JP2000201475A - 電源装置 - Google Patents

電源装置

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JP2000201475A
JP2000201475A JP11000219A JP21999A JP2000201475A JP 2000201475 A JP2000201475 A JP 2000201475A JP 11000219 A JP11000219 A JP 11000219A JP 21999 A JP21999 A JP 21999A JP 2000201475 A JP2000201475 A JP 2000201475A
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voltage
switch element
capacitor
terminal
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JP11000219A
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Takahiro Miyazaki
孝博 宮崎
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Texas Instruments Japan Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】軽負荷時でも、安定して動作できる電源装置を
供給する。 【解決手段】この電源装置10では、電源用コンデンサ
126に充電された電圧がスイッチ素子120のゲート
端子に印加され、スイッチ素子120が導通するように
構成されている。そして、スイッチ素子120が導通状
態から遮断状態に転じ、インダクタンス素子130に蓄
積されたエネルギーにより、整流素子124を通って誘
起電流I2が流れる際に、電源Vintから電源用コンデン
サ126が充電されるように構成されている。この電源
装置10では、スイッチ素子120の遮断後、一定期間
経過後に、スイッチ素子44が一定期間導通し、電源V
in tで電源用コンデンサ126を充電するように構成さ
れている。従って、誘起電流I2が短時間で消滅してし
まう軽負荷の場合でも、電源用コンデンサ126が確実
に充電される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチングレギ
ュレータ等の電源装置に係わり、特に、変換用の電源と
は別の定電圧源を使用してスイッチ素子を駆動する電源
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】現在の電源装置は、大きな負荷電流の変
動幅に対応することが要求されている。例えば、ノート
型パソコンの電源装置では、使用中にはCPUを高速動
作させるための電力の他、HDD装置やCD−ROM装
置を駆動するための電力が必要になる。その反面、入力
待ち等の待機状態ではできるだけ消費電力を小さくし、
長時間の連続使用を可能とすることが要求される。従っ
て、重負荷と軽負荷のどちらにも高効率で対応できる電
源装置が必要になる。
【0003】しかし、従来技術の電源装置では、重負荷
時に十分な特性を得ようとすると、逆に軽負荷時には出
力電圧が不安定になったり、電源効率が低下したりする
という問題がある。この問題は、特に、効率が重視され
る同期整流電源にとって大きな問題となる。
【0004】以下、従来の電源装置の一例を挙げて上記
問題点について説明する。図4は、従来の電源装置の一
例の構成回路図である。
【0005】図示例の電源装置156は、スイッチング
レギュレータ方式の電源装置の一例を示すものであり、
基準電源112、ヒステリシスコンパレータ114、レ
ベルシフト回路116、駆動回路118、N型MOSト
ランジスタから成るスイッチ素子120、ダイオードか
ら成る整流素子122、124、インダクタンス素子1
30と、電源用コンデンサ126と、出力コンデンサ1
28と、抵抗素子132、134とを有している。
【0006】インダクタンス素子130の一端は、この
電源装置156の出力端子Q0にされており、該出力端
子Q0の電圧は、直列接続された抵抗素子132、13
4に入力されている。その電圧は、抵抗素子132、1
34で分圧され、サンプリング電圧Vsampが生成されて
いる。サンプリング電圧Vsampは、ヒステリシスコンパ
レータ114の反転入力端子に入力されている。
【0007】基準電源112が出力する基準電圧VREF
は、ヒステリシスコンパレータ114の非反転入力端子
に入力されており、ヒステリシスコンパレータ114
は、サンプリング電圧Vsampと基準電圧VREFとを比較
し、比較結果をレベルシフト回路116を介して駆動回
路118に出力している。
【0008】駆動回路118の電源端子は、電源用コン
デンサ126の高電位側の端子Q2と低電位側の端子Q1
にそれぞれ接続されており、電源用コンデンサ126に
蓄積された電力によって動作するように構成されてい
る。
【0009】駆動回路118は、レベルシフト回路11
6から入力された信号をスイッチ素子120のゲート端
子に出力している。
【0010】スイッチ素子120のドレイン端子は、電
源VCC(変換用の電源)に接続されており、ソース端子
は、電源用コンデンサ126の低電位側の端子Q1に接
続されている。また、スイッチ素子120のソース端子
は、インダクタンス素子130の一端に接続されてお
り、該インダクタンス素子130の他端から、出力端子
0が取り出されている。
【0011】ヒステリシスコンパレータ114は、サン
プリング電圧Vsampが基準電圧VRE Fよりも所定電圧だ
け低い場合には高電圧の信号を出力し、逆に高い場合に
は低電圧の信号を出力する。
【0012】駆動回路118は、ヒステリシスコンパレ
ータ14の出力電圧が高電圧の場合に、スイッチ素子1
20のゲート端子に高電圧を印加してスイッチ素子12
0を導通させ、低電圧の場合に低電圧を印加して遮断さ
せる。
【0013】スイッチ素子120が導通した場合、イン
ダクタンス素子130に電流が流れ、出力端子Q0から
負荷に電流が供給される。なお、出力端子Q0には、出
力コンデンサ128が接続されており、出力端子Q0
電圧は平滑されている。
【0014】スイッチ素子120はnチャネルMOSト
ランジスタで構成されており、
【0015】ドレイン端子が電源VCCに接続されている
ため、スイッチ素子120が導通すると、ソース端子の
電圧は上昇する。
【0016】電源用コンデンサ126の低電位側の端子
1はスイッチ素子120のソース端子に接続されてい
るため、電源用コンデンサ126の両端の電位は、ソー
ス端子の電位の上昇に伴って上昇する。
【0017】駆動回路118には、電源用コンデンサ1
26から電力が供給されており、電源用コンデンサ12
6の低電位側の端子Q1はスイッチ素子120のソース
端子に接続されているから、ソース端子の電位が上昇す
ると、電源用コンデンサ126の端子Q2の電圧も上昇
し、それに伴い、駆動回路118が出力する電圧も上昇
する。従って、スイッチ素子120のソース端子の電圧
が上昇しても、スイッチ素子120のソース・ゲート間
に印加される電圧の大きさは一定であり、スイッチ素子
120の導通状態が維持される。
【0018】スイッチ素子120が導通している間、電
源VCCからインダクタンス素子130に、符号I1で示
される電流が供給される。
【0019】サンプリング電圧Vsampが上昇し、駆動回
路118がスイッチ素子120を遮断させると、電源V
CCからインダクタンス素子130に供給される電流は停
止する。このとき、インダクタンス素子130の両端の
うち、スイッチ素子120のソース端子側に負電圧が誘
起され、出力端子Q0側に正電圧が誘起される。
【0020】整流素子124は、アノード端子が接地電
位に接続され、カソード端子がスイッチ素子120のソ
ース端子に接続されている。インダクタンス素子130
に誘起された電圧によって整流素子124が順バイアス
され、インダクタンス素子130に蓄積された磁気エネ
ルギにより、符号I2で示す電流が流れ、その電流I2
出力端子Q0から負荷に供給される。
【0021】電源用コンデンサ126の高電位側の端子
は、整流素子122のカソード端子に接続され、該整流
素子122のアノード端子は、電源Vintに接続されて
いる。従って、インダクタンス素子130に電圧が誘起
されると整流素子122が順バイアスされ、電源用コン
デンサ126は電源Vintによって充電される。
【0022】次に、スイッチ素子120が導通すると、
電源用コンデンサ126の低電位側の端子(スイッチ素
子120のソース端子)の電圧が上昇し、整流素子12
2は逆バイアスされる。
【0023】その状態では、電源用コンデンサ126は
電源Vintから切り離され、駆動回路118は電源用コ
ンデンサ126だけから電力を供給されることになる。
【0024】なお、出力端子Q0の電圧は、抵抗13
2、134、基準電圧112及びコンパレータ114に
より監視されており、出力電圧が低下すると、スイッチ
素子120の導通時間が長くなり、逆に出力電圧が上昇
すると、スイッチ素子120の導通時間が短くなるの
で、出力電圧は一定に維持される。
【0025】以上説明したように、電源用コンデンサ1
26はスイッチ素子120が遮断状態にある間に充電さ
れ、導通状態にある間には放電し、駆動回路118に電
力を供給するように構成されている。ここで、整流素子
124の降下電圧をVf1、整流素子122の降下電圧を
f2とすると、スイッチ素子120が導通から遮断に転
じる際に、電源用コンデンサ126の低電位側の端子
(端子Q1)の電位は、接地電位よりもVf1だけ低い電位
(−Vf1)まで降下し、高電位側の端子(端子Q2)の電位
は、Vint−Vf2にクランプされる。従って、スイッチ
素子120が遮断すると、電源用コンデンサ126の両
端には、 VC = Vint−Vf1+Vf2 なる電圧VCが印加される。
【0026】ここで、 Vf1 = Vf2 とすると、電圧VCは、 VC = Vint……(1) となり、電源Vintと等しい電圧が印加されることにな
る。
【0027】しかしながら実際には、内部配線抵抗等の
影響により、電源用コンデンサ126を充電するのに一
定時間を必要とする。
【0028】出力端子Q0に接続された負荷が重い場
合、電源VCCから供給される電流が大きくなるため、ス
イッチ素子120が遮断する際の電流が大きくなるた
め、スイッチ素子120が導通から遮断に転じた後、電
流I2が流れる時間も長くなる。その結果、電源用コン
デンサ126の充電時間も長くなり、電源用コンデンサ
126の両端の電圧が十分大きくなる。
【0029】それに対し、外部負荷が軽い場合、図6の
タイミングチャートに示すように、電流I1が流れる時
間が短く、そのため、誘起電流I2は短時間で消滅し、
また、端子Q1の接地電位に対する寄生容量により端子
1の電圧が十分に下がらなくなるため、電源用コンデ
ンサ126の充電時間も短くなり、電源用コンデンサ1
26の両端の電圧VCは、上記(1)式で表される電圧よ
りも低くなってしまう。
【0030】電源用コンデンサ126の両端の電圧VC
が小さい場合、スイッチ素子120のゲート・ソース間
電圧が小さくなり、スイッチ素子120を十分に導通さ
せることができなくなり、その結果、電源装置156の
出力電圧(出力端子Q0の電圧)が低下するという問題が
ある。
【0031】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の不都合を解決するために創作されたものであり、そ
の目的は、重負荷時はもちろん軽負荷時においても、常
に安定した電圧を供給することができる電源装置を提供
することにある。
【0032】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1に記載の電源装置は、第1の電源と第1の
ノードとの間に電気的に接続されている第1のスイッチ
素子と、上記第1のノードと共通電位との間に電気的に
接続されている第2のスイッチ素子と、上記第1のノー
ドと出力端子との間に電気的に接続されているインダク
タンス素子と、上記出力端子と上記共通電位との間に電
気的に接続されている出力用コンデンサと、上記共通電
位と上記第1のノードとの間に電気的に接続されている
第1の整流素子と、第2の電源と上記第1のノードとの
間に電気的に接続されている電源用コンデンサと、上記
電源用コンデンサから電力を供給され、上記出力端子の
電圧に応じて上記第1のスイッチ素子を駆動する第1の
駆動回路と、上記第2のスイッチ素子を駆動する第2の
駆動回路とを有し、上記第1のスイッチ素子が導通状態
から非導通状態に遷移すると上記第2のスイッチ素子が
所定時間導通するように構成されている。
【0033】また、請求項2に記載の電源装置は、請求
項1に記載の電源装置であって、上記第2の電源と上記
電源用コンデンサの一方の電極との間に電気的に接続さ
れている第2の整流素子を有する。
【0034】本発明の電源装置は上記のように構成され
ており、第1の駆動回路が第1のスイッチ素子を導通さ
せると、第1の電源から第1のスイッチ素子を介して電
流がインダクタンス素子に供給され、第1のスイッチ素
子が導通から遮断(非導通)に転じると、インダクタン
ス素子に生じた起電力による電流が第1の整流素子を介
して共通電位に放出される。
【0035】この電源装置には、電源用コンデンサが設
けられており、第1の駆動回路は、その電源用コンデン
サから電力が供給されるように接続されている。
【0036】そして、インダクタンス素子に誘起された
起電力が電源用コンデンサの他方の電極に印加されたと
きに、第2の電源によって電源用コンデンサが充電され
るように構成されている。
【0037】更に、電源用コンデンサと共通電位との間
には第2のスイッチ素子が接続されており、第1のスイ
ッチ素子が導通状態から非導通状態に遷移すると、第2
のスイッチ素子が所定時間導通するように構成されてい
る。
【0038】従って、インダクタンス素子に誘起される
電圧が短時間で消滅した場合でも、電源用コンデンサは
第2の電源から十分に充電されるようになっている。
【0039】なお、電源用コンデンサと第2の電源の間
に第2の整流素子を挿入し、電源用コンデンサが第2の
整流素子を介して充電されるようにしておくと、第1の
スイッチ素子が導通している間は、第2の整流素子が逆
バイアスされるので、電源用コンデンサが放電したり、
逆極性に充電されることがなくなる。
【0040】
【発明の実施の形態】以下に、添付の図面に示す好適実
施例に基づいて、本発明の電源装置を詳細に説明する。
【0041】図1の符号10は、本発明の一例の電源装
置である。この電源装置10の基本動作は、図4に示し
た従来の電源装置156と同様であり、従来の電源装置
156と同じ構成、同じの部材(基準電源112、ヒス
テリシスコンパレータ114、レベルシフト回路11
6、駆動回路118、スイッチ素子120、整流素子1
22、124、電源用コンデンサ126、出力コンデン
サ128、インダクタンス素子130、及び抵抗素子1
32、134)には、同一符号を付して説明を省略す
る。
【0042】本発明の電源装置10には、更に、符号5
で示す充電制御回路が設けられている。この充電制御回
路5は、インバータ36、遅延回路38、ワンショット
回路40、バッファ42およびスイッチ素子(N型MO
Sトランジスタ)44を有している。
【0043】スイッチ素子44のソース端子はグラウン
ドに接続され、ドレイン端子は、スイッチ素子120の
ソース端子Q1にに接続されている。
【0044】インバータ36、遅延回路38、ワンショ
ット回路40およびバッファ42は、この順序で直列接
続されており、初段のインバータ36には、ヒステリシ
スコンパレータ114の出力が入力されており、最後段
のバッファ42の出力信号は、スイッチ素子44のゲー
ト端子(端子Q6)に印加されている。
【0045】この電源装置10でも、出力電圧が変動し
てサンプリング電圧Vsampが基準電圧VREFよりも所定
の電圧値以上に高くなった場合、ヒステリシスコンパレ
ータ114は低電圧の信号を出力し、サンプリング電圧
sampが基準電圧VREFよりも所定の電圧値以下に低く
なった場合には、ヒステリシスコンパレータ114は高
電圧の信号を出力する。インバータ36は、ヒステリシ
スコンパレータ114の出力を反転して出力する。
【0046】電源装置10の動作を、図2のタイミング
チャートを参照しながら説明する。図2のタイミングチ
ャートは、各端子Q1〜Q6の電圧を示している。
【0047】インバータ36はヒステリシスコンパレー
タ114の出力信号を反転し、遅延回路38に供給す
る。遅延回路38は、インバータ36の出力信号の立ち
上がりを検出し、一定の遅延時間T4だけ遅延させた
後、後段のワンショット回路40に出力する(端子Q4
電圧)。
【0048】ワンショット回路40は、入力された信号
の立ち上がりを検出し、所定のパルスを出力するように
構成されており、ワンショット回路40の出力信号(端
子Q5の電圧)は、バッファ42を介して、スイッチ素子
44のゲート端子Q6に入力されている。スイッチ素子
44は、nチャネルMOSトランジスタで構成されてい
るので、バッファ42の出力信号(端子Q6の電圧)が高
電圧の期間導通する。
【0049】ヒステリシスコンパレータ114は、サン
プリング電圧Vsampが基準電圧VRE Fよりもヒステリシ
ス電圧分以上に高くなると低電圧の信号を出力し、サン
プリング電圧Vsampが基準電圧VREFよりもヒステリシ
ス電圧分以下に低くなると高電圧の信号を出力する。
【0050】ヒステリシスコンパレータ114の出力信
号が低電圧になり、スイッチ素子120が導通状態から
遮断状態に転じると、インダクタンス素子130に起電
力が生じる。この起電力によって端子Q1の電圧が負に
なるが、整流素子124が順バイアスされるので、端子
1は接地電位に電気的に接続される。このとき、電源
用コンデンサ126は電源Vintにより充電されること
になる。
【0051】従来技術の説明において既に述べたよう
に、外部負荷が軽い場合には、インダクタンス素子13
0に蓄積されたエネルギーが小さいため、誘起電流I2
が短時間で消滅するため、電源用コンデンサ126の充
電時間も短かくなってしまうが、この電源装置10で
は、スイッチ素子120が導通から遮断に転じた後、一
定の遅延時間T4が経過すると、スイッチ素子44が所
定期間導通するように構成されている。
【0052】誘起電流I2の消滅後、スイッチ素子12
0が導通する前は、電源用コンデンサ126の低電位側
の端子Q1はフローティング状態となっているが、軽負
荷の場合、図2に示すように、遅延時間T4の経過後、
その状態でスイッチ素子44が導通する。
【0053】スイッチ素子44の導通により、電源用コ
ンデンサ126の低電位側の端子Q 1は接地電位に接続
されるので、電源用コンデンサ26は、整流素子122
を介して電源Vintで充電される。
【0054】ワンショット回路40は、パルス信号を一
定の期間T5だけ出力するように構成されており、スイ
ッチ素子44は期間T5の経過後、遮断する。従って、
軽負荷の場合、電源用コンデンサ126は、少なくとも
その期間T5の間充電される。
【0055】他方、重負荷の場合、誘起電流I2が消滅
する前に遅延期間T4が終了し、期間T5が開始するが、
整流素子124に電流が流れているため、スイッチ素子
120のソース端子(端子Q1)の電圧は、−Vf1にクラ
ンプされる。クランプされている間は電源用コンデンサ
126が充電される。
【0056】以上により、この電源装置10では、負荷
の軽重に拘わらず、安定してスイッチ素子120を駆動
することができるようになっている。
【0057】なお、本発明の電源装置10を構成する電
圧保持手段の具体的な回路構成は図示例のものに限定さ
れず、同等の機能を有する他の構成回路によっても容易
に実現可能であることは明らかである。
【0058】続いて、図3に、本発明の電源装置の別の
実施例の構成回路図を示す。この電源装置46は、図1
に示す本発明の電源装置10と比較して、ヒステリシス
コンパレータ114の代りに、このヒステリシスコンパ
レータ114と同等の機能を備えるエラーアンプ48
と、帰還回路51と、パルス幅変調コンパレータ50と
が設けられている。
【0059】なお、電源装置10のこれ以外の構成要件
については、図1に示す本発明の電源装置10の構成要
件と全く同じである。
【0060】ここで、エラーアンプ48の非反転入力端
子には基準電圧VREFが入力されており、反転入力端子
には、サンプリング電圧Vsampが入力されると共に、エ
ラーアンプ48の出力が、帰還回路51によってフィー
ドバックされている。
【0061】パルス幅変調コンパレータ50の非反転入
力端子には、エラーアンプ48の出力が入力されており
反転入力端子には、三角波信号が入力されている。
【0062】パルス幅変調コンパレータ50の出力は、
レベルシフト回路116および駆動回路118を介して
スイッチ素子120に入力されると共に、充電制御回路
5に入力されている。
【0063】この電源装置46において、パルス幅変調
コンパレータ50は、エラーアンプ48の出力信号と三
角波信号とを比較し、エラーアンプ48の出力信号が三
角波信号よりも高くなると、高電圧の信号を出力し、ス
イッチ素子120を導通させる。
【0064】充電制御回路5は、パルス幅変調コンパレ
ータ50の出力信号が低電圧から高電圧に変わった後、
一定の遅延時間T4だけ遅れて、期間T5の間スイッチ素
子44を導通させる。これにより、電源用コンデンサ1
26は確実に充電される。
【0065】以上説明したように、本発明の電源装置に
よれば、負荷の軽重にかかわらず、少なくとも、期間T
5の間は、電源用コンデンサ126が充電されるので、
スイッチ素子120が導通し損なうことはない。なお、
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例え
ば、スイッチ素子がpチャネルMOSトランジスタで構
成されている場合も本発明に含まれる。
【0066】また、上述したように、スイッチ素子12
0が導通から遮断に転じてから遅延時間を起算してもよ
いが、スイッチ素子120が導通してから遅延時間を起
算しても良い。このように、本発明の主旨を逸脱しない
範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもち
ろんである。
【0067】
【発明の効果】本発明によれば、軽負荷の場合でも、電
源用コンデンサが十分に充電され、スイッチ素子を確実
に駆動できるので、電源の誤動作が無くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一例の電源装置を示す回路図
【図2】そのタイミングチャート
【図3】本発明の他の例の電源装置を示す回路図
【図4】従来の電源装置を示す回路図
【図5】その電源装置の重負荷時のタイミングチャート
【図6】同じく軽負荷時のタイミングチャート
【符号の説明】
10、46、56……電源装置 38……遅延回路 44……スイッチ素子 112……基準電源 118……駆動回路 120……スイッチ素子 124……整流素子 126……電源用コンデンサ 130……インダクタンス素子 VCC……電源 Vint……電源

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の電源と第1のノードとの間に電気的
    に接続されている第1のスイッチ素子と、 上記第1のノードと共通電位との間に電気的に接続され
    ている第2のスイッチ素子と、 上記第1のノードと出力端子との間に電気的に接続され
    ているインダクタンス素子と、 上記出力端子と上記共通電位との間に電気的に接続され
    ている出力用コンデンサと、 上記共通電位と上記第1のノードとの間に電気的に接続
    されている第1の整流素子と、 第2の電源と上記第1のノードとの間に電気的に接続さ
    れている電源用コンデンサと、 上記電源用コンデンサから電力を供給され、上記出力端
    子の電圧に応じて上記第1のスイッチ素子を駆動する第
    1の駆動回路と、 上記第2のスイッチ素子を駆動する第2の駆動回路と、 を有し、上記第1のスイッチ素子が導通状態から非導通
    状態に遷移すると上記第2のスイッチ素子が所定時間導
    通するように構成されている電源装置。
  2. 【請求項2】上記第2の電源と上記電源用コンデンサの
    一方の電極との間に電気的に接続されている第2の整流
    素子を有する請求項1に記載の電源装置。
JP11000219A 1999-01-04 1999-01-04 電源装置 Withdrawn JP2000201475A (ja)

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