充電器の原理

はじめに

電気が生み出される仕組みは、ある単純な事実に基づいている。電磁誘導だ。誘導コイルの中で磁束が変化すると電気が発生する。

現代ではこれは当たり前のこととみなされているが、ファラデーもかなり長い時間をかけて実験を行い、大自然がもたらすこの奇妙な原理を発見した。後にテスラが電磁誘導の原理を利用して発電機の構造を発明し、現代の発電における重要な基盤となった。

磁場の変化があって初めて電気が生じる。そして磁場を変化させるには運動エネルギーが必要となる（他の方法もあるが）。発電所は石炭、天然ガス、原子力などの方法で水を沸騰させて蒸気を発生させ、その蒸気で磁石を回転させることで電気を生み出している。これが人類の文明を支える重要な基盤だ。

僕にとってこれは非常に不思議なことだ。一見とても複雑に見える電気だが、その背後にはある単純な事実が存在している。電磁誘導だ。

交流と直流

台湾のコンセントから供給される電力は110V/60Hzであり、このまま電気を直接電子機器に流し込めば一瞬で壊れてしまう。110Vの電圧がほとんどの電子部品を焼き切ってしまうだけでなく、電位が常に変化する交流は0と1の判定を不正確にしてしまう。そのため、正常に動作させるには交流を安定した電圧の直流に変換する必要がある。

交流の電圧は常に変化しているのに、一体何が110Vなのだろうか？ この110Vとは交流の実効値を指している。交流が抵抗で生み出すワット数（消費電力）が直流電圧110Vのときと同じになる値のことを実効値と呼ぶ。電化製品を使う際に僕たちが気にするのはワット数なのだから、実効値を通称として用いるのは極めて自然なことだ。

一般的な電子機器の動作電圧は、通常3.3V〜12V（製品によって異なる）の間にある。では、僕たちはどのようにして交流を直流へと変換しているのだろうか？

交流から直流への変換プロセスは、いくつかの段階に分かれている：

• 変圧
• 整流
• 平滑（安定化）
• 降圧

変圧

従来の変圧器（トランス）はサイズが大きかった。初期のノートPCの充電器やディスプレイ用のアダプタなどがその例だ。変圧器の原理は電磁誘導であり、巻き数の異なる2組のコイルを通じて交流電圧を昇圧または降圧する。変圧器は通常、充電器の中で最も大きな部品でもあるため、変圧器のサイズをいかに小さくするかが充電器軽量化の鍵となる。

ファラデーの電磁誘導の法則に基づき、誘導起電力は以下の公式によって求められる：

$${E=4.44\times N(BA)f}$$

• ここで E はコイルを通過する平均電圧（起電力）
• f は電流の周波数
• N はコイルの巻き数
• A はコイル内部空間（鉄心）の断面積
• B はコイル内部空間（鉄心）を通る磁束密度

したがって、この公式から見ると、巻き数・面積・磁束密度はすべて変圧器の大きさに影響を与える要因である。もし変圧器の面積（サイズ）を小さくしたいなら、最も有効な方法は周波数を上げることだ。しかし、一般的な交流入力の周波数は通常固定されており、台湾を例にとれば60Hzだ。では、どうすればよいのだろうか？

整流

降圧された後の電気は依然として交流のままであるため、そのまま電子機器に供給して使うことはできず、さらに整流する必要がある。

交流を直流に変換するプロセスを整流と呼び、整流には全波整流と半波整流がある。

全波整流のほうが変換効率が良いため、一般的な整流手法ではブリッジ整流回路が用いられる。ブリッジ整流回路の主たる原理は、ダイオードの順方向のみに電流を流す（一方向導通）特性を利用したものだ。交流がブリッジ整流回路を通ると、本来負（マイナス）であった半周期が正（プラス）へと変換され、変換後の波形は以下のようになる。

すでに直流にはなっているものの、依然として解決すべき問題がいくつかある：

• 電圧に非常に大きな起伏があり、理想的な直流電圧ではない
• 変圧後の電圧が依然として高すぎ、約140V程度もある

コンデンサを追加することで出力電圧をより滑らかにし、リップルを低減できる。コンデンサには充放電の特性があり、出力電圧がピークを迎えて下降する際に電圧の低下速度を緩め、出力電圧を安定させることができる。

それでもなお電圧はまだ非常に高い。では、どうやって降圧すればよいのだろうか？

降圧

140Vから5Vへと降圧するには、変圧器の力を借りる必要がある。変圧器の主な原理は電磁誘導によって実現されるため、さきほど苦労して変換した直流を、再び交流へと変換しなければならない。

つまり、プロセス全体としては 交流 → 直流 → 交流 → 直流 になるのか？ その通りだ。このようにする背景には、変圧器のサイズを極力小さくするという、極めて重要な目的がある。

Wikipediaには変圧器の変換公式が掲載されている。少し複雑に見えるかもしれないが、公式から導き出される事実は一つだ。入力電圧の周波数が高ければ高いほど、磁束密度が一定であれば面積は小さくなる。

したがって、入力電圧の周波数を極力高くする方法さえ考え出せば、充電器のサイズを小さくすることができる。しかし、先ほど述べたように入力は直流だ。これをどうやって再び交流に戻せばよいのか？ 答えは「絶え間なくON/OFFを繰り返す（スイッチングする）」ことだ。電流に変化が生じれば、当然ながら電磁効果を発生させることができる。

MOSFETやBJTのスイッチング特性を利用すれば、スイッチング周波数を毎秒100kHzあるいはそれ以上にまで高めることができる。絶え間なくON/OFFを繰り返すことで、元は直流だった波形を交流へと作り変えることができるのだ。このような回路には専用の名称があり、フライバックコンバータ（Flyback Converter、Wikipedia）と呼ばれている。

フライバックコンバータによる変換を経て交流になり、これにより比較的小型のトランスを使って降圧できるようになる。そして出力を再び直流にするため、回路内にもう一度ダイオードとコンデンサを組み込んで整流する。

前述の通り、一般的なダイオードは一方向への導通特性を持つものの、導通状態から非導通状態へ切り替わる時間が比較的長く、周波数が数kHzに達すると追従できなくなる恐れがある。この高速なスイッチングに対応するため、通常は特殊なダイオードであるショットキーバリアダイオード（Schottky Diode）を用いて整流を行う。

もう一つの整流方法はアクティブ整流、あるいは同期整流と呼ばれるもので、トランジスタのスイッチング特性を利用して整流することを指す。トランジスタを用いた整流の最大のメリットは、一般的なダイオードに比べて変換ロスが小さい点にある。ただしICによる制御が必要で部品点数も増えるため、ショットキーダイオードを用いる場合に比べて複雑になり、コストも高くなる。

最近話題のGaN（窒化ガリウム）充電器は、窒化ガリウムの特性を活かすことで一般的なトランジスタよりもさらに高い周波数を実現できる。これは変圧器を一段と小型化できることを意味しており、注目すべき技術の一つだ。

充電とPD

これで充電器はようやく5Vを出力できるようになった！ しかし、上記のように苦労して交流を安定した5Vの回路へと変換したあとも、出力側で制御を行う必要がある。たとえば、スマートフォンの充電端子と通信して急速充電を行うかどうかを決定したり、温度監視や短絡（ショート）の保護を行ったりするなどだ。そのため、充電器の内部にはこれらのロジックを処理するマイクロコントローラも搭載されている。

僕たちが普段口にする急速充電とは、通常Power Delivery（USB PD）やQC（Quick Charge）のことを指すが、ここではPower Deliveryについてのみ紹介する。Type-Cには比較的多くの伝送チャネルが備わっているため、CCピンを介して充電に必要な情報をやり取りできる。たとえば、スマートフォンが急速充電に対応しているか、何Vの電圧まで対応できるかといった情報だ。充電器はそれらのデータに基づいて、対応する電圧を出力できる。

もちろん、Power Deliveryのプロトコルを完全に実装するのは簡単なことではないため、通常はすでにこれらが統合されたICを用いてこれらの機能を実現している。

スマートフォン側にも、通常は保護回路や充電を最適化するための回路が組み込まれている。たとえば、リチウムイオンバッテリーが満充電に近づいた際には充電電流を減少させ始め、満充電になったら充電を停止する、といった具合だ。

まとめ

本記事では、電気について非常に大まかな概要を紹介してきた。そのポイントは、現代の電力利用において、いかにして交流を直流へと変換して電子機器に供給しているかという点にある：

• ブリッジ整流回路を通じて交流を整流する
• コンデンサ（あるいはπ型フィルタ）を使用して実効電圧を高め、リップルを低減する
• 変圧器（フライバックコンバータ）を用いて降圧する
• 同期整流やショットキーダイオードを用いて、再び交流から直流へと変換する

ソフトウェアエンジニアである僕は、実のところ電気に間接的に依存して生計を立てている。それにもかかわらず、大自然からのこの贈り物について、自分がいかに何も知らなかったかに気づかされた。

交流を安定した直流へと変換し、さらには製品としての観点から、いかにサイズを小さくし、損失を減らし、安全性を高めるか——その背後には基礎科学の積み重ねが存在している。これこそがまさに Engineering（エンジニアリング）の本質なのだろう。