2025 Make Blocks阶段1 - 基于TP4056的USB-C锂电池充电模块设计

内容介绍

任务介绍

题目要求：设计一个支持USB-C接口的单节锂电池充电模块

具备充电状态指示LED
充电电流可调（100mA-1A）
包含过充过放保护
PCB尺寸建议控制在30mm×20mm范围内
主要器件：需在DigiKey官网上有货且正常售卖

请注意：PCB设计工具需用KiCad（官方邮件赠送了课程），或最终提交的文件需是KiCad文件，详见大赛主页阶段1要求和项目提交内容。

模块介绍

根据任务要求本次我选用的是TP4056芯片设计了一款USB-C接口的单节锂电池充电模块，此电路模块基于TP4056锂电池充电管理芯片，设计用于通过USB-C接口为单节锂电池进行安全高效的充电。主要功能如下：

主要功能:

通过USB-C接口（J1）输入5V电源，为单节锂电池（J2）充电。
TP4056（U1）实现恒流/恒压充电管理，具备过充保护、充满自动停止等功能。
充电状态指示：D1、D2为LED，分别指示充电中和充满状态。
可调充电电流：通过R2和可调电位器RV1设定PROG脚的充电电流，适应不同容量电池需求。
输出端（J2）可直接连接锂电池，C1、C3为输出滤波，提升电池端电源质量。

TPB4056A20-ES1R芯片DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/3peak/TPB4056A20-ES1R/22228644

原理图和PCB模块介绍

原理图

主要电路结构

输入部分：USB-C接口J1，C2为输入滤波电容，确保输入电源稳定。
充电管理：TP4056芯片负责整个充电过程的控制，外围电阻电容设定充电参数。
状态指示：R1限流，D1、D2分别连接到TP4056的STAT1/STAT2脚，直观显示充电状态。
电流调节：R2与RV1串联，连接到PROG脚，可根据实际需求调整充电电流。
输出部分：J2为电池连接端，C1、C3为输出滤波，保证电池端电压稳定。

PCB

板载主要元件分布

输入端（USB-C接口J1）：位于PCB一侧，方便外部5V电源接入。输入端附近布置有输入滤波电容C2，抑制电源噪声。
充电管理芯片（U1）：TP4056位于板中央，便于与各外围元件的短距离连接，减少走线阻抗和干扰。
状态指示LED（D1、D2）及限流电阻（R1）：靠近板边缘，便于外部观察充电状态。
充电电流调节（R2、RV1）：靠近U1的PROG脚，便于调节和测试。
电池输出端（J2）：位于另一侧，方便与锂电池连接。输出端附近布置有滤波电容C1、C3，提升输出稳定性。

3D效果图

模块主要性能指标和管脚定义

主要性能指标

输入电压范围：4.5V ~ 5.5V（通过USB-C接口供电，推荐标准5V输入）
充电电流范围：可调，最大支持1A（通过R2与RV1调节PROG脚设定）
适用电池类型：单节3.7V锂离子/锂聚合物电池
充电终止电压：4.2V（TP4056内部设定）
充电状态指示：双LED指示（充电/充满）
过温保护：TP4056内置
电池输出端口：螺丝端子，便于外接电池
板载滤波电容：输入/输出均有滤波，提升稳定性
体积小巧：适合便携式设备集成

管脚定义

J1（USB-C电源输入）
- A9/B9：VCC（5V输入）
- A12/B12/S1：GND
- A5/B5：CC1/CC2（未连接）
J2（电池输出端）
- 1：/BAT（电池正极）
- 2：GND（电池负极）
U1（TP4056-42-ESOP8）
- 1：TEMP（电池温度检测，未连接）
- 2：PROG（充电电流设定，外接R2与RV1）
- 3：GND
- 4：VCC（5V输入）
- 5：/BAT（电池正极输出）
- 6：STDBY（充满指示，接D2）
- 7：CHRG（充电指示，接D1）
- 8：VCC（5V输入）
- 9：EP（散热焊盘，接GND）
LED指示
- D1：CHRG（充电状态，红灯）
- D2：STDBY（充满状态，绿灯）
电流调节
- R2、RV1：与U1的PROG脚相连，用于设定充电电流.

eZ-PLM上新建物料和项目的截图

使用了eZ-PLM系统上传了自己的工程文件，方便保存记录各个版本，也可随时查阅，系统里查阅不到的物料也支持手动添加。

物料添加展示图

项目详情图

心得体会

本电路采用TP4056芯片实现锂电池充电管理，设计简洁，功能实用。USB-C接口便于现代设备供电，LED状态指示清晰直观。通过可调电阻和电阻并联设置充电电流，适应不同容量电池需求。滤波电容提升了系统稳定性，整体布局紧凑，便于集成。实际调试过程中，充电过程平稳，安全性高，适合小型便携设备的锂电池充电应用。