1. Porque é que este carregador está em todo o lado

O TP4056 resolve um problema comum a baixo custo: carregar uma única célula de iões de lítio a partir de uma fonte USB de 5 V, com uma saída de estado e sem indutor. Precisa de uma resistência de programação, de alguns condensadores e de uma almofada térmica, e funciona.

Essa simplicidade tornou-o a opção predefinida em power banks, colunas Bluetooth, pequenos robôs, instrumentos portáteis e inúmeras placas de hobby. O componente é um produto genérico, fornecido por vários fabricantes com o mesmo número, e é aí que começam as questões de substituição.

As suas limitações são igualmente bem conhecidas: é linear, pelo que dissipa como calor a diferença de tensão de entrada, e não tem função de proteção. Ambas são razões para olhar para o circuito à sua volta, e não apenas para a referência do componente.

2. Como funciona o ciclo de carga

O carregador executa um ciclo de corrente constante e tensão constante. Primeiro limita a corrente ao valor programado enquanto a tensão da célula sobe. Quando a célula atinge 4.2 V, mantém essa tensão e a corrente diminui gradualmente. O carregamento termina quando a corrente cai abaixo de uma fração do valor programado.

A corrente é definida por uma resistência entre o pino PROG e a massa. A relação não é linear em toda a gama, e a tabela do fabricante é a referência; um ponto de partida comum é cerca de 1 A com uma resistência de 1.2 kΩ, e correntes mais baixas com valores maiores.

Dois pinos de estado em dreno aberto reportam o estado: um ativo durante o carregamento, outro ativo quando o ciclo termina. A polaridade e o comportamento destes merecem verificação ao substituir, porque a ligação dos LED pressupõe a sua presença.

O que a célula realmente vê

Na fase de corrente constante, o carregador mantém a corrente estável e permite que a tensão da célula suba. É a fase que importa para o tempo de carregamento: uma célula de 2000 mAh a 1 A leva aproximadamente duas horas a atingir 4.2 V.

Na fase de tensão constante, o carregador mantém 4.2 V e a corrente diminui gradualmente. Esta fase é mais lenta e não pode ser encurtada sem exceder a tensão de flutuação — o que danifica a célula.

É por isso que um carregador com corrente nominal de 1 A não carrega uma célula grande numa hora. Os últimos 20–30% da capacidade são atingidos com corrente decrescente, e o tempo total é dominado pela fase CV.

3. Funções dos pinos e o que deve coincidir

A tensão de flutuação é o parâmetro que determina se a substituição é segura. Um componente que carrega até 4.25 V em vez de 4.20 V reduz a vida útil em ciclos e, num produto selado, aumenta o risco. Verifique a tolerância, não apenas o valor nominal.

Escolha da resistência PROG

A resistência de programação define a corrente CC. A tabela do fornecedor é a referência autoritativa, e a relação não é perfeitamente linear. Aplicam-se duas regras práticas independentemente da fórmula exata.

Nunca exceda a corrente de carga nominal da célula.Uma configuração de 1 A numa célula de 500 mAh é um erro de projeto, não uma funcionalidade de carga rápida.

Utilize uma resistência de 1%.A tolerância da corrente acompanha a tolerância da resistência, e um componente de 5% altera a corrente de carga em 5% — o suficiente para ser relevante no limite superior da especificação da célula.

Alterar a resistência é também a forma mais fácil de testar um substituto. Defina uma corrente conhecida, meça-a e compare com o original. Se os valores divergirem, a fórmula ou a referência interna difere.

4. A família à sua volta

Apenas as variantes TP4056 são compatíveis em termos de pinos entre si. As peças mais pequenas têm encapsamentos e pinouts diferentes; são alternativas funcionais para projetos de baixa corrente, não substituições diretas.

Células em paralelo não ajudam. A corrente do carregador divide-se entre elas, mas o tempo total de carga e o calor total mantêm-se inalterados, e células não correspondentes partilham de forma desigual. Adapte o carregador ao conjunto de baterias, não a cada célula individualmente.

5. Cálculo térmico: porque 1 A nem sempre é 1 A

Um carregador linear dissipa sob a forma de calor a diferença entre a tensão de entrada e a tensão da célula. Com 5 V de entrada e uma célula de 3.7 V, 1 A dissipa cerca de 1.3 W. Perto do fim do ciclo, quando a célula atinge 4.2 V, são cerca de 0.8 W.

A maioria dos componentes desta família inclui regulação térmica: quando o die aquece, reduzem a corrente em vez de falharem. É por isso que um projeto de 1 A pode carregar lentamente numa caixa quente e nunca apresentar uma falha. É também por isso que a corrente de carga medida é frequentemente inferior ao valor programado.

Se o produto precisa de 2 A, um carregador linear é a arquitetura errada. Um carregador comutado como o TP5100 reduz a dissipação em uma ordem de grandeza, à custa de um indutor e de mais trabalho de layout.

USB-C e corrente de entrada

Os projetos modernos utilizam USB-C em vez de micro-USB, e isso altera duas coisas. Uma fonte USB-C pode anunciar 500 mA, 1.5 A ou 3 A dependendo do resistor nas linhas CC; o carregador não negoceia, limita-se a consumir corrente.

Se a fonte não conseguir fornecer a corrente programada, a tensão de entrada colapsa. O carregador pode reiniciar repetidamente, o que parece uma unidade avariada. Verifique a capacidade da fonte antes de culpar o componente.

Verifique também o comportamento de corrente inversa quando a entrada é removida com uma célula ligada. Alguns carregadores bloqueiam-na; outros dependem de componentes externos. Uma bateria que se descarrega para uma porta USB sem alimentação é uma queixa comum no terreno.

6. A proteção da bateria é um circuito separado

O carregador controla a corrente e a tensão. Não protege a célula contra descarga excessiva, sobrecorrente ou uma saída em curto-circuito. Essa proteção é um IC separado, normalmente emparelhado com um MOSFET duplo de canal N no caminho negativo.

A combinação comum é um IC de proteção (família DW01) mais um MOSFET duplo 8205. O IC de proteção monitoriza a tensão e a corrente da célula e aciona os MOSFETs para desligar a célula.

Omitir o circuito de proteção é comum em projetos de hobby e inaceitável em produtos. Uma única falha — uma entrada USB em curto-circuito, uma célula danificada, um curto num conector — transforma um carregador barato num risco de incêndio.

Detalhes do projeto térmico

A almofada exposta é o único percurso térmico significativo. Solde-a a uma área de cobre com vias para um plano de massa interno; uma almofada ligada apenas a uma pista fina sobreaquecerá muito antes de se atingir a corrente nominal.

Mantenha o carregador afastado da célula. Uma célula aquecida pelo próprio carregador envelhece mais depressa e, num invólucro selado, as duas fontes de calor somam-se.

Se o invólucro for pequeno, reduza a corrente de carga em vez de acrescentar fluxo de ar. A regulação térmica fá-lo-á automaticamente, mas à custa de um tempo de carga imprevisível.

Leitura dos pinos de estado no firmware

As duas saídas de dreno aberto são habitualmente ligadas a LEDs e, por vezes, também a um microcontrolador. Há três detalhes importantes quando se introduz uma segunda fonte.

Polaridade.Ambos os pinos são open-drain e ativos a nível baixo nas variantes comuns, mas não em todos os clones. Uma indicação invertida faz com que um produto em carregamento pareça inativo.

Tensão de pull-up.Se os pinos forem ligados ao barramento da bateria em vez do barramento lógico, o microcontrolador vê uma tensão acima da sua alimentação quando a bateria está alta. Em vez disso, ligue-os ao barramento lógico.

Comportamento na terminação.Alguns componentes comutam brevemente os pinos de estado durante um ciclo de reinício, o que o firmware pode interpretar erradamente como uma falha. Aplique debounce à entrada ou faça polling a uma taxa lenta.

7. O que verificar antes de substituir

O pino TEMP merece uma nota. Se o projeto não utilizar um termístor, o pino deve ser polarizado da forma especificada na folha de dados para "temperature sensing disabled". Deixá-lo flutuante pode ser interpretado como uma temperatura fora do intervalo e interromper o carregamento — uma falha que parece um carregador avariado.

Certificação e segurança das células

Os produtos com células de lítio estão sujeitos a regras de transporte e segurança que dependem da célula, do circuito de proteção e do invólucro. O carregador é uma parte desse sistema, e uma substituição altera o sistema.

Se o produto tiver um processo de certificação, uma alteração do carregador pode exigir um teste delta. Confirme junto do organismo de certificação antes de assumir que uma peça compatível ao nível dos pinos é administrativamente equivalente.

Proteção de entrada e ESD

O pino de entrada vê o mundo exterior através de um conector, o que implica ESD e transientes de hot-plug. Três medidas são comuns: um díodo TVS no conector, uma pequena resistência em série ou ferrite, e um condensador próximo do pino.

O valor do condensador não é arbitrário. Uma capacitância demasiado elevada na entrada pode causar um pico de corrente de hot-plug que faz baixar a fonte USB; uma capacitância demasiado baixa deixa a entrada exposta. O valor recomendado na ficha de dados é um ponto de partida, não um alvo a exceder.

Se o produto for utilizado com cabos e carregadores de terceiros, acrescente o TVS. Um carregador que sobrevive à bancada e morre na secretária do cliente é normalmente um caminho de ESD, não um defeito de silício.

8. Plano de testes

Teste de células e fornecedores

A qualidade da célula é mais importante do que a qualidade do carregador. Uma célula com elevada resistência interna aquecerá durante o carregamento, e o carregador entrará mais cedo em regulação térmica, fazendo com que o produto pareça lento.

Meça a curva de carga numa amostra de cada lote de células: corrente, tensão e temperatura da carcaça ao longo do tempo. Uma curva que se nivela prematuramente significa que a célula ou o carregador está a limitar, e os dois são distinguíveis medindo a corrente de entrada.

Células profundamente descarregadas

Uma célula armazenada durante meses pode encontrar-se abaixo da tensão mínima. Alguns carregadores entram num modo de carga de manutenção a baixa corrente; outros recusam-se a iniciar.

Se o produto tiver de recuperar uma célula profundamente descarregada, confirme o comportamento do substituto antes do envio. Para o utilizador, um carregador que se recusa a iniciar parece idêntico a uma célula morta, e a devolução é dispendiosa.

9. Custo, fornecimento e segurança

Estes carregadores custam cêntimos, e as segundas fontes são abundantes. Os parâmetros que importam comercialmente não são o preço, mas a documentação e a consistência da tensão de flutuação.

Para um produto com uma célula de lítio, a segurança é uma propriedade do sistema: carregador, IC de proteção, célula, invólucro e certificação. Um carregador mais barato que carrega 50 mV acima, emparelhado com um IC de proteção que dispara tarde, é uma má combinação mesmo que cada componente passe no seu próprio teste.

Adquira células e componentes de proteção através de canais rastreáveis. O modo de falha de uma célula contrafeita não é um teste falhado; é um incêndio, e nenhuma especificação de carregador protege contra isso. Documente a referência da célula, o IC de proteção e o carregador como um único conjunto aprovado.

Caminho de alimentação e partilha de carga

Um carregador sozinho não permite que um dispositivo funcione a partir de USB enquanto a bateria carrega. Isso exige um controlador de caminho de alimentação, que comuta a carga do sistema para a entrada quando esta está presente e para a bateria caso contrário, e que mantém a corrente de carga independente da carga do sistema.

Os projetos que simplesmente ligam a carga aos terminais da célula funcionam, mas continuam a carregar a célula enquanto esta se descarrega, prolongam o tempo de carga e, no pior caso, mantêm a célula a uma tensão de flutuação elevada durante longos períodos. Se o produto funcionar enquanto está ligado à corrente, considere um componente de caminho de alimentação em vez de adicionar um segundo carregador.

10. FAQ

O TP4057 é um substituto direto do TP4056?

Não. É um componente de 500 mA num encapsulamento SOT-23-6. É uma alternativa funcional para projetos de baixa corrente, não uma substituição compatível com os pinos.

Posso carregar a 1 A a partir de uma porta USB?

Apenas se a porta o puder fornecer e a célula estiver especificada para isso. Muitas fontes USB limitam a corrente, e o carregador limitar-se-á a consumir o que estiver disponível.

Preciso de um CI de proteção com o TP4056?

Sim, para um produto. O carregador não protege contra descarga excessiva, sobrecorrente ou saída em curto-circuito.

Porque é que a minha corrente de carga é inferior à programada?

Normalmente é regulação térmica: a pastilha está quente, pelo que o componente reduz a corrente. Melhore a área de cobre ou o fluxo de ar antes de alterar a resistência.

Posso deixar o pino TEMP sem ligação?

Apenas se a folha de dados indicar que isso desativa a deteção de temperatura. Em alguns componentes, deixá-lo flutuante interrompe o carregamento.

Quando devo usar um carregador de comutação?

Acima de cerca de 1 A, ou quando a tensão de entrada estiver muito afastada da tensão da célula. O TP5100 é a opção comum de 2 A.

11. Fontes

• Documentação do Microchip MCP73831:microchip.com
• Referências de carregamento da Battery University:batteryuniversity.com
• Folhas de dados dos fornecedores para a família TP4056: TOP POWER, UMW, MSKSEMI.