Il circuito integrato TP4056 è un caricabatterie lineare completo a corrente costante/tensione costante (CC/CV), progettato specificamente per batterie agli ioni di litio (Li-Ion) e ai polimeri di litio (Li-Po) a cella singola.
La sua popolarità è esplosa nelle comunità di elettronica fai-da-te e maker grazie al suo costo estremamente basso, alla facilità d’uso e all’ampia disponibilità in moduli preassemblati. Oltre ai progetti hobbistici, il TP4056 come power bank, dispositivi portatili e fotocamere digitali.
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Tuttavia, è fondamentale stabilire fin dall’inizio una distinzione critica: la differenza tra il circuito integrato (IC) TP4056 e i comuni moduli breakout.
- Il TP4056 IC: Questo è il componente base, un chip in un package SOP-8 che contiene la logica di ricarica fondamentale.
- I Moduli TP4056: Sono piccole schede PCB che integrano il TP4056 IC con i componenti di supporto necessari (resistenze, condensatori, LED) e, cosa vitale, spesso includono un circuito di protezione della batteria separato. Questa protezione aggiuntiva è tipicamente gestita da una combinazione dell’IC di protezione DW01A e di un doppio MOSFET FS8205A. Questo articolo analizzerà entrambe le configurazioni in dettaglio.
L’ampia disponibilità di moduli TP4056 a basso costo ha democratizzato l’uso delle batterie agli ioni di litio nei progetti hobbistici, ma ha anche creato un significativo divario di conoscenza riguardo al loro funzionamento sicuro. L’apparente semplicità del modulo nasconde la complessità e i potenziali pericoli associati alla chimica delle batterie agli ioni di litio.
Specifiche Chiave e Caratteristiche Elettriche
Valori Massimi Assoluti
I datasheet del TP4056 specificano valori massimi assoluti che, se superati, possono causare danni permanenti al dispositivo. È essenziale operare entro questi limiti. Ad esempio, la tensione di alimentazione in ingresso (VCC) non deve mai superare gli 8V, e solo pochi moduli supportano tale tensione.
Condizioni Operative Raccomandate
Per un funzionamento ottimale e sicuro, l’intervallo di tensione di ingresso raccomandato è tra 4.5V e 5.5V, rendendo il TP4056 perfettamente compatibile con le sorgenti di alimentazione USB standard da 5V.
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L’Algoritmo di Carica CC/CV
Il TP4056 implementa un algoritmo di carica multistadio, fondamentale per la salute e la sicurezza delle batterie agli ioni di litio.
- Carica di Mantenimento (Trickle Charge): Se una batteria è profondamente scarica (ad esempio, con una tensione inferiore a 2.9V), il chip applica una corrente ridotta, tipicamente il 10% della corrente programmata (ad esempio, 130mA per un’impostazione di corrente di 1A), per portare in sicurezza la tensione della cella a un livello accettabile.
- Fase a Corrente Costante (CC): Una volta che la batteria supera la soglia di carica di mantenimento, il caricabatterie eroga la corrente programmata completa (fino a 1A). Durante questa fase, la tensione della batteria aumenta costantemente.
- Fase a Tensione Costante (CV): Quando la tensione della batteria raggiunge la tensione di regolazione, preimpostata a 4.2V, il caricabatterie passa alla modalità CV. Mantiene una tensione fissa di 4.2V, mentre la corrente di carica diminuisce gradualmente man mano che la batteria si satura.
Parametri Chiave di Prestazione
- Tensione di Carica Preimpostata (VFLOAT): Fissata a 4.2V con alta precisione (tipicamente ±1% o ±1.5%). Questa precisione è vitale per la sicurezza e la longevità della batteria.
- Terminazione della Carica: Il ciclo di carica termina automaticamente quando la corrente scende a 1/10 (C/10) del valore programmato durante la fase CV. Questo meccanismo previene il sovraccarico.
- Ricarica Automatica: Se la batteria rimane collegata e la sua tensione scende al di sotto di una soglia di ricarica (tipicamente intorno a 4.0V, o 150mV sotto VFLOAT), il TP4056 avvia automaticamente un nuovo ciclo di carica.
- Soft-Start: Limita la corrente di spunto all’avvio per prevenire picchi di tensione sull’alimentazione in ingresso.
- Regolazione Termica: Un anello di feedback termico interno riduce la corrente di carica se la temperatura del die supera un limite preimpostato (circa 145°C) per prevenire il surriscaldamento.
| Parametro | Valore Tipico | Note |
| Tensione di Ingresso (VCC) | 4.5 – 5.5V | Raccomandato per alimentazione USB |
| Tensione di Carica (VFLOAT) | 4.2V | Precisione ±1.5% |
| Soglia Carica di Mantenimento | 2.9V | |
| Corrente Carica di Mantenimento | 130mA | Con IBAT programmata a 1000mA |
| Soglia Terminazione Corrente | C/10 | 1/10 della corrente programmata |
| Soglia Ricarica Automatica | 4.0V | |
| Corrente di Standby (Batteria) | < 2µA | |
| Temperatura Operativa | -40 a +85°C |
I PIN Comuni del Modulo Breakout TP4056
Questa sezione è per la maggior parte degli utenti.
- IN+ / IN-: Connessioni di alimentazione in ingresso. Solitamente collegate a una porta Micro-USB o USB-C sulla scheda, ma questi pad consentono la saldatura diretta di una sorgente di alimentazione da 5V.
- B+ / B-: Connessioni della batteria. I terminali positivo e negativo della singola cella Li-Ion si collegano qui.
- OUT+ / OUT-: Connessioni di carico. Queste sono le uscite protette per alimentare un circuito esterno.
È fondamentale comprendere che i pad OUT+/- non sono un semplice passaggio dalla batteria. Rappresentano un’uscita commutata, controllata da un IC di protezione separato (DW01A/FS8205A). Questo è un concetto fondamentale, spesso frainteso, che causa molti problemi agli utenti. L’analisi dei circuiti e dei datasheet dei componenti di protezione mostra che il terminale negativo della batteria (B-) è collegato all’IC di protezione, mentre la massa di uscita (OUT-) è fornita dallo stesso interruttore MOSFET del circuito di protezione. Ciò significa che la connessione tra B- e OUT- può essere interrotta dall’IC di protezione in caso di scarica eccessiva o cortocircuito. Questo dettaglio architettonico spiega perché alcuni utenti non rilevano alcuna tensione di uscita dai loro moduli: il circuito di protezione si è attivato (ad esempio, a causa di una batteria profondamente scarica) e deve essere ripristinato, spesso applicando brevemente l’alimentazione in ingresso.
L’Anatomia della Protezione: Analisi di DW01A e FS8205A
Mentre il TP4056 fornisce protezione durante la carica, i moduli dotati di uscite OUT+/- aggiungono un livello cruciale di protezione durante la scarica e in caso di guasto, utilizzando un chipset dedicato.
- L’IC DW01A – Il “Cervello”: Questo è un controller di protezione per batterie Li-Ion. Il suo unico compito è monitorare costantemente la tensione della batteria e la corrente che la attraversa.
- L’FS8205A – Il “Muscolo”: Questo componente è un package contenente due MOSFET a canale N. Agisce come un interruttore a bassa resistenza controllato dal DW01A. I due MOSFET sono tipicamente collegati in una configurazione in serie “back-to-back” per bloccare il flusso di corrente in entrambe le direzioni quando spenti.
Nota Importante sulla Sicurezza: Sii consapevole che alcuni moduli non dispongono del circuito di protezione integrato. È fondamentale selezionare una versione protetta per la sicurezza della batteria.
Meccanismi di Protezione Dettagliati
- Protezione da Sovraccarico: Se il DW01A rileva una tensione della batteria che supera la sua soglia (ad esempio, 4.3V ±50mV), comanda all’FS8205A di aprire il circuito di carica, impedendo ulteriore corrente di entrare nella batteria. Questo agisce come un secondo strato di sicurezza alla terminazione del TP4056.
- Protezione da Scarica Eccessiva: Se il DW01A rileva che la tensione della batteria scende al di sotto della sua soglia (ad esempio, 2.4V ±100mV), apre il circuito di scarica, scollegando la batteria dai terminali OUT+/- per prevenire danni irreversibili alla cella. Il circuito viene riabilitato una volta che la tensione sale al di sopra della soglia di rilascio (ad esempio, 3.0V) e viene collegato un caricabatterie.
- Protezione da Sovracorrente e Cortocircuito: Il DW01A monitora la caduta di tensione attraverso la resistenza interna dei MOSFET FS8205A. Se ciò indica un assorbimento di corrente che supera la soglia (ad esempio, 3A), scollega rapidamente la batteria dal carico per prevenire danni.
| Parametro di Protezione | Tensione/Corrente di Attivazione | Tensione di Rilascio | Unità |
| Rilevamento Sovraccarico | 4.3 ±0.05 | 4.1 ±0.05 | V |
| Rilevamento Scarica Eccessiva | 2.4 ±0.1 | 3.0 ±0.1 | V |
| Soglia Sovracorrente | 3 | – | A |
Datasheet
Datasheet TP4056
Schema TP4056
PCB
