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

1. 具备充电状态指示LED
2. 充电电流可调（100mA-1A）
3. 包含过充过放保护
4. PCB尺寸建议控制在30mm×20mm范围内
5. 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。

1. 设计思路

• 供电输入：采用USB-C接口（J1），仅用于电源输入，兼容常见5V适配器。
• 充电管理：核心芯片TP4056（U1），负责锂电池的恒流/恒压充电控制，具备过充、过流、过温保护。
• 充电电流调节：通过外部电阻（R2）和可调电位器（RV1）设定PROG脚，实现充电电流灵活调整，适配不同容量电池。
• 状态指示：双LED（D1、D2）分别指示充电中和充满状态，便于用户直观了解充电进度。
• 输出接口：螺丝端子（J2）输出电池电压，方便后级系统接入。
• 滤波与稳定：输入/输出端配置多颗贴片电容（C1、C2、C3），提升电源稳定性，抑制纹波。

2. 主要器件选型

• TP4056：主流锂电池线性充电IC，支持最大1A充电电流，外围电路简单，性价比高。
• USB-C接口（J1）：GCT USB4125系列，6Pin简化型，适合仅供电场合，易于焊接。
• 电位器（RV1）：Bourns 3296W，精密可调，便于现场设定充电电流。
• LED（D1、D2）：0603封装，体积小，适合高密度PCB。
• 电容/电阻：0603封装，常规选型，便于自动化贴片。
• 螺丝端子（J2）：标准2.54mm间距，便于外部电池连接。

3. 设计框图

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|   USB-C 输入 (J1)  +----->+   TP4056 充电IC   +----->+   电池输出 (J2)   |
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   输入滤波电容 (C2)         充电电流设定 (R2, RV1)         输出滤波电容 (C1, C3)
                                    |
                                    v
                           状态指示LED (D1, D2, R1)

4. 设计目标

• 安全可靠：满足锂电池充电安全规范，防止过充、过流。
• 灵活适配：充电电流可调，适应不同容量电池。
• 易用性强：USB-C供电，LED状态直观，端子输出便于集成。
• 小型化：全部采用0603贴片器件，适合紧凑型PCB设计。

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

1. 原理图简介

• 输入部分：USB-C接口（J1）引入5V电源，经C2滤波后供给TP4056。
• 充电管理：TP4056（U1）负责对电池充电，PROG脚通过R2和RV1设定充电电流，BAT脚连接电池输出端（J2）。
• 状态指示：TP4056的STAT1、STAT2脚分别驱动D1、D2两颗LED，通过R1限流，分别指示“充电中”和“充满”状态。
• 滤波与保护：C1、C3分别对电池端和信号端做滤波，提升系统稳定性。
• 输出端：J2螺丝端子，方便电池或后级负载连接。

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。

2. PCB设计简介

• 布局紧凑：采用0603封装器件，整体尺寸小巧，适合便携式或嵌入式应用。
• 信号完整性：电源与地线宽度适当加粗，关键节点（如BAT、GND）采用大面积铜皮，降低压降和发热。
• 热管理：TP4056底部EP焊盘通过多孔导热至底层铜皮，提升散热能力，保证高电流充电时芯片温度可控。
• 调试便利：电位器（RV1）布局于板边，便于调节；LED靠近板边，便于观察状态。
• 接口清晰：USB-C和螺丝端子分布于两端，便于走线和实际接线操作。

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

3. 设计特色与迭代说明

• 多次打样优化：
• • 第一版：初步实现功能，但发现USB-C接口与TP4056输入地线回路过长，导致高电流时压降偏大，LED指示偶有误动作。
  • 第二版：优化地线走向，增加铜皮面积，调整LED限流电阻值，提升指示准确性和整体稳定性。
  • 第三版：进一步缩小PCB尺寸，优化电位器和端子布局，提升用户调节和接线体验；增加丝印标识，便于装配和维护。
• 特色亮点：
• • 充电电流可调：通过电位器灵活设定，适配多种电池。
  • USB-C供电：兼容性强，适合现代设备。
  • 状态直观：双LED指示，充电状态一目了然。
  • 高可靠性：多点滤波、优化散热，适合长时间工作。

模块主要性能指标和管脚定义

主要性能指标

1. 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）
2. 充电电流范围：可调，最大支持1A（通过R2与RV1调节PROG脚设定）
3. 适用电池类型：单节3.7V锂离子/锂聚合物电池
4. 充电终止电压：4.2V（TP4056内部设定）
5. 充电状态指示：双LED指示（充电/充满）
6. 过温保护：TP4056内置
7. 电池输出端口：螺丝端子，便于外接电池
8. 板载滤波电容：输入/输出均有滤波，提升稳定性
9. 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.

模块调通后，功能展示图通常包括实物照片、连接示意和状态指示效果。以下为典型的功能展示说明及调试过程中用到的主要硬件/工具介绍：

1. 功能展示图说明

功能展示图

（1）模块实物连接图

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|   USB-C 适配器    +----->+   充电模块实物    +----->+   单节锂电池      |
|                   |      |   (本设计PCB)     |      |   (3.7V)          |
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         v                          v                          v
   USB-C线缆                LED1/LED2状态指示           螺丝端子连接

（2）功能状态展示

模块实物

• 充电中：插入USB-C电源，连接锂电池，D1（红色LED）点亮，表示正在充电。
• 充满电：充电完成后，D1熄灭，D2（绿色LED）点亮，表示电池已充满。
• 充电电流调节：旋转RV1电位器，可观察充电电流变化（需配合万用表测量BAT端电流）。

2. 调试用到的其他硬件/工具

• USB-C电源适配器：5V输出，1A以上，保证充电电流需求。
• USB-C线缆：连接适配器与模块。
• 单节锂电池：3.7V常规18650或聚合物锂电池，容量建议500mAh~2000mAh。
• 万用表：测量BAT端输出电压、电流，辅助调节充电电流。
• 螺丝刀：调节RV1电位器，连接/拆卸螺丝端子。
• 焊台/热风枪（如需更换元件或修复）：用于贴片器件焊接。
• 电流计：观察输入电压和充电时的电压电流。

3. 展示要点总结

• 模块通电后LED状态正常切换，充电过程直观可见。
• 充电电流可调，适配不同电池，调节过程配合万用表读数。
• USB-C供电，连接简便，适合多种场合。
• 模块体积小巧，布局合理，便于集成到各类项目中。

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。