per altre situazioni simili.
L'integrato viene tipicamente venduto in moduli già pronti ma spesso non viene ne menzionato ne predisposta una soluzione per risolvere una grave mancanza:
NON è possibile alimentare un carico e contemporaneamente ricaricare la batteria, inquanto il termine della carica è determinato dalla corrente erogata dal TP4056 valore il quale verrebbe falsato da un eventuale assorbimento "esterno".
Infondo all'articolo faremo una piccola analisi di come un carico molto modesto può essere alimentato direttamente senza influenzare in modo evidente il processo di ricarica

TP4056

L'integrato oggetto di questo articolo è un: "1A Standalone Linear Li-lon Battery Charger in SOP-8" ovvero un piccolo circuito integrato che possiede tutte le funzioni necessarie per la corretta carica di una batteria Li-ION. L'utilizzo più classico è tramite "breakout board" a cui è possibile collegare una batteria e ricaricarla tramite presa USB

Le principali caratteristiche sono:

  • Corrente di carica programmabile fino ad 1A
  • Metodo di ricarica CC/CV
  • Fine carica C/10 e tensione di fine carica 4.2V +- 1.5%
  • Controllo temperatura pacco batteria tramite NTC/PTC
  • Soft start per limitare la corrente di spunto

Board tipica

TP4056.jpg

TP4056.jpg

Di cui schema

DW01A.gif

DW01A.gif

FONTE: https://www.sunrom.com/p/lithum-battery-charger-with-protection-microusb

Questa è la board che viene comunemente venduta negli shop cinesi (es. aliexpress), come potete vedere il polo positivo della batteria (B+) è collegato al morsetto d'uscita positivo (OUT+).
Ne consegue che la corrente erogata dall'integrato viene ridistribuita tra OUT+ e B+

Nella scheda è stata utilizzata una resistenza da 1.2 KΩ (R3) per impostare la corrente d'uscita dell'integrato a 1A (1000 mA), tutte le successive valutazioni si baseranno su questo parametro nel caso di un impostazione diversa basta rieseguire i calcoli.

In aggiunta al TP4056 possiamo vedere la combinazione di DW001A e FS8205A che forniscono protezione alla batteria interrompendo il polo negativo dal circuito. Per quanto riguarda i nostri ragionamenti possiamo anche considerarli un collegamento rigido.

Sono presenti altre piccole discordanze rispetto alle indicazioni date dai produttori, ma non sono oggetto di questo articolo.

Criticità

Come abbiamo visto nel capitolo precedente è presente un collegamento diretto tra OUT+,B+ e BAT del TP4056 questo porta ad una serie di criticità in caso di alimentazione contemporanea del carico che sono:

  • Impossibilità di determinare il fine carica
  • Impossibilità di prelevare più della corrente impostata da "Rprog" dalla porta USB/IN
  • In caso di prelievo maggiore di quello fornibile dal TP4056 l'eccedenza viene presa dalla batteria (scarica della stessa)

Risoluzione

Per risolvere questi problemi e sufficiente inserire un piccolo circuito che permetta di separare la carica della batteria dalla fornitura di energia al carico. Per nostra fortuna sono sufficienti 3 componenti per ottenere il risultato voluto.
Verrà presa in considerazione una situazione abbastanza estrema ovvero un carico costante di 3A (profilo USB 3A@5V) a tutte le possibili tensioni, ricordiamoci che con il solo TP4056 avevamo a disposizione solo 1 A e quindi stiamo triplicando la corrente disponibile. Infine in base all'uso possiamo prevedere un approccio più mirato verso l'uso in batteria o verso l'uso tramite alimentatore.
Attenzione la corrente disponibile al carico sarà quella prelevabile dalla fonte meno quella utilizata per la ricarica della batteria !

Funzionamento




In Presenza di alimentazione esterna con il diodo in conduzione, risultano le seguenti equazioni:

Vg = Vin
Vs=Vin-Vdiodo\approx(5-0.5)V=4.5V
Vgs=Vg-Vs\approx0.5V \Rightarrow Vgs > Vgs(th)

Essendo Vgs > Vgs(th) il mosfet è interdetto (è un mosfet P).
Il TP4056 "vede" solo la corrente erogata alla batteria e il diodo provvede ad alimentare il carico.

In Assenza di alimentazione esterna e/o appena viene collegata la batteria il diodo parassita all'interno del mosfet entra in conduzione e si verificano le seguenti condizioni:
Vs=Vbat-Vdp\approx(4.2-0.5)V=3.7V
Vg=0+(Rpull*Ipull)\approx0 Vgs=Vg-Vs=(0-3.7)V=-3.7V \Rightarrow Vgs < Vgs(th)

Cosi facendo Il Mosfet è in saturazione e alimenta il carico, il diodo è polarizzato inversamente e non conduce

Scelta del Diodo

Nella scelta del diodo è opportuno scegliere un semiconduttore che abbia il Forward Voltage più basso possibile in modo da limitare sia la caduta di tensione che le perdite di potenza sullo stesso. Ovviamente il rating deve essere opportuno da poter supportare interamente il carico. Da queste caratteristiche si intuisce che un diodo shocky è la soluzione ideale ! Ipotizzando una corrente di 3A, un buon candidato è il diodo SS32.
Con le seguenti caratteristiche riferite a 3A:
Vf = 550mV
Potenza = 0.55V * 3A = 1.65W
Temperatura = (55^{\circ}C/W*1.65W) + 20^{\circ}C = 110^{\circ}C

Attenzione che il datasheet prevede due pad da 14mmx14mm sulle gambe per dissipare il calore !, in questo caso d'utilizzo il diodo lavora ad una temperatura elevata si consiglia di aumentare la dissipazione
Una alternativa THT può essere il diodo 1N5820/22 è possibile sostituire il Diodo con un MOSFET in configurazione "diodo ideale"

Scelta del Transistor

La scelta del transistor è un pò più critica non tanto per la difficoltà di calcolo ma principalmente per la scelta che è relativamente ridotta rispetto a molte altra applicazioni convenzionali. In condizioni estreme vorremmo che il mosfet rimanga in condizione anche con la batteria estremamente scarica (2.5V) ne consegue che il componente deve essere in grado di condurre anche con una tensione minima di gate-surce.
Ricapitoliamo un pò le necessità:

  • Ids > 3A
  • Vgs(th) \approx -1V
  • Rds(on)Bassa


Il parametro più critico è la tensione di saturazione del transistor che deve essere più bassa possibile per garantire la corretta saturazione del mosfet. Una buona scelta per gli SMD è il Mosfet P MP2008UFG e per i THT IPB80P03P4L (non testato).

Ipotizando di procedere con il transistor SMD otteniamo i seguenti parametri

Vbat = 3.7V @3A

  • Rds(on) = 10mΩ
  • Vds = − 30mV
  • P = 0.01W

Vbat = 2.5V @3A

  • Rds(on) \approx 15 m\Omega
  • Vds = − 45mV
  • P = 0.135W

In entrambi i casi il riscaldamento è trascurabile

Scelta della resistenza

La scelta della resistenza è abbastanza semplice ed a volte empirica, infatti è sufficiente utilizzare un valore che permetta di disperdere la corrente proveniente dalla conduzione inversa del diodo, questo ci porta alla scelta di una valore relativamente basso che permette anche una veloce commutazione in caso di disinserizione della USB/fonte d'energia. Considerando l'uso di un diodo SS32 dal grafico presente su datasheet si ottiene una corrente inversa a Tj=100°C di circa 2mA. Ne consegue che il valore minimo per drenare tutta la corrente e limitare la tensione sulla resistenza ad 0.5V è circa 250 ohm. Si tratta comunque di un valore abbastanza estremo che porta allo scorrimento di 20mA quando l'USB è inserita. Infatti possiamo utilizzare un valore più alto inquanto il diodo smetterà di condurre e la sua temperatura tenderà a scendere con conseguente diminuzione della corrente dispersa, nel periodo intermedio ovvero quando il MOSFET non è completamente in saturazione sarà il diodo all'interno del mosfet a condurre.
In base alle necessità anche valori di 1 o 10 KΩ possono raggiungere buoni risultati bilanciando le perdite nei due stati

Note applicative

Come si può vedere dallo schema la tensione in uscita sarà abbassata in entrambe le condizioni di utilizzo pertanto si consiglia di inserire un convertitore boost (es. basato su MT3608) se si vuole avere un alimentazione a 5V stabili o Buck-Boost se si vogliono avere 3.3V.
Nell'articolo è stata presa in considerazione una tensione ai capi della batteria anche di 2.5V, personalmente sconsiglio di scendere sotto i 3V. Nel caso fosse necessario con un opportuna circuiteria è possibile spegnere il convertitore posto a valle una volta raggiunti i 3V ma va comunque mantenuta la protezione dalla sovrascarica prevista dal DW01A
Tutto questo circuito extra è omissibile quando la corrente assorbita dal circuito è inferiore al 1% del valore di carica ovvero per un erogazione di 1A è possibile assorbire 10mA senza influenzare troppo sistema. Se ne consiglia comunque l'implementazione in circuiti che utilizano la batteria come backup (es. UPS).
Ultima nota dato che la corrente disponibile al carico è quella disponibile alla fonte di alimentazione meno quella di carica della batteria il mio consiglio è di utilizare una corrente di ricarica bassa tipo 300-500mA. Ovviamente se compatibile con le necessità di progetto
Documenti di riferimento per la creazione dell'articolo: AN1149

Conclusione

Una piccola modifica permette di utilizare questo fantastico integrato con una maggiore flessibilità.
Spero di non aver scritto strafalcioni, ma essendo il mio primo articolo sono certo che ci siano, detto questo ogni aiuto o integrazione è ben accetta !


NDR: Doveva essere una cosa semplice e veloce è diventato un muro lunghissimo XD

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Commenti e note

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di ,

Editato lo schema e messo in evidenza il diodo parassita Trasformato le formule in Latex per una migliore fruibilità Corretto qualche errore grammaticale Aggiunta nota sulla corrente di ricarica consigliata

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di ,

Complimenti per il primo articolo. Articolo molto interessante per chi ha spesso a che fare con batterie, anche di recupero, per ogni genere di attrezzatura portatile. Ciao

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