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JP3142755B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents

スイッチング電源回路

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Publication number
JP3142755B2
JP3142755B2 JP07256566A JP25656695A JP3142755B2 JP 3142755 B2 JP3142755 B2 JP 3142755B2 JP 07256566 A JP07256566 A JP 07256566A JP 25656695 A JP25656695 A JP 25656695A JP 3142755 B2 JP3142755 B2 JP 3142755B2
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JP
Japan
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circuit
voltage
power supply
oscillation
switching element
Prior art date
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JP07256566A
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克己 因幡
健二 八村
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Sharp Corp
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Sharp Corp
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Publication date
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  • Electronic Switches (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆるDC−D
Cコンバータなどで好適に実施されるスイッチング電源
回路に関する。
【0002】
【従来の技術】携帯形小形電子機器などに用いられ、商
用交流を整流・平滑化して得られた直流電流またはバッ
テリからの直流電流を高周波でスイッチングし、小形の
変圧器で、所望とする電圧に高効率に変圧するようにし
たスイッチング電源回路が広く用いられている。
【0003】また、このような携帯形小型電子機器で
は、待機時などの軽負荷時における消費電力の低減が要
望されており、たとえばスイス国における電子機器のガ
イドラインでは、前記待機時の消費電力が、1996年
末には6W以下、1998年末には3W以下とすること
が掲げられている。
【0004】図7は、そのような低消費電力化を実現す
る典型的な従来技術のスイッチング電源回路51の電気
的構成を示すブロック図である。このスイッチング電源
回路51には、メインコンバータ50と、サブコンバー
タ50aとの2つのコンバータが設けられている。商用
交流電源などに接続される入力端子T1,T2からの入
力交流電流は、ダイオードブリッジなどから成る整流回
路52で整流された後、平滑コンデンサ53で平滑化さ
れて電源ライン54,55間に出力される。
【0005】メインコンバータ50において、前記電源
ライン54,55間には、パルストランス56の1次巻
線およびスイッチング素子57から成る直列回路が介在
されており、スイッチング素子57が制御回路58から
のゲートパルスによって導通/遮断制御される。これに
よって、前記スイッチング素子57の遮断時にパルスト
ランス56の2次巻線に誘導起電圧が発生し、その起電
圧による電流が、ダイオード59および平滑コンデンサ
60で整流・平滑化されて、電源ライン61,62から
出力端子T3,T4へそれぞれ出力される。
【0006】サブコンバータ50aは、前記メインコン
バータ50と同様に構成されており、類似し、対応する
部分には同一の参照符号に添字aを付して示し、その説
明を省略する。前記メインコンバータ50の制御回路5
8は、負荷状態検出回路63によって制御されており、
この負荷状態検出回路63は、出力端子T3,T4間の
端子間電圧から負荷状態を検出し、該端子間電圧が予め
規定される電圧以上となることによって軽負荷状態を判
定し、その軽負荷状態で制御回路58によるスイッチン
グ素子57のスイッチング動作を停止させる。
【0007】こうして、待機時などの軽負荷状態でのメ
インコンバータ50の動作を休止し、該メインコンバー
タ50での損失を低減することによって、低消費電力化
が図られている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述のような従来技術
では、メインコンバータ50と、サブコンバータ50a
との2つのコンバータが必要となりコストが嵩むととも
に、実装面積も大きくなってしまうという問題がある。
【0009】本発明の目的は、低コスト化および省スペ
ース化を図ることができるスイッチング電源回路を提供
することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係るス
イッチング電源回路は、変圧器の1次電流をスイッチン
グ素子でスイッチングし、所望とする電圧の2次電流を
得るようにしたスイッチング電源回路において、スイッ
チング電源回路の出力端子の負荷状態を検出する負荷状
態検出手段と、発振回路と、前記発振回路からの発振信
号の周期で、前記負荷状態検出手段からの負荷状態に対
応したフィードバック電圧と第1の基準電圧とのうち、
いずれか低い方の電圧に対応したパルス幅のパルスで、
前記スイッチング素子を制御するパルス幅変調比較器
と、前記負荷状態が軽負荷状態であることを検出する第
2の基準電圧と前記フィードバック電圧とを比較し、当
該フィードバック電圧が第2の基準電圧よりも小さいと
きには、大きいときに比べて前記発振回路の発振周波数
を低下させる発振周波数低下手段とを含み、軽負荷と
って、前記フィードバック電圧が低下し、前記第1の基
準電圧未満となると、前記パルス幅変調比較器が、前記
パルス幅を前記フィードバック電圧に対応した短い値に
することで、定電圧動作することを特徴とする。
【0011】上記の構成によれば、DC−DCコンバー
タなどとして用いられるスイッチング電源回路におい
て、損失の大きな要因であるスイッチング素子やその制
御回路での損失を、軽負荷時には該スイッチング素子の
スイッチング周波数を低下することによって低減する。
【0012】したがって、複数のコンバータ回路を設け
ておき、負荷状態に応じて選択的に使用するなどの煩雑
な構造は必要なく、単一のコンバータ回路で、定常負荷
から軽負荷まで対応することができ、低消費電力化を、
低コストな回路構成で、かつ省スペースに実現すること
ができる
【0013】さらに、定常負荷と軽負荷との2つの負荷
状態に対応してスイッチング周波数を切換えるだけであ
るので、たとえば発振回路の時定数を2種類に切換える
ことによって実現することができ、または発振回路への
バイアス電流を2種類に切換えることによって実現する
ことができ、簡便な回路構成で実現することができる。
【0014】また請求項の発明に係るスイッチング電
源回路では、前記スイッチング素子は、パワーMOSF
ETから成り、該スイッチング素子と発振回路と発振周
波数低下手段とは1パッケージで封止されることを特徴
とする。
【0015】上記の構成によれば、さらに実装面積を小
さくすることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について、
図1〜図5に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【0017】図1は、本発明の実施の一形態を示すスイ
ッチング電源回路1の電気的構成を示すブロック図であ
る。商用交流電源などに接続される入力端子P1,P2
からの入力交流電流は、ダイオードブリッジなどから成
る整流回路2で整流された後、平滑コンデンサC1で平
滑化されて、電源ライン3,4間に出力される。前記電
源ライン3,4間には、パルストランス5の1次巻線5
aおよびNチャネル型のパワーMOSFETから成るス
イッチング素子Q1から成る直列回路が介在されてお
り、スイッチング素子Q1が制御回路6からのゲートパ
ルスによって導通/遮断制御される。これによって、前
記スイッチング素子Q1の遮断時にパルストランス5の
2次巻線5bに誘導起電圧が発生し、その起電圧による
電流が、ダイオードD1および平滑コンデンサC2で整
流・平滑化されて、電源ライン8,9から出力端子P
3,P4へそれぞれ出力される。
【0018】前記電源ライン3,4間にはまた、ダイオ
ードD2と、プルアップ抵抗R1と、フォトトランジス
タQ2とから成る直列回路が介在されている。前記プル
アップ抵抗R1と、フォトトランジスタQ2との接続点
10の電位は、発振周波数低下回路11に入力されると
ともに、PWM比較器12の入力端子F2に入力されて
いる。前記PWM比較器12の入力端子F1には、前記
発振周波数低下回路11によって発振周波数が制御され
る発振回路13からの発振信号が入力されており、また
PWM比較器12の入力端子F3には、基準電圧源14
によって発生された基準電圧Vref1が入力される。
このPWM比較器12は、前記発振回路13からの発振
信号の周期で、かつ入力端子F2,F3への入力電圧の
うち、いずれか低い方の電圧に対応したパルス幅のゲー
トパルスを出力し、このゲートパルスは前記制御回路6
を介して、スイッチング素子Q1のゲートに入力され
る。
【0019】スイッチング素子Q1と、前記制御回路
6、発振周波数低下回路11、PWM比較器12および
発振回路13等の前記スイッチング素子Q1の制御回路
は、図2で示すように1パッケージで封止され、コンバ
ータ15を構成している。
【0020】図2は、前記コンバータ15の構造を示す
図である。前記制御回路6、発振周波数低下回路11、
PWM比較器12および発振回路13などは集積回路チ
ップ16内に形成されており、この集積回路チップ16
は、セラミック基板17に搭載されている。前記集積回
路チップ16を搭載したセラミック基板17および前記
スイッチング素子Q1は、樹脂などで一体に封止されて
いる。
【0021】MOSFET(金属酸化膜半導体)で実現
されるスイッチング素子Q1において、前記パルストラ
ンス5の1次巻線5aに接続されるドレインは、リード
フレーム18から端子K1に接続されている。また、端
子K2には前記スイッチング素子Q1のソースおよびコ
ンバータ15の接地ラインが接続され、端子K3には図
1において図示しない過電流検出回路などからの制御回
路6への入力信号が入力される。さらにまた、端子K4
は前記フォトトランジスタQ2のコレクタに接続され、
端子K5は電源ライン3に接続される。
【0022】一方、前記電源ライン8,9間には、負荷
状態検出回路20が設けられている。この負荷状態検出
回路20は、前記電源ライン8,9間の線間電圧に対応
して、ダイオードD3のカソード電流を制御する。前記
ダイオードD3と前記フォトトランジスタQ2とは対を
成してフォトカプラを構成しており、したがって出力端
子P3,P4間の出力電圧、すなわち負荷状態に対応し
たフィードバック電圧が前記接続点10に印加されるこ
とになる。
【0023】軽負荷となって前記出力電圧が上昇する
と、ダイオードD3を流れる電流が増加し、したがって
フォトトランジスタQ2を流れる電流が増加して前記フ
ィードバック電圧が低下し、前記基準電圧源14による
基準電圧Vref1、たとえば2.8V未満となると、
前記PWM比較器12から前記スイッチング素子Q1へ
のゲートパルスのパルス幅が前記フィードバック電圧
対応した短い値となり、こうして定電圧動作が実現され
る。
【0024】図3は、前記発振回路13および発振周波
数低下回路11の具体的構成を示す電気回路図である。
発振回路13は、比較器34,35と、定電流源36,
37;38,39と、分圧抵抗R11,R12,R13
と、トランジスタQ11,Q12,Q13,Q14と、
コンデンサC11とを備えて構成されている。ハイレベ
ルの電圧Vsが印加される電源ライン40と接地ライン
との間には、分圧抵抗R11〜R13の直列回路が介在
されている。分圧抵抗R11とR12との接続点は、そ
れぞれ比較器34の反転入力端子および比較器35の非
反転入力端子に接続されている。また、比較器34の非
反転入力端子および比較器35の反転入力端子には、前
記PWM比較器12へ出力される発振信号が入力されて
いる。分圧抵抗R13には並列にバイパストランジスタ
Q11が設けられており、このバイパストランジスタQ
11は、比較器34によって導通/遮断制御される。比
較器35の出力は、バイパストランジスタQ12のベー
スに与えられる。
【0025】前記電源ライン40と接地ラインとの間に
は、定電流源36と、トランジスタQ13との直列回路
が介在されている。定電流源36にはまた、並列に定電
流源37が設けられており、この定電流源37は、前記
発振周波数低下回路11内のトランジスタQ16によっ
て選択的に接続される。トランジスタQ13は、トラン
ジスタQ14と対を成し、カレントミラー回路を構成す
る。トランジスタQ13,Q14のベースは、トランジ
スタQ13のコレクタおよび前記定電流源36に接続さ
れるとともに、前記バイパストランジスタQ12のコレ
クタに接続される。したがって、バイパストランジスタ
Q12が導通すると、これらトランジスタQ13,Q1
4は遮断する。トランジスタQ14はコンデンサC11
と並列に設けられており、このコンデンサC11へは、
定電流源38を介して前記電源ライン40から充電電流
が供給される。定電流源38にはまた、並列に定電流源
39が設けられており、この定電流源39は、前記トラ
ンジスタQ16と同様に、前記発振周波数低下回路11
内のトランジスタQ15によって選択的に接続される。
【0026】前記発振周波数低下回路11において、前
記トランジスタQ15,Q16は、前記接続点10の電
位、すなわち前記フィードバック電圧が、基準電圧源3
1によって設定される基準電圧Vref11、たとえば
4V以上となると、比較器32によって導通される。
【0027】たとえば、前記電圧Vsは4Vに選ばれて
おり、分圧抵抗R11,R12,R13はそれぞれ9.
68kΩ、2.32kΩ、18kΩに選ばれている。し
たがって、比較器34は、バイパストランジスタQ11
が遮断している状態で該発振回路13の出力電圧、すな
わちコンデンサC11の端子電圧が、 (R12+R13)・Vs/(R11+R12+R13) =(2.32+18)・4/(9.68+2.32+18)=2.71V となると、ハイレベルの出力を導出し、バイパストラン
ジスタQ11を導通する。
【0028】こうして、一旦、バイパストランジスタQ
11が導通すると、前記出力電圧が前記2.71Vから
低下しても、 R12・Vs/(R11+R12+R13) =2.32・4/(9.68+2.32+18)=0.8V までは該バイパストランジスタQ11は導通しており、
前記0.8Vとなると、該バイパストランジスタQ11
は遮断して、再び2.71Vとなるまでは遮断したまま
となる。
【0029】一方、前記比較器35からは、前記比較器
34とは反対の、すなわち前記出力電圧が上昇し、2.
71Vまではハイレベルの出力が導出され、したがって
トランジスタQ12は導通しており、前記2.71Vと
なると前記0.8Vに下降するまではローレベルの出力
を導出し、バイパストランジスタQ12は遮断してい
る。
【0030】ここで、前記定電流源38の電流量は、I
0、たとえば5.2μAに設定されており、これに対し
て定電流源39の電流量は、I1、たとえば10.4μ
Aに設定されている。また、定電流源36の電流量は2
I0=10.4μAに選ばれており、定電流源37の電
流量は2I1=20.8μAに選ばれている。さらにま
た、コンデンサC11の静電容量は、31pFに選ばれ
ている。
【0031】したがって、トランジスタQ15,Q16
が導通している状態で、バイパストランジスタQ12が
遮断していると、トランジスタQ14が遮断し、コンデ
ンサC11は定電流源38,39によって、電流量I0
+I1で充電される。したがって、その端子電圧、すな
わち該発振回路13の出力電圧は、変化時間をtとする
と、 t=ΔV・C11/(I1+I0) =(2.71−0.8)×31×10-12 /(10.4+5.2)×10-6 =5(μsec) となり、0.8Vから2.71Vへ5μsecで上昇す
る。
【0032】これに対して、バイパストランジスタQ1
2が導通すると、トランジスタQ14が導通し、コンデ
ンサC11は、定電流源38,39によって、電流量I
0+I1で充電されつつ、かつ定電流源36,37の和
の電流量2(I0+I1)で放電されることになる。し
たがって、上式から、2.71Vから0.8Vへ5μs
ecで低下することになる。
【0033】このようにして、発振回路13は、トラン
ジスタQ15,Q16が導通している状態で、図4
(a)で示すように、10μsec周期、すなわち10
0kHzで、0.8V〜2.71Vの範囲の三角波を発
振する。
【0034】これに対して、トランジスタQ15,Q1
6が遮断している発振周波数の低下時には、上記式にお
けるI1=0となり、図4(b)で示すように、t=1
5μsec、すなわち33kHzで発振する三角波を出
力することになる。
【0035】したがって、発振回路13の発振周波数
は、定常負荷時には前記100kHzとなり、軽負荷と
なって前記出力電圧が上昇し、前記フィードバック電圧
が基準電圧Vref11未満となると、33kHzとな
る。
【0036】図5は、出力端子P3,P4からの出力電
流、すなわち負荷状態の変化に対する消費電力の変化を
計測した本件発明者の実験結果を示すグラフである。こ
の図5において、参照符α1は発振周波数低下回路11
を設けていない場合を示し、参照符α2は、前記発振周
波数低下回路11を設けている場合を示し、かつ該発振
周波数低下回路11を出力電流が0.5Aにおいて動作
させている。
【0037】このようにして、発振回路13および発振
周波数低下回路11は、定常負荷状態よりも軽負荷状態
でスイッチング素子Q1へのゲートパルスの発振周波数
を低下するので、該スイッチング素子Q1のスイッチン
グ周波数に比例して増大するコンバータ15の損失を低
減し、低消費電力化を図ることができる。また、このよ
うな低消費電力化を、単一のコンバータ15で実現する
ことができ、低コスト化および省スペース化を図ること
ができる。さらにまた、前記図2で示すように、スイッ
チング素子Q1と発振周波数低下回路11および発振回
路13などのスイッチング素子Q1の制御用の回路とを
コンバータ15として、1パッケージで封止して構成す
るので、さらに省スペース化を図ることができる。
【0038】本発明の実施例の他の形態について、図6
に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【0039】図6は、本発明の実施例の他の形態の発振
周波数低下回路41と、それに関連する発振回路13の
具体的構成を示す電気回路図である。この発振周波数低
下回路41では、前記フィードバック電圧は、差動増幅
器42の反転入力端子に入力される。差動増幅器42の
出力は、抵抗R14,R15を介して正帰還されるとと
もに、抵抗R16,R17をそれぞれ介して前記トラン
ジスタQ15,Q16のベースに入力される。トランジ
スタQ15のエミッタは、抵抗R18を介して前記コン
デンサC11へ充電電流を供給する。トランジスタQ1
6のエミッタは、抵抗R19を介して前記トランジスタ
Q13のコレクタへ電流を供給する。
【0040】したがって、軽負荷状態となって前記出力
電圧が上昇し、フィードバック電圧が低下する程、差動
増幅器42の出力電圧が低下し、トランジスタQ15,
Q16に流れる電流I1a,2I1aがそれぞれ減少す
る。こうして、負荷状態に対応して、連続してリニアに
発振周波数を低下することができる。
【0041】したがって、前述の発振周波数低下回路1
1では、小型化が可能であるのに対して、この発振周波
数低下回路41では、負荷状態に対応して、きめ細かく
発振周波数を変化することができる。
【0042】このように、上記の構成によれば、定常負
荷から軽負荷まで、負荷状態に対応してスイッチング周
波数が連続して変化されるので、負荷状態に対応したき
め細かなスイッチング周波数の制御を行うことができ、
スイッチング周波数の増加に伴って増加する損失を最小
限に抑えることができる。
【0043】
【発明の効果】請求項1の発明に係るスイッチング電源
回路は、以上のように、DC−DCコンバータなどとし
て用いられるスイッチング電源回路において、発振回路
からの発振信号の周期で、前記負荷状態検出手段からの
負荷状態に対応したフィードバック電圧と第1の基準電
圧とのうち、いずれか低い方の電圧に対応したパルス幅
のパルスで、前記スイッチング素子を制御するパルス幅
変調比較器と、前記負荷状態が軽負荷状態であることを
検出する第2の基準電圧と前記フィードバック電圧とを
比較し、当該フィードバック電圧が第2の基準電圧より
も小さいときには、大きいときに比べて前記発振回路の
発振周波数を低下させる発振周波数低下手段とを含み、
軽負荷となって、前記フィードバック電圧が低下し、前
記第1の基 準電圧未満となると、前記パルス幅変調比較
器が、前記パルス幅を前記フィードバック電圧に対応し
た短い値にすることで、定電圧動作する。
【0044】それゆえ、損失の大きな要因であるスイッ
チング素子やその制御回路での損失を、軽負荷時には該
スイッチング素子のスイッチング周波数を低下すること
によって低減するので、単一のコンバータ回路で、定常
負荷から軽負荷まで対応することができ、低消費電力化
を、低コストな回路構成で、かつ省スペースに実現する
ことができる。また、定常負荷と軽負荷との2つの負荷
状態に対応して、スイッチング周波数を切換えるだけで
あるので、簡便な回路構成で実現することができる。
【0045】また請求項2の発明に係るスイッチング電
源回路は、以上のように、前記スイッチング素子がパワ
ーMOSFETから成り、該スイッチング素子と発振回
路と発振周波数低下手段とを1パッケージで封止する。
【0046】それゆえ、さらに実装面積を小さくするこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態を示すスイッチング電源
回路の電気的構成を示すブロック図である。
【図2】前記スイッチング電源回路におけるスイッチン
グ素子と発振周波数低下回路および発振回路などの前記
スイッチング素子の制御回路とを1パッケージで封止し
て構成されるコンバータの構成を示す図である。
【図3】図1で示すスイッチング電源回路に用いられる
発振回路および発振周波数低下回路の具体的構成を示す
電気回路図である。
【図4】前記発振周波数低下回路による発振回路の発振
周波数低下動作を説明するための波形図である。
【図5】本発明の効果を説明するための出力電流(負荷
状態)の変化に対する消費電力の変化を示す本件発明者
の実験結果のグラフである。
【図6】本発明の実施の他の形態の発振周波数低下回路
とそれに関連する発振回路の具体的構成を示す電気回路
図である。
【図7】典型的な従来技術のスイッチング電源回路の電
気的構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 スイッチング電源回路 2 整流回路 5 パルストランス 6 制御回路 11 発振周波数低下回路(発振周波数低下手段) 12 PWM比較器(パルス幅変調比較器) 13 発振回 20 負荷状態検出回路(負荷状態検出手段) 32 比較器 34 比較器 35 比較器 41 発振周波数低下回路 C1 平滑コンデンサ C2 平滑コンデンサ C11 コンデンサ Q1 スイッチング素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 3/28 H03K 17/78

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】変圧器の1次電流をスイッチング素子でス
    イッチングし、所望とする電圧の2次電流を得るように
    したスイッチング電源回路において、 スイッチング電源回路の出力端子の負荷状態を検出する
    負荷状態検出手段と、発振回路と、 前記発振回路からの発振信号の周期で、前記負荷状態検
    出手段からの負荷状態に対応したフィードバック電圧と
    第1の基準電圧とのうち、いずれか低い方の電圧に対応
    したパルス幅のパルスで、前記スイッチング素子を制御
    するパルス幅変調比較器と、 前記負荷状態が軽負荷状態であることを検出する第2の
    基準電圧と前記フィードバック電圧とを比較し、当該フ
    ィードバック電圧が第2の基準電圧よりも小さいときに
    は、大きいときに比べて前記発振回路の発振周波数を低
    下させる発振周波数低下手段とを含み、 軽負荷となって、前記フィードバック電圧が低下し、前
    記第1の基準電圧未満となると、前記パルス幅変調比較
    器が、前記パルス幅を前記フィードバック電圧に対応し
    た短い値にすることで、定電圧動作するスイッチング電
    源回路。
  2. 【請求項2】前記スイッチング素子は、パワーMOSF
    ETから成り、該スイッチング素子と発振回路と発振周
    波数低下手段とは1パッケージで封止されることを特徴
    とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。
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