方案介绍
设计目标
设计一款支持 USB-C 5V 输入 的单节锂离子/锂聚合物电池充电模块，适用于便携传感器、手持设备或小型仪器。主要目标：
- 采用 TP4054 充电管理芯片，实现 CC/CV 完整充电过程。
- 最大充电电流 600mA，并可通过板上电阻 R2、R3、R4、R5 灵活组合调整。
- 板载充电状态指示灯：充电中常亮，充满熄灭。
- 具备完善的 ESD/浪涌保护：
- USB-C 接口使用 USBLC6-2SC6 对数据线进行防护。
- 电池端 BAT+ 使用 SMAJ5.0A TVS 管防护。
- 电池连接采用 2 根 1PIN 排针，板面丝印 B+、B-，并预留 T1 测试点。
- 纯硬件设计，无需软件，零调试成本。
资源框图
系统架构
架构说明：
- USB-C 接口的 CC1、CC2 各通过 5.1kΩ 电阻下拉到地，通知供电方输出 5V。
- VBUS 经滤波电容后送入 TP4054，TP4054 内部集成功率管，根据 PROG 引脚电阻决定恒流充电电流。
- 充电过程分为 涓流、恒流、恒压 三阶段，指示灯由 CHRG 引脚驱动。
- 电池端并联 SMAJ5.0A 吸收插拔及静电尖峰。
资源分配表
资源类型 | 标号 | 功能描述 | 备注 |
|---|---|---|---|
主控芯片 | U1 | TP4054，单节锂电池线性充电管理 | 封装 SOT-23-5 |
ESD 保护（USB 数据线） | U2 | USBLC6-2SC6，双路极低电容 ESD 防护 | 用于 D+、D- |
TVS 保护（电池端） | D1 | SMAJ5.0A，单向 5V TVS，峰值功率 400W | BAT+ 对 GND |
电流设置电阻 | R2、R3、R4、R5 | 通过跳线/焊盘组合并联到 PROG，调节充电电流 | 典型阻值见 3.1 节 |
CC 下拉电阻 | Rcc1、Rcc2 | 各 5.1kΩ ±1%，从 CC1、CC2 到 GND | 0603 封装 |
充电指示灯 | D2（LED） + R1（限流） | 红色 LED，充电时亮，充满灭 | R1 取值 1~2kΩ |
输入/输出电容 | C1、C2 | 输入 4.7μF，输出 2.2μF 陶瓷电容 | 稳定 LDO 工作 |
电池连接器 | J1 | 2 脚 2.54mm 排针，B+、B- | 防反接由电池本身极性决定 |
测试点 | T1 | BAT+ 测试焊盘 | 方便测量电池电压 |
模块介绍
本模块为 USB-C 接口的单节锂电池充电板，尺寸小巧，特别适合嵌入到便携设备中。
核心采用 TP4054，具备完整的充电保护功能：
- 支持最大 600mA 可编程充电电流。
- 内置热调节与安全定时器。
- 超低电池反接漏电流（仅 1µA）。
- 充电状态直接驱动 LED，无需额外电路。
模块通过 更换或并联 R2~R5 电阻 灵活调整充电电流，适配不同容量电池。
接口部分做了充分的 ESD 考虑，即使频繁插拔 USB 也不会损坏芯片。
TP4054 芯片 DigiKey 链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/umw/TP4054/17635214
原理图和 PCB 模块介绍
原理图
原理图关键网络：
- VBUS → 经过 C1 滤波进入 TP4054 的 VCC（Pin4）。
- PROG（Pin5） → 连接到电流设定电阻网络，可通过跳线选择 R2/R3/R4/R5 中的一个或多个并联到 GND。
- 充电电流公式：
IBAT = (1000V) / RPROG（RPROG 单位 Ω）。用户可根据需求焊接合适的电阻，或使用拨码开关并联组合。 {% asset_img 2026-08-10_17-39-54.png 2026-Make-Blocks-5-阶段2-USB-C单节锂电池充电模块 %}
- 充电电流公式：
- BAT（Pin3） → 接电池正极，同时并联 SMAJ5.0A TVS 管（D1）到地，再经 J1 排针输出。
- CHRG（Pin1） → 通过限流电阻 R1 接红色 LED 到 VCC。充电时内部拉低，LED亮；充满变为高阻，LED灭。
- CC1、CC2 → 先接 USBLC6-2SC6 后各经 5.1kΩ 电阻接地，确保识别为 UFP 5V/Default 模式。
PCB
- 板厚：1.6mm，2 层板，FR-4。
- 布局：USB-C 母座置于板边，TVS 和 ESD 器件紧靠连接器摆放。
- TP4054 置于中央，底部覆铜散热，电池排针在另一侧。
- 保护器件：
- USBLC6-2SC6 紧贴 USB-C 的 CC1/CC2 焊盘。
- SMAJ5.0A 紧贴 BAT+ 排针，短粗线直接接地平面。
- 标识：丝印清晰标注 B+、B-、T1，以及电流选择焊盘的功能。
硬件设计亮点
- 全链路 ESD 防护
- 数据线采用专业 USB 保护器件 USBLC6-2SC6，电容 <2.5pF，不影响信号，同时吸收 IEC 61000-4-2 Level 4 接触放电。
- 电池端采用 400W TVS SMAJ5.0A，钳位电压 9.2V 高于 TP4054 BAT 引脚耐压，无法有效确保电池插拔和静电安全。因此，我加入了磁珠阻挡高频残余尖峰，与后面的 10µF + 0.1µF 电容组合构成 L-C 低通滤波（磁珠提供高频阻抗，电容提供高频通路），把最终进入 BAT 引脚的电压平滑到安全水平（远低于 7V）。
- 灵活电流配置
通过 4 个 0603 电阻焊盘，可自由组合出多种电流值，无需更换芯片或修改布线。 - 高可靠性充电管理
TP4054 自带热调节功能：当芯片温度超过 120°C 自动降低充电电流，防止过热；安全定时器防止电池损坏。 - 超低待机功耗
无电池时 VBUS 消耗仅 70µA；电池反接时漏电流小于 1µA。
模块主要性能指标和管脚定义
主要性能指标
项目 | 参数 |
|---|---|
输入电压 | 4.5V ~ 6.5V（典型 5V，USB-C） |
充电类型 | 线性 CC/CV，单节锂电池 |
最大充电电流 | 600mA（可通过电阻编程） |
恒压充电电压 | 4.20V ±1% |
涓流充电阈值 | 2.9V（典型值） |
静态电流（BAT） | 1µA（无输入） |
充电效率 | 约 80%（5V 输入，3.7V 电池） |
保护功能 | 过热调节、安全定时、电池反接保护（低漏电） |
状态指示 | 单 LED：充电亮，充满灭 |
ESD 防护等级 | IEC 61000-4-2 Level 4（接触 8kV，空气 15kV） |
工作温度 | -40°C ~ +85°C |
管脚定义
外部接口（排针 J1）
引脚 | 信号 | 说明 |
|---|---|---|
1 | B+ | 电池正极（接锂电池 +） |
2 | B- | 电池负极（接地） |
USB-C 母座（仅列出使用引脚）
引脚 | 信号 | 说明 |
|---|---|---|
VBUS | VBUS | 5V 电源输入 |
GND | GND | 地 |
CC1 | CC1 | 接 USBLC6-2SC6 后经 5.1kΩ 到 GND |
CC2 | CC2 | 接 USBLC6-2SC6 后经 5.1kΩ 到 GND |
板上设置及标识
- 电流设置区：四个焊盘标号 R2、R3、R4、R5，丝印旁标注建议阻值（例如：R2=1.67kΩ/600mA，R3=2kΩ/500mA……）。
- LED 标识：LED1 旁印有 “CHRG”，表示充电状态。
- 电池接口：排针旁丝印 B+、B-，并标有电池极性图标。
- 测试点：T1 圆形焊盘，位于 BAT 走线上，丝印 “T1”。
实物展示
正面
背面
充电状态
红灯亮起表示充电中，红灯熄灭表示充满，未接电池时红灯短暂闪烁。
总结
本设计以 TP4054 为核心，构建了一款 安全、紧凑、高性价比 的 USB-C 单节锂电池充电模块。通过 USBLC6-2SC6 和 SMAJ5.0A 的组合防护，保证了接口和电池端的 ESD 耐受能力；灵活的可编程电流网络使同一块 PCB 可适应多种容量电池；完整的充电管理和状态指示让用户可直观了解充电进程。
模块可广泛应用于便携传感器、手持测量仪器等需要内置锂电池充电的场合，为系统提供稳定可靠的电源基础。
yehan鲜de芒果NGA0428