一、所选任务介绍

本次设计任务要求开发一款支持USB-C输入的单节锂电池充电模块，支持单节锂离子/锂聚合物电池充电，采用CC/CV（恒流/恒压）充电方式以确保充电安全与电池寿命；充电电流可通过外部电阻灵活设置，适应不同容量的电池；输入端加入USB-C接口和基础ESD防护，提升抗干扰能力；该充电模块作为便携式电子系统的核心供电单元，其充电安全性、效率和可靠性直接关系到整个系统的稳定运行。

二、设计方案介绍

模块采用"USB-C输入→ESD防护与EMI滤波→TP4057 CC/CV充电→电池接口→保护电路"的链式架构，整体分为输入接口区、充电区、电池接口区和保护电路区四大功能区。USB-C接口作为电源输入端口，通过CC1/CC2引脚的下拉电阻识别默认5V供电模式；输入端串联磁珠并配合滤波电容，有效抑制高频EMI干扰；TVS二极管D4提供ESD/浪涌防护，保护后级充电芯片免受静电和瞬态过压损害。

充电核心采用TP4057芯片，支持1A恒流充电和4.2V恒压充电，充电电流通过PROG引脚外接电阻R5精确设置。充电过程中LED1点亮指示充电状态，充满后LED2点亮指示充电完成。电池接口采用排针，清晰标注BAT+和BAT-。保护电路采用S-8261AASMD电池保护IC配合8205S MOSFET，实现过充保护、过放保护、过流保护和短路保护四重防护。

板上资源框图

三、设计的模块介绍

TP4057（U1）—— 单节锂电池充电管理芯片

TP4057是一款专为单节锂离子/锂聚合物电池设计的恒流/恒压（CC/CV）线性充电管理芯片。其主要特性包括：输入电压范围4.5V~16V，支持USB直充；内置热反馈调节功能，可自动调节充电电流以控制芯片温度；充电电流可通过PROG引脚外接电阻精确设置（ISET = 1.2V/RPROG）；内置4.2V精密基准电压源（精度±1%），确保恒压充电精度；充电过程采用C/10自动再充电功能，当电池电压低于3.0V时自动恢复充电；内置定时器防止充电超时，提升安全性。本设计中，PROG引脚外接R5电阻，设置充电电流为ISET = 1.2V/2kΩ = 600mA，适用于中等容量电池的充电需求。

DigiKey链接：充电管理芯片

S-8261AASMD-G2ST2G（U2）—— 锂电池保护IC

S-8261AASMD是一款高精度锂电池保护用检测IC，由新电工业生产。其主要特性包括：过充检测电压精度±0.1%（典型值4.35V），过放检测电压精度±0.5%（典型值2.5V）；内置200ms/4.0ms延时电路，可有效滤除瞬态干扰避免误动作；内置迟滞功能，防止在临界电压处反复开关；通过DO/CO引脚驱动外部MOSFET，实现过充/过放保护；功耗极低（待机电流≤1.0μA），适合长期待机应用。本设计中，VM引脚连接电池正极用于电压检测，DP/DM引脚通过8205S控制电池回路的通断。

DigiKey链接：锂电池保护IC

四、原理图和PCB设计介绍

4.1 原理图设计

原理图设计严格遵循功能分区原则，分为以下子模块：

（1）USB-C输入电路： 采用TYPE-C 6P连接器USB1，VBUS引脚（A9/B9）作为5V电源输入通路，CC1（A5）和CC2（B5）引脚分别通过R1、R2（5.1kΩ）下拉至GND，实现USB-C PD协议默认5V供电识别。EP焊盘（A12/B12）直接接地，提供低阻抗回流路径。

（2）ESD与EMI防护电路： D4（SMBJ15A）TVS二极管并联在VBUS与GND之间，提供瞬态过压保护；L4（BLM18KG121TN1D）磁珠串联在VBUS通路中，抑制高频EMI干扰；R55（0Ω）跳线预留，便于调试时断开输入链路。

（3）TP4057充电电路： U1（TP4057）为核心充电芯片，VCC引脚通过C1（22μF）和C22（100nF）滤波后接入5V输入；BAT引脚连接电池正极，输出充电电流；PROG引脚通过R5（2kΩ）设置充电电流为600mA；CHRG#引脚驱动LED1指示充电状态；STDBY#引脚驱动LED2指示充满状态。

（4）电池保护电路： U2（S-8261AASMD）的VM引脚连接电池正极进行电压采样，DO引脚控制过充保护MOSFET，CO引脚控制过放保护MOSFET（本设计集成于8205S中）；Q2（8205S）作为串联开关管，由保护IC驱动控制电池回路的通断；R7（1kΩ）为栅极下拉电阻，确保上电瞬间MOSFET可靠关断。

4.2 PCB设计

PCB布局严格遵循功能分区与电流路径优化原则：

（1）输入接口区： 位于PCB左上角，USB1连接器靠近板边放置，便于外部线缆接入；D4（SMBJ15A）紧邻USB1的VBUS引脚放置，缩短ESD防护路径；L4磁珠和输入滤波电容C1、C22紧邻TP4057的VCC引脚放置，减少电源线寄生电感。

（2）充电区： 位于PCB中央区域，TP4057（U1）为核心器件，其BAT引脚与电池接口之间的走线加粗处理（≥20mil），以承载600mA充电电流；PROG引脚的R5电阻紧邻芯片放置，减少电流设置电阻的噪声干扰；LED1、LED2靠近芯片对应引脚放置，走线采用短而宽的方式。

（3）电池接口区： 位于PCB右下角，CN1排针清晰标注BAT+和BAT-，丝印醒目；电池接口到TP4057的BAT引脚走线采用大面积铺铜或加粗走线，避免细线承载充电大电流导致温升过高。

（4）保护电路区： 位于PCB右侧，S-8261AASMD（U2）紧邻电池接口放置，VM引脚短距离连接电池正极以获取准确的电压采样；8205S（Q2）串联在电池正极回路上，其漏极（D）连接电池正极，源极（S）连接TP4057的BAT端，确保保护动作时能彻底切断电池输出。

五、模块主要性能指标和管脚定义

5.1 主要性能指标

5.2 管脚定义

电池接口（CN1）

USB-C接口（USB1）

六、心得体会

通过本次USB-C单节锂电池充电模块的设计，我获得了许多宝贵的实践经验与深刻体会：锂电池具有较高的能量密度，但同时也存在过充起火、过放损坏、短路爆炸等安全风险。本设计采用S-8261AASMD专用保护IC配合8205S MOSFET，实现了过充、过放、过流三重保护，为电池安全提供了可靠的硬件保障。在实际应用中，保护电路的可靠性直接关系到用户安全，必须选用经过认证的保护芯片，并合理设置保护阈值。