Mạch sạc pin li-ion TP4056

0
370
Mạch sạc pin li-ion TP4056 : Khi sự phổ biến và sử dụng điện thoại thông minh và máy tính bảng ngày càng tăng, nhu cầu di động và sử dụng nguồn cung cấp năng lượng cũng tăng lên. Điện thoại thông minh và máy tính bảng đi kèm với pin sẽ cạn sau 4 đến 5 giờ sử dụng. Như một giải pháp cho vấn đề này, các mạch sạc điện đã được giới thiệu trên thị trường cho những người sử dụng thường xuyên. Các pin sạc dự phòng này cũng được sử dụng khi người dùng đang trong một chuyến đi dài và không có thiết bị để sạc điện thoại hoặc máy tính bảng của mình. mạch sạc điện về cơ bản là một thiết bị di động có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị như điện thoại thông minh và máy tính bảng thông qua cổng USB. Bản thân pin sạc dự phòng có thể được sạc bằng cổng USB và sạc dự trữ sau đó có thể được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị khác.
Trong thí nghiệm này, một pin dự phòng sẽ được thiết kế để có thể cung cấp nguồn điện 5V / 4A. Bộ sạc dự phòng sẽ được xây dựng bằng pin Li-ion 3.7V và sẽ có một mạch sạc sử dụng IC TP056 và mạch tăng cường nguồn ở đầu ra. Pin Li-ion sẽ lưu trữ điện tích và sau đó điện tích được lưu trữ trong pin sẽ được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị. Để lưu trữ điện tích, bản thân pin Li-ion trước tiên cần được sạc bằng mạch sạc sử dụng IC TP056. IC này thường được sử dụng để sạc pin Li-ion. IC được thiết kế đặc biệt để sạc một pin Li-ion 3.7 V duy nhất và có thể cung cấp dòng sạc tối đa 1A.
Điện thoại di động và hầu hết các thiết bị điện tử cần nguồn điện 5V nhưng pin Li-ion sẽ cung cấp điện áp tối đa là 4,2 V. Do đó, sẽ cần một mạch tăng cường nguồn điện có thể khuếch đại công suất đầu ra lên 5V. Để khuếch đại nguồn điện được lưu trữ trong pin, IC điều chỉnh XL6009 được sử dụng để tăng nguồn DC từ pin lên 5V DC được điều chỉnh. XL6009 cung cấp dòng điện tối đa 4 A ở đầu ra (theo biểu dữ liệu của nó). Do đó, bộ nguồn được thiết kế trong dự án điện tử này sẽ cung cấp công suất đầu ra là 5V / 4 A.

Linh kiện cần có

 Mạch sạc pin li-ion TP4056
Hình 1: Danh sách các thành phần cần thiết cho Mạch sạc pin li-ion TP4056

Cách hoạt động của mạch

 Mạch sạc pin li-ion TP4056

Hình 2: Mạch sạc pin li-ion TP4056

Mạch của bộ nguồn có hai khối :

1) Mạch nạp pin

2) Mạch khuếch đại đầu ra.

Nếu điện áp đầu ra yêu cầu chỉ là 3,7 V hoặc 4 V, thì không cần mạch khuếch đại. Nhưng, điện áp đầu ra yêu cầu là 5V, đó là lý do tại sao mạch khuếch đại ở đầu ra của thiết bị là bắt buộc.

Theo các phần mạch, thiết bị cũng hoạt động theo hai giai đoạn :

1) Sạc pin.

2) Lấy đầu ra từ pin thông qua mạch khuếch đại. 

1) Sạc pin Li-ion với TP4056

Trong dự án điện tử này, pin Li-ion 3,7 V được sử dụng để lưu trữ điện tích được sạc đầy khi điện áp đầu của nó đạt đến 4,2 V. Khi bất kỳ lần sạc pin nào, sản lượng điện áp trên các đầu của nó không ngừng tăng lên. Mỗi pin đều có giá trị điện áp cực đại mà pin được sạc đầy. Vì vậy, phần trăm sạc của pin cũng được ước tính bằng cách đo điện áp đầu . Pin Li-ion cần được xử lý cẩn thận vì pin có thể bắt lửa do sạc quá mức. Do đó, để sạc pin Li-ion, các IC đặc biệt như IC TP4056 được sử dụng để tự động ngắt kết nối pin khỏi nguồn điện đầu vào khi pin đã được sạc đầy.
TP4056 là một vi mạch được thiết kế đặc biệt để sạc pin Li-ion 3,7 V. Đây là bộ điều khiển sạc pin tuyến tính với dòng điện không đổi và điện áp không đổi. Bằng cách thêm một điện trở lập trình duy nhất, IC có thể được sử dụng để sạc pin Li-ion 3.7V. Điện áp sạc được cố định ở mức 4,2V và dòng điện sạc có thể được thiết lập bằng cách thêm một số điện trở và tụ điện theo pin cần sạc. IC cũng cung cấp khả năng bảo vệ nhiệt bên trong và hạn chế dòng điện. Không cần thêm diode chặn bổ sung do P-MOSFET bên trong chặn dòng ngược.
IC TP4056 đi kèm trong gói SOP, lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị di động. Nó cũng yêu cầu ít linh kiện bên ngoài hơn, không có gì khác ngoài vài điện trở và tụ điện. IC có 8 chân với cấu hình chân như sau:
 Mạch sạc pin li-ion TP4056
Hình 3: Bảng liệt kê cấu hình chân của IC TP4056 

IC cần điện áp tối thiểu 4V đến 8V để hoạt động. Nó có thể cung cấp dòng sạc tối đa 1000mA cho pin và cố định 4,2 V ở đầu ra. Mạch như được đưa ra trong biểu dữ liệu của IC được sử dụng để thiết kế bộ sạc. 

 Mạch sạc pin li-ion TP4056

Hình 4: Sơ đồ mạch của Bộ sạc pin dự phòng nguồn điện dựa trên IC TP4056

Để quyết định giá trị dòng sạc của pin, một điện trở prog phải được kết nối tại chân PROG như được mô tả chức năng của chân PROG trong biểu dữ liệu.

Đối với 1000mA dòng sạc  Rprog có thể được tính như sau :

Ibat = ( VPROG/RPROG )*1200  (VPROG = 1V)

Rprog = (Vprog/Ibat)*1200

Rprog = (1/1)*1200

Rprog =  1.2k

Pin phải được kết nối theo cực được chỉ định trên IC vì IC TP4056 không có bất kỳ mạch bảo vệ phân cực ngược nào.

Chỉ báo sạc pin

Để có dấu hiệu trực quan về kết thúc sạc và trạng thái sạc của pin, đèn LED có thể được kết nối với chân 6 và chân 7 của IC. Khi nguồn điện đầu vào được cung cấp cho mạch thì đèn LED Đỏ ở chân số 7 sáng lên sẽ cho biết trạng thái sạc của pin. Khi điện áp của pin sẽ đạt đến 4,2V thì pin sẽ tạo ra ít dòng điện hơn. Các sạc hiện nay khi giảm xuống 1/10th của (1000mA) sau đó sạc sẽ được dừng lại. Đèn LED màu xanh lá cây ở chân 6 sẽ sáng và hiển thị trực quan rằng pin đã được sạc đầy (vì điện áp đầu  đã đạt đến 4,2V).

2) Vẽ đầu ra từ pin thông qua bộ khuếch đại điện áp và mạch điều chỉnh.

Khi pin được sạc đầy bởi mạch sạc TP4056, nó đã sẵn sàng cung cấp đầu ra. Điện áp đầu ra từ pin Li-ion cần một bộ chuyển đổi tăng cường sẽ tăng điện áp đầu ra của pin lên 5V.
Một bộ chuyển đổi tăng cường được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu DC đầu vào sang mức điện áp cao hơn. IC điều chỉnh XL6009 được sử dụng cho mạch chuyển đổi tăng cung cấp điện áp điều chỉnh và khuếch đại. Bộ chuyển đổi tăng cường này khuếch đại tín hiệu lên khoảng 1,6 lần tín hiệu đầu vào từ pin với hiệu suất 94%. XL6009 là một bộ chuyển đổi DC sang DC có khả năng tạo ra điện áp đầu ra dương hoặc âm với điện áp đầu vào trong khoảng từ 5V đến 32V.
IC được tích hợp sẵn MOSFET nguồn N-Channel và bộ dao động tần số cố định cho phép cung cấp đầu ra ổn định trên một loạt các điện áp đầu vào. IC được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong bộ chuyển đổi Tăng tốc trên ô tô, bộ chuyển đổi Đảo chiều, bộ điều hợp trên ô tô máy tính xách tay và thiết bị điện tử cầm tay. IC có các tính năng như bù tần số, ngắt nhiệt, giới hạn dòng điện và khởi động mềm. Nó có sẵn trong gói T0263-5L. XL6009 sẽ hoạt động trên điện áp cung cấp đầu vào từ -0,3V đến 36V và có thể cung cấp đầu ra trong phạm vi -0,3V đến 60V. IC có năm chân với cấu hình chân sau: 
 Mạch sạc pin li-ion TP4056
Hình 5: Bảng liệt kê cấu hình chân của IC điều chỉnh XL6009 

Mạch được chỉ định trong biểu dữ liệu của IC cho ứng dụng bộ chuyển đổi tăng cường điển hình được sử dụng trong dự án này.

Lưu ý : Bạn có thể tìm thấy Mạch chuyển đổi XL6009 Boost trong tab “Sơ đồ mạch 2”.

Tại đầu vào và đầu ra của bộ điều chỉnh, các tụ điện (Cin và Cout) được sử dụng để giảm các gợn sóng và nhiễu không mong muốn từ tín hiệu. Cout cung cấp điện áp DC được điều chỉnh và mượt mà ở đầu ra. Một giá trị nhỏ của tụ điện 1uF (C4) cũng được kết nối song song với Cout của tụ điện giá trị cao để giảm ESR (điện trở nối tiếp tương đương) ở đầu ra (vì các tụ điện giá trị cao có ESR cao). 
Cuộn cảm kết nối giữa chân 3 và 4 đóng vai trò quan trọng trong bộ chuyển đổi tăng cường. Chức năng chính của cuộn cảm là lưu trữ dòng điện. Giá trị của cuộn cảm càng cao thì dòng điện được lưu trữ trong nó càng cao nhưng cuộn cảm có giá trị cao cũng có kích thước tăng lên. Vì vậy, một cuộn cảm nên được chọn có thể cung cấp dòng điện mong muốn ở đầu ra. Trong dự án, một cuộn cảm (L1) 47 uH và một diode Schottky (D3) được sử dụng. Diode SS34 được chọn vì diode này có điện áp thấp hơn và hoạt động tốt ở tần số cao. Bạn có thể tìm thấy danh sách các điốt Schottky phù hợp cho IC theo nhu cầu hiện tại và điện áp đầu vào trong bảng dữ liệu của IC XL6009. Để thuận tiện, bảng được lặp lại chính xác bên dưới: 
 Mạch sạc pin li-ion TP4056
Hình 6: Bảng liệt kê Điốt Schottky Thích hợp cho IC điều chỉnh XL6009 
 Mạch sạc pin li-ion TP4056
Hình 7: Sơ đồ mạch của cuộn cảm và diode Schottky kết nối với XL6009

Bên trong XL6009 có MOSFET nguồn kênh N với tần số cố định của bộ dao động (như trong hình 4 bên dưới). MOSFET này hoạt động như một bóng bán dẫn chuyển mạch và bộ dao động tạo ra một sóng vuông khoảng 400kHz (theo biểu dữ liệu). Trong nửa chu kỳ dương của sóng vuông, cuộn cảm tích trữ một lượng năng lượng và tạo ra từ trường nên đầu bên trái của cuộn cảm là điện áp dương và đầu bên phải là điện áp âm. Do đó cực dương của diode có điện thế thấp hơn và hoạt động giống như một mạch hở.

Đế của MOSFET nhận điện áp dương và MOSFET BẬT. Vì vậy, tất cả các dòng điện từ nguồn cung cấp chảy qua cuộn cảm đến MOSFET và cuối cùng xuống đất.
 Mạch sạc pin li-ion TP4056
Hình 8: Sơ đồ mạch hiển thị chu kỳ sạc âm của MOSFET bên trong XL6009
Trong nửa chu kỳ âm, MOSFET sẽ tắt. Do đó, cuộn cảm không nhận được một con đường để sạc. Bây giờ dòng điện tại cuộn cảm tạo ra một emf ngược (theo định luật Lenz) đảo ngược cực của cuộn cảm (như thể hiện trong hình ảnh bên dưới). Do đó diode được phân cực thuận. Bây giờ điện tích được lưu trữ trong cuộn cảm bắt đầu phóng điện qua diode và thu được điện áp điều chỉnh ở đầu ra.
Trong trường hợp này, điện áp đầu ra bây giờ phụ thuộc vào điện tích được lưu trữ trong cuộn cảm, điện tích được lưu trữ càng nhiều thì điện áp đầu ra càng nhiều. Do đó nếu thời gian sạc của cuộn cảm nhiều hơn thì điện tích được tích trữ trong cuộn cảm cũng tăng lên. Vì vậy, có hai nguồn điện áp làm đầu vào, một nguồn là cuộn cảm và một nguồn khác là nguồn cung cấp đầu vào. Do đó luôn có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào.
 Mạch sạc pin li-ion TP4056
Hình 9: Sơ đồ mạch hiển thị chu kỳ sạc dương của MOSFET bên trong XL6009
 Mạch phân áp điện trở:
Để thiết lập 5V ở đầu ra của XL6009, một mạch phân áp điện trở bên ngoài được sử dụng tại chân phản hồi (chân 5) của IC điều chỉnh (như trong hình dưới đây). Chân phản hồi này cảm nhận điện áp đầu ra và điều chỉnh nó.
 Mạch sạc pin li-ion TP4056
Hình 10: Sơ đồ mạch của bộ phân áp được kết nối tại chân đầu ra của XL6009
Tính toán điện áp đầu ra
Vì điện áp ngưỡng phản hồi bên trong của XL6009 là 1,25V. Điều này có nghĩa là có một điện áp không đổi ở chân 5 và một dòng điện không đổi sẽ chạy qua R4 cũng như R5. Do đó, tổng điện trở giảm qua R4 và R5 cho V ra 

ra = 1,25 * (1+ (R4 / R5))

Như R4 = 4,1k và R5 = 1,3k

ra = 1,25 * (1+ (R4 / R5))

Bằng cách đặt các giá trị R4 và R5 trong phương trình trên

Quan sát lý thuyết, V ra = 5.2V (ước chừng) 
Điện áp đầu ra không chính xác là 5V vì bất kỳ thiết bị nào yêu cầu 5V không chính xác hoạt động trên 5V. Nó cần một số điện áp cao hơn 5V do một số tổn thất điện trở và sụt giảm trong thiết bị. Để tăng tín hiệu đầu vào lên 5V, bạn cũng có thể sử dụng bất kỳ mô-đun bộ chuyển đổi tăng cường nào trên thị trường. Giống như bo mạch tăng cường XL6009 cũng có sẵn, cung cấp điện áp ổn định và được điều chỉnh là 5V ở đầu ra.

Thử nghiệm Mạch sạc pin li-ion TP4056 

Sau khi kết nối tất cả các thành phần với nhau, 5V được cung cấp cho IC TP4056 để bắt đầu sạc pin Li-ion. Điện áp đầu ra của pin đóng vai trò như một đầu vào cho mạch tăng áp. Vì vậy, điện áp đầu vào ở mạch tăng / Điện áp pin Li-ion, V in = 4,2V khi pin được sạc đầy. Mạch tăng khuếch đại đầu vào và cung cấp điện áp đầu ra là 5,18 V. Bây giờ bằng cách kết nối tải khác nhau ở đầu ra, các giá trị khác nhau của dòng tải được quan sát như sau: 
 Mạch sạc pin li-ion TP4056
Hình 11: Bảng liệt kê dòng điện đầu ra của pin dự phòng cho các tải khác nhau
Mạch sạc điện được thiết kế trong dự án này có thể được sử dụng để sạc bất kỳ thiết bị điện tử nào cần dòng điện tối đa 5V và 4A được quy định để hoạt động. Mạch sạc điện được thiết kế trong dự án này có hiệu suất khoảng 94% và sử dụng đúng hạn các IC thích hợp có bảo vệ quá áp và nhiệt bên trong. Bộ sạc dự phòng sẽ tự động bị ngắt khỏi nguồn cung cấp khi nó được sạc đầy và có các đèn LED chỉ báo sạc và sạc đầy. Cần chú ý rằng pin không được xả bằng cách kết nối tải, trong quá trình sạc pin. Việc sạc và xả đồng thời có thể làm giảm tuổi thọ của pin và có thể gây hại cho IC TP4056. 

Sơ đồ Mạch sạc pin li-ion TP4056

Mạch sạc pin li-ion TP4056

 Mạch sạc pin li-ion TP4056

 Mạch sạc pin li-ion TP4056

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here