MCU搭載バッテリーチャージャー／充電器とは？小型化・高効率・長寿命を実現する次世代チャージング技術

MCU搭載バッテリーチャージャー、充電器は、充電プロファイルやOVP・OCPなどの保護機能をワンチップで高精度に制御。ファーム更新で仕様変更も容易、ユニファイブなら用途に合わせたカスタム対応が可能です。

MCU搭載バッテリーチャージャー／充電器は、充電プロファイル（方式）やOVP・OCPなど各種保護機能をマイクロコントローラ（MCU）でワンチップ制御する最先端の充電技術です。

従来のアナログ制御式充電器に比べ、MCUによる高度なデジタル制御で高精度な充電と高い安全性を実現し、さらにファームウェア更新による柔軟な仕様変更が可能です。

ユニファイブのMCU搭載充電ソリューションなら、お客様の用途に合わせたカスタム対応が可能で、小型化・高効率化・バッテリー寿命延長に寄与します。

MCUとは？マイクロコントローラの基礎

MCU（Microcontroller Unit）とは、CPU・メモリ・I/Oなどを1チップに集積した超小型コンピュータです。家電製品や産業機器まで幅広く組み込まれており、近年ではバッテリーチャージャー／充電器にも内蔵されて高度なデジタル制御に活用されています。

従来はアナログICやハードウェア回路で行っていた制御を、ソフトウェアによって行うことで、機能統合と柔軟な制御が可能になります。

MCU内蔵の充電器では、バッテリー電圧・電流や温度情報をMCUがリアルタイムに読み取り、ソフトウェアアルゴリズムによって最適な充電電流・電圧に調整します。これによりリチウムイオン電池等の複雑な充電プロファイルも精密に追従でき、各種しきい値を自由に設定してバッテリー毎に最適化できます。

MCU搭載バッテリーチャージャーが選ばれる3つの理由

1. 多機能化とシステム統合

バッテリーの状態診断（電圧・温度監視）、充電制御、外部機器との通信、さらに過電圧保護（OVP）・過電流保護（OCP）などの保護制御を1チップに集約できます。

これにより従来は個別のICや回路が必要だった機能をMCU一つで賄えるため、部品点数の削減と回路設計の自由度向上につながります。システム全体をシンプルに統合でき、結果的に信頼性も向上します。

2. ソフトウェアで柔軟に仕様変更

MCU採用の最大のメリットの一つが充電仕様の柔軟な変更です。充電アルゴリズムやプロファイルの調整をソフトウェア書き換えだけで実現できるため、新しい電池化学の対応や制御パラメータの最適化が後からでも容易です。

たとえば、標準のCC-CV充電からパルス充電方式に変更したり、充電電圧・電流のしきい値をバッテリーメーカーの推奨値に合わせたりといったカスタマイズがファーム更新で可能になります。

ハード変更なしに機能追加や改良ができるため、開発期間の短縮や将来のアップデートにも強い設計となります。

3. 多重保護とリアルタイム監視

MCUはセンサ情報を高速に処理できるため、過電圧保護（OVP）・過電流保護（OCP）・過温度保護（OTP）など複数の保護機能を高精度に実行できます。

異常を検知した際には即座に充電を停止したり、安全なシャットダウンを行うなどリアルタイム保護が可能です。また、充電中の電圧・電流値や温度を常時監視ログとして記録・通信できるため、バッテリーの状態把握や劣化予測も高い精度で行えます。

MCU搭載バッテリーチャージャー／充電器の特徴

保護機能のカスタム設定

OVP（過電圧保護）・OCP（過電流保護）・OTP（過熱保護）など各種保護のしきい値や動作遅延時間をアプリケーションに応じて任意に設定可能です。

MCU制御により、例えば「何ボルトで過電圧検知するか」「異常検知から何ミリ秒後に遮断するか」といった細かな調整ができます。これにより用途に応じた最適な保護動作を実現し、不要なシャットダウンを避けつつバッテリーや機器をしっかり守ります。

長時間ピーク電流の自動制御

負荷によって一時的に大電流が必要な場合でも、MCUがピーク電流の継続時間をプログラム制御できます。設定した秒数以上にピーク電流が流れ続けた場合、自動的に電流を定格値まで絞り込み過熱や部品劣化を抑制します。

例えば「最大出力電流の150%を5秒間まで許容し、その後通常電流に戻す」など柔軟な電流プロファイルが実装可能です。これにより起動時のラッシュカレント供給と長寿命・安全性を両立できます。

複数出力の統合監視

MCU一つで複数チャンネルの出力電圧・電流をまとめて監視制御できます。従来は出力系統ごとに個別の制御回路やフィードバックが必要でしたが、MCUならソフトウェアで複数チャネルを同時管理できるため、配線や制御系の簡素化が可能です。

全出力を統合的に見て必要に応じた電力配分やバランス制御も行えるため、システム全体の効率最適化にも寄与します。

ファンON/OFFの温度連動制御

冷却用のファンを搭載する充電器では、MCUが温度センサからの値に応じてファンの回転を自動制御できます。例えば内部温度がある閾値を超えたらファンをON、十分冷却されたらOFFといった具合に細かく制御し、常時回しっぱなしを避けます。

これにより必要な時だけファンを動かすため騒音低減・省エネにつながり、同時にホコリの吸い込みも低減できます。

アラーム信号外部送信

電源異常やバッテリー異常を検知した際、MCUが即座に外部の機器やシステムへアラーム信号を出力できます。たとえば充電器内で異常高温を検知した場合、MCUがその情報を設備の監視システムや上位マイコンに通知し、速やかな対処（負荷遮断やユーザー通知など）を促します。

異常内容に応じて通信プロトコルを介して詳細情報を送ることも可能で、IoT時代のスマートモニタリングにも対応できます。

ACアダプター内のどこにMCU回路が組み込まれる？

MCU搭載充電器では、そのMCU回路はACアダプター内部の低電圧側（二次側回路）に組み込まれるのが一般的です。

ACアダプターはまず商用ACを整流・降圧して所定のDC出力を得る回路（一次側）と、バッテリーに適した電圧・電流で充電を行う制御回路（二次側）から構成されます。MCUは主に後者の制御回路部に配置され、バッテリーの電圧・電流をモニタしながら、充電用DC-DCコンバータやスイッチング素子を駆動します。

具体的には、絶縁型のACアダプターの場合、トランスで絶縁された二次側にMCUを置き、そのMCUからフォトカプラなどを介して一次側のスイッチングICを制御したり、もしくは二次側の同期整流・DC出力ステージを直接制御したりします。これにより一次側・二次側を跨いだデジタルフィードバック制御を実現し、出力電圧や電流をMCUが狙い通りに調整します。

ユニファイブが推奨するデジタル制御方式でも、アダプター基板上の適切な位置にMCUを実装し、必要な検出回路（電圧・電流センサ）やゲートドライバ回路と接続します。こうすることで従来の回路構成を大きく変えずにデジタル制御のメリットを付加でき、高精度な制御や充電プロファイルのカスタマイズが可能となります。

MCUソフトウェアで調整可能な主なパラメータ

MCU搭載バッテリーチャージャーでは、ソフトウェア上で以下のような充電制御パラメータを細かく設定・調整することが可能です。それぞれの項目はバッテリーの種類や用途に応じて最適値にカスタマイズでき、充電の安全性と効率を高めます。

プリチャージ切替電圧

プリチャージ（予備充電）から本充電へ切り替える電圧閾値です。深刻に放電して電圧が低下したバッテリーに対しては、まず低電流でゆっくり充電して細胞を活性化させる必要があります。

MCU制御では「バッテリー電圧が○○V（例：リチウムイオン電池なら約3.0V）を上回ったらプリチャージを終了し急速充電へ移行する」といった閾値をプログラム可能です。

プリチャージ電流

深く放電した電池に対して初期段階で流す予備充電電流の値です。通常、フル充電電流の10%程度（0.1C程度）の低電流でゆっくり充電を開始します。例えば容量2000mAhの電池なら0.1C相当の200mAでプリチャージするといった具合です。

ポストチャージ開始電圧／ポストチャージ電流

メインの充電が完了に近づいた際、さらに容量を最大限まで入れたりセルのバランスを整える目的で、ごく低電流の追い充電（トリクル充電）を行うことがあります。この移行を開始する電圧ポイントと電流値をMCUで定義できます。

充電完了電圧

バッテリーを満充電と判定する目標電圧（フロート電圧）の設定です。リチウムイオン電池であれば通常4.2V前後/セルが充電完了電圧として設定されますが、MCUではその充電終止電圧を自由に変更できます。

例えば安全重視で少し低めの電圧に設定して寿命を延ばしたり、急速充電用にやや高めに設定したりといった調整が可能です。

再充電電圧

自動再充電を開始する電圧閾値です。一度満充電に達して充電を終了した後、バッテリーは時間経過や機器の待機消費電流によって徐々に電圧が下がっていきます。電池電圧がこの再充電しきい値まで低下すると自動的に充電を再開します。

電池検出時間

バッテリーの有無や状態を検出するための時間パラメータです。充電器に電池を接続した際、MCUはまず電池の端子電圧を測定したり微小な試験電流を流したりして、電池が正しく接続されているか判断します。

出力過電圧保護（OVP）／出力過電流保護（OCP）

充電器出力側の電圧・電流に対する保護しきい値です。バッテリー充電中に何らかの異常で設定値以上になった場合、MCUが即座に出力を絞る・遮断することでバッテリーの過電圧（過充電）や回路損傷を防ぎます。

安全タイマー時間／プリチャージタイマー

充電全体のタイムアウト時間（セーフティタイマー）と、プリチャージ段階専用のタイムアウト時間です。所定時間内に充電が完了しない、または電池電圧が閾値まで回復しない場合は異常と見なして停止する安全措置として機能します。

以上のように、MCU搭載バッテリーチャージャーでは充電に関するあらゆるパラメータをソフトウェアで網羅的に制御できます。各種しきい値・タイマー・電流電圧値を最適化することで、バッテリーの種類や状態に応じたオーダーメイドの充電プロファイルを実現し、高速充電と安全確保、バッテリー寿命延長を両立させることが可能です。

代表的な充電制御方式

MCUを搭載した充電器は様々な充電方式をソフトウェアで実装できるため、用途に応じて最適な制御アルゴリズムを採用できます。

定電流・定電圧制御（CC-CV方式）

リチウムイオン電池で標準的に用いられる方式です。まずCC（定電流）充電で電池電圧が徐々に上昇し、所定の最大電圧（充電完了電圧）に達したらCV（定電圧）充電に切り替えて電流を減衰させながら充電を続けます。CV段階で電流が十分小さくなった時点で充電終了となります。

この方法は安全かつ短時間でフル充電できる利点があり、MCU制御ではCC電流値やCV電圧値、終了判定電流（終止電流）などを柔軟に設定できます。

パルス充電 & リフレッシュ充電

パルス充電は文字通り断続的な電流パルスで充電する方式で、鉛バッテリーなどに有効です。高電圧パルスを印加することで蓄電池内部に蓄積した硫酸鉛結晶（サルフェーション）を除去し、容量回復や内部抵抗低減に効果があります。

一方、ニッケル水素電池（Ni-MH）やニカド電池ではメモリー効果による容量低下を緩和するため、いったん放電してから充電し直すリフレッシュ充電が用いられます。MCU制御ならこれら複雑なパターンもソフトウェアで実行可能です。

まとめ：MCU搭載充電器で実現する次世代の充電ソリューションは、実績豊富なユニファイブにお任せください

MCU搭載バッテリーチャージャー／充電器は、充電の高精度化・安全性向上・運用柔軟性を飛躍的に高めるキー技術です。

ユニファイブは豊富な実績に基づく多重保護設計やファームウェアカスタム対応により、お客様の要求に最適化した充電ソリューションをご提供します。小型・高性能なACアダプター開発から特殊な充電プロファイルの実装まで、ぜひお気軽にご相談ください。