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TP4056を使ったリチウムイオン電池充電モジュールの活用と基板設計

電子工作

リチウムイオン電池を安全に充電するには、専用の制御ICを使うのが基本です。代表的なのが TP4056 を使った充電モジュールで、安価に入手できるため電子工作でもよく利用されます。本記事では、モジュールの動作確認から回路設計の工夫、注意点、応用方法までをまとめました。 自作基板や動作確認は、前回記事↓↓でちらっと触れたやつのことです。

# IoTポストのPCB設計と発注メモ - six-9のブログ

1. TP4056充電モジュールの概要

  • Amazonなどで10枚600円程度で入手可能
  • マイクロUSB端子から電源供給し、リチウムイオン電池を定電流/定電圧方式（CC/CV）で充電する

  • LED表示によって充電状態を確認できる

    • 赤点灯：充電中
    • 青点灯：充電完了（データシート上は緑だが、実装LEDが青の場合あり）

⚠️ 実験中、赤点滅＋青点灯が同時に起こることもありました。これはデータシート上「バッテリー未接続時」の挙動と一致します。

2. 接続したリチウムイオンポリマー電池

  • 使用電池：DTP443442(NTC)（640mAh）
  • 特徴：NTCサーミスタ内蔵 → 過熱時の充電停止に活用できる

  • コネクタピッチ：1.2mm

    • ブレッドボードの2.54mmピッチにはそのまま挿せない
    • 対策：リード線をはんだ付けして拡張、熱収縮チューブで絶縁

3. モジュールの内部回路構成

TP4056モジュールは、次の部品で構成されています。

  • TP4056：リチウムイオン充電制御IC
  • DW01A：過充電・過放電保護IC
  • FS8205A：デュアルMOSFET（DW01Aと組み合わせて保護回路を構成）
  • LED×2：充電状態表示

💡 注意点

  • DTP443442電池にもDW01A＋FS8205Aが内蔵されているため、保護回路が二重になっている

  • Tempピン（1番ピン）がGNDに固定されており、サーミスタによる温度監視機能が使えない

    • 使いたい場合は基板パターンを切断して再配線するか、外部回路で制御する必要あり

TP4056モジュールの回路図

4. 充電電流の調整

TP4056の充電電流は、基板上の抵抗 Rprog によって決まります。

  • 標準実装：R3 = 1.2kΩ → 充電電流 約1000mA
  • 今回使用する電池：640mAh → 1C充電では大きすぎる

  • データシートの表から直線補間で計算：

    • 1.8kΩ → 約644mA（適正値）
  • 1.8kΩはE12系列で入手性も良好

👉 必要に応じて抵抗を変更し、電池容量に応じた安全な充電電流に設定しましょう。

TP4056のデータシート。Rprogの値と充電電流の関係が表になっている。

5. 基板回路設計の工夫

モジュール単体では扱いにくい部分もあるため、自作基板を製作した。

自作基板の回路図、PCBレイアウト、3Dレイアウト

以下の工夫を加えました。

(1) GND基準の扱い

  • TP4056モジュールは B- と OUT- が分離されている
  • 自作基板では OUT- をGND基準として回路を設計

(2) 負荷制御と表示

  • SW2：負荷への給電をON/OFF可能

  • D1（緑色LED BG1112H）：負荷が接続されていると点灯

    • 駆動電流：1mA → 消費を抑えつつ視認性を確保。最近のLEDは明るいから、特に緑色ならこれでも明るすぎるかもしれない。

(3) 保護回路

(4) 電流測定

  • **R2（1Ωシャント抵抗）**を直列挿入
  • 前後にテストポイントを設け、充電・放電電流を測定可能に

(5) 拡張性

  • J4：バッテリーのNTC端子を外部に取り出し可能

    • 将来的に温度監視や安全制御へ応用

6. 安全に使うための注意点

リチウムイオン電池は扱いを誤ると発火や破裂の危険があります。 TP4056モジュールを使う際には以下を守ると安心です。

  • 電池容量に合わせて充電電流を適切に設定する
  • 放熱対策（特に連続充電時）を行う
  • サーミスタ機能を活用して過熱時に充電を停止する仕組みを検討
  • 保護回路が重複している場合でも、安全対策は二重三重に設ける

7. 応用例

TP4056モジュールは、小型デバイスやIoT機器の電源管理に役立ちます。

  • ソーラーパネルと組み合わせた小型独立電源
  • Raspberry Pi PicoやESP32のワイヤレスセンサーノード
  • モバイル機器の試作バッテリー駆動回路

まとめ

  • TP4056モジュールは安価で便利だが、標準状態では充電電流が大きすぎる場合がある
  • 使用する電池容量に合わせてRprog抵抗を変更するのが安全
  • GNDの取り扱い・負荷制御・電流測定ポイントなど、自作基板で工夫すると使いやすくなる
  • リチウムイオン電池は安全対策が重要。サーミスタや保護回路を積極的に活用しよう

本記事はChatGPT(無償版)にて執筆しました。もう別人じゃん。これ。