搭載MCU的電池充電器是什麼？實現小型化、高效率與長壽命的次世代充電技術

搭載MCU的電池充電器與充電器，可透過單晶片高精度控制充電曲線以及OVP、OCP等保護功能。透過韌體更新亦可輕鬆變更規格，UNIFIVE可依用途提供客製化對應。

搭載MCU的電池充電器/充電設備是以微控制器(MCU)單晶片控制充電曲線(方式)以及OVP、OCP等各種保護功能的最先進充電技術。

與傳統類比控制式充電器相比,透過MCU的高階數位控制實現高精度充電與高安全性,並且可透過韌體更新進行彈性規格變更。

UNIFIVE的MCU充電解決方案可依客戶用途提供客製化對應,有助於小型化、高效率化與延長電池壽命。

什麼是MCU?微控制器基礎

MCU(Microcontroller Unit)是將CPU、記憶體、I/O等整合於單一晶片的超小型電腦。廣泛應用於家電產品與工業設備,近年也內建於電池充電器/充電設備中,用於高階數位控制。

以軟體方式取代以往由類比IC或硬體電路進行的控制,可實現功能整合與彈性控制。

在內建MCU的充電器中,MCU會即時讀取電池電壓、電流與溫度資訊,並透過軟體演算法調整至最佳充電電流與電壓。因此可精準對應鋰離子電池等複雜充電曲線,並可自由設定各種閾值,針對不同電池進行最佳化。

選擇搭載MCU的電池充電器的3大理由

1. 多功能化與系統整合

可將電池狀態診斷(電壓、溫度監控)、充電控制、與外部設備通訊,以及過電壓保護(OVP)、過電流保護(OCP)等保護控制整合於單一晶片。

因此原本需要個別IC或電路的功能,可由單一MCU完成,有助於減少零件數量並提升電路設計自由度。可簡化整體系統整合,並進一步提升可靠性。

2. 透過軟體彈性變更規格

採用MCU的最大優勢之一是可彈性變更充電規格。只需改寫軟體即可調整充電演算法與曲線,即使在後期也能輕鬆支援新電池化學體系或最佳化控制參數。

例如,可從標準CC-CV充電改為脈衝充電方式,或將充電電壓、電流閾值調整為電池製造商建議值,皆可透過韌體更新實現客製化。

無需變更硬體即可新增或改良功能,有助於縮短開發時程並強化未來升級能力。

3. 多重保護與即時監控

MCU能夠高速處理感測器資訊, 因此可高精度執行多種保護功能, 如過電壓保護(OVP)/過電流保護(OCP)/過溫度保護(OTP)等。

當偵測到異常時, 可立即停止充電或執行安全關機等即時保護。此外, 由於可將充電中的電壓/電流值與溫度持續記錄並通訊, 因此能高精度掌握電池狀態並進行劣化預測。

搭載MCU的電池充電器/充電設備特點

保護功能的自訂設定

可依應用需求, 任意設定OVP(過電壓保護)/OCP(過電流保護)/OTP(過熱保護)等各類保護的閾值與動作延遲時間。

透過MCU控制, 例如可細部調整"在多少伏特時偵測過電壓""從偵測異常起經過多少毫秒後切斷"等參數。藉此可實現符合用途的最佳保護動作, 在避免不必要關機的同時, 確實保護電池與設備。

長時間峰值電流的自動控制

即使負載暫時需要大電流, MCU也可透過程式控制峰值電流的持續時間。當峰值電流持續超過設定秒數時, 會自動將電流限制回額定值, 抑制過熱與元件劣化。

例如可實現"允許最大輸出電流的150%持續5秒, 之後恢復為正常電流"等彈性電流曲線設定。藉此兼顧啟動時的突波電流供應與長壽命/安全性。

多輸出的整合監控

透過單一MCU即可同時監控與控制多通道的輸出電壓與電流。以往每個輸出系統都需要獨立的控制電路與回授機制, 但使用MCU即可透過軟體同時管理多個通道, 實現簡化配線與控制系統。

由於可整體監視所有輸出並依需求進行電力分配與平衡控制, 因此也有助於提升整體系統效率。

風扇ON/OFF的溫度連動控制

在搭載冷卻風扇的充電器中, MCU可依據溫度感測器數值自動控制風扇轉動。例如當內部溫度超過某一閾值時啟動風扇, 冷卻充分後再關閉, 以避免長時間持續運轉。

因此僅在必要時啟動風扇, 有助於降低噪音/節能, 同時也能減少灰塵吸入。

警報訊號對外傳送

當偵測到電源異常或電池異常時, MCU可立即向外部設備或系統輸出警報訊號。例如在充電器內偵測到異常高溫時, MCU可將資訊通知設備監控系統或上位微控制器, 促使迅速處置(如切斷負載或通知使用者)。

亦可依異常內容透過通訊協定傳送詳細資訊, 支援IoT時代的智慧監控。

MCU電路會組裝在AC變壓器的哪個位置?

在搭載MCU的充電器中, 其MCU電路通常會組裝在AC變壓器內部的低電壓側(二次側電路)。

AC變壓器首先將市電AC整流與降壓以獲得指定的DC輸出電路(一次側), 並由以適合電池的電壓與電流進行充電的控制電路(二次側)所構成。MCU主要配置於後者的控制電路部分, 一邊監測電池的電壓與電流, 一邊驅動充電用DC-DC轉換器或開關元件。

具體而言, 在隔離型AC變壓器中, MCU設置於經由變壓器隔離的二次側, 並透過光耦合器等元件控制一次側的開關IC, 或直接控制二次側的同步整流與DC輸出級。藉此實現跨越一次側與二次側的數位回授控制, 由MCU精準調整輸出電壓與電流。

UNIFIVE所推薦的數位控制方式, 也是在變壓器基板上的適當位置實裝MCU, 並連接必要的檢測電路(電壓與電流感測器)與閘極驅動電路。如此一來, 無需大幅改變傳統電路架構即可加入數位控制的優點, 實現高精度控制與充電曲線的客製化。

MCU軟體可調整的主要參數

在搭載MCU的電池充電器中, 可於軟體中細部設定與調整以下充電控制參數。各項目可依電池種類與用途客製為最佳值, 提升充電安全性與效率。

預充電切換電壓

從預充電(前期充電)切換至正式充電的電壓閾值。對於嚴重放電而電壓降低的電池, 需要先以低電流緩慢充電以活化電芯。

在MCU控制下, 可將「當電池電壓高於○○V(例如鋰離子電池約3.0V)時結束預充電並轉入快速充電」等閾值進行程式化設定。

預充電電流

對深度放電電池在初期階段施加的預充電電流值。通常以滿充電電流的約10%(約0.1C)的低電流開始緩慢充電。例如容量為2000mAh的電池, 可用相當於0.1C的200mA進行預充電。

後充電開始電壓/後充電電流

當主要充電接近完成時, 為了盡可能充滿容量或平衡電芯, 有時會進行極低電流的補充充電(涓流充電)。可由MCU定義開始此階段的電壓點與電流值。

充電完成電壓

判定電池為滿充電的目標電壓(浮充電壓)設定。以鋰離子電池為例, 通常每顆電芯約4.2V作為充電完成電壓, 但在MCU中可自由變更此充電終止電壓。

例如可為提升安全性而設定為稍低電壓以延長壽命, 或為快速充電而設定為稍高電壓等進行調整。

再充電電壓

這是開始自動再充電的電壓閾值。當電池達到滿充並結束充電後, 會因時間經過或設備待機耗電而使電壓逐漸下降。當電池電壓降至此再充電閾值時, 將自動重新開始充電。

電池檢測時間

這是用於檢測電池是否存在及其狀態的時間參數。當電池連接至充電器時, MCU 會先測量電池端子電壓或施加微小測試電流, 以判斷電池是否正確連接。

輸出過電壓保護 (OVP) / 輸出過電流保護 (OCP)

這是針對充電器輸出端電壓與電流的保護閾值。在電池充電過程中, 若因異常導致超過設定值, MCU 會立即降低或切斷輸出, 以防止電池過電壓 (過充電) 或電路損壞。

安全計時器時間 / 預充電計時器

分別為整體充電的逾時時間 (安全計時器) 以及預充電階段專用的逾時時間。若在規定時間內無法完成充電, 或電池電壓未恢復至閾值, 則會判定為異常並停止充電, 作為安全措施。

如上所述, 搭載 MCU 的電池充電器可透過軟體全面控制與充電相關的各項參數。透過最佳化各種閾值, 計時器及電流電壓數值, 可實現依據電池種類與狀態量身打造的充電曲線, 同時兼顧快速充電, 安全保障與延長電池壽命。

代表性的充電控制方式

搭載 MCU 的充電器可透過軟體實現各種充電方式, 因此能依用途採用最適合的控制演算法。

定電流 / 定電壓控制 (CC-CV 方式)

這是鋰離子電池常用的標準方式。首先以 CC (定電流) 充電 使電池電壓逐漸上升, 當達到規定的最大電壓 (充電完成電壓) 時, 轉為 CV (定電壓) 充電, 在逐步降低電流的同時持續充電。當 CV 階段電流降至足夠小時即結束充電。

此方法具有安全且可在短時間內完成充電的優點, 在 MCU 控制下可靈活設定 CC 電流值, CV 電壓值及終止電流等參數。

脈衝充電 & 修復充電

脈衝充電 顧名思義是以間歇性的電流脈衝進行充電的方式, 對鉛酸電池等特別有效。透過施加高電壓脈衝, 可去除蓄電池內部累積的硫酸鉛結晶 (硫化現象), 有助於容量恢復與降低內阻。

另一方面, 對於鎳氫電池 (Ni-MH) 與鎳鎘電池, 為緩解記憶效應造成的容量下降, 會先放電再重新充電的 修復充電 方式也被採用。在 MCU 控制下, 這些複雜的模式皆可透過軟體實現。

總結: 由MCU搭載充電器實現的次世代充電解決方案, 請交給實績豐富的UNIFIVE

MCU搭載電池充電器/充電器是能大幅提升充電高精度化・安全性提升・運行靈活性的關鍵技術。

UNIFIVE基於豐富實績的多重保護設計與韌體客製化對應, 提供最符合客戶需求的充電解決方案。從小型・高性能AC轉接器的開發到特殊充電曲線的實現, 歡迎隨時與我們聯繫洽詢。