JP2003284331A - 周波数変動が少ない自励式dc−dcコンバータ - Google Patents

周波数変動が少ない自励式dc−dcコンバータ

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JP2003284331A
JP2003284331A JP2002083853A JP2002083853A JP2003284331A JP 2003284331 A JP2003284331 A JP 2003284331A JP 2002083853 A JP2002083853 A JP 2002083853A JP 2002083853 A JP2002083853 A JP 2002083853A JP 2003284331 A JP2003284331 A JP 2003284331A
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信之 井上
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】自励式DC−DCコンバータ回路において、ス
イッチング周波数が高くなりすぎることを防止する。 【解決手段】直流入力電圧Vinを直流出力電圧Voutに変
換するDC−DCコンバータ回路において、入力電圧Vi
nが印加される入力端子と出力電圧Voutが生成される出
力端子との間に設けられた電流供給用トランジスタQ5
1と、Q51へのベース電流の供給を制御し、出力電圧
の電圧リップルに応じて導通と非導通を繰り返す制御ト
ランジスタQ52とを有する。更に、トランジスタQ5
1が非導通状態になった後、出力電圧が低下してトラン
ジスタQ52が導通状態になっても、トランジスタQ5
1のベース・エミッタ間を短絡してその非導通状態を所
定時間維持する遮断回路10とを有する。遮断回路10
が、トランジスタQ51の導通開始時期が、遮断回路に
よって所定時間より早まることを防止し、コンバータ回
路のスイッチング周波数が高くなりすぎるのを防止す
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、自励式のDC−D
Cコンバータに関し、特に、出力負荷に依存して周波数
が高くなりすぎることを防止した自励式DC−DCコン
バータに関する。
【0002】
【従来の技術】DC−DCコンバータは、第1の直流電
圧を第2の直流電圧に変換するスイッチング電源回路で
ある。プリンタなどの情報機器は、商用電源から直流の
比較的高い電圧を生成し、その高電圧で所定のアクチュ
エータを駆動し、更に、その高電圧を5V程度の低電圧
に変換し、集積回路の電源として利用する。自励式のD
C−DCコンバータは、出力側のリップル電圧を利用し
て発振し、入力側から出力側に電流を供給して出力側を
第2の直流電圧に維持する。
【0003】図1は、従来の降圧、非絶縁型の自励式D
C−DCコンバータ回路である。入力電圧Vinが供給さ
れる入力端子には平滑コンデンサC51が設けられ、ま
た、出力電圧Voutが出力される出力端子にも平滑コンデ
ンサC54が設けられている。そして、入力端子と出力
端子との間に、電流供給用のトランジスタQ51とイン
ダクタンスL51とが設けられる。また、トランジスタ
Q51をオン・オフ制御する回路として、トランジスタ
Q52とダイオードD50及び抵抗R89が設けられ
る。また、トランジスタQ52のベースのノードn1に
は、抵抗R88とツェナーダイオードZD51とが接続
される。更に、ノードn1とノードn3との間には、帰
還抵抗R95が設けられる。
【0004】図2は、図1の自励式DC−DCコンバー
タの動作波形図である。この図を参照して、図1の動作
を説明する。入力電圧Vinが印加されると、抵抗R88
を介してノードn1の電圧が上昇して、トランジスタQ
52が導通する。その結果、トランジスタQ51のベー
ス・エミッタ間電圧が十分大きくなってベース電流が供
給され、トランジスタQ51が導通し、入力端子から出
力端子側に電流が供給され、それに伴いノードn3とn
2とがほぼ入力電圧Vinまで上昇する。但し、インダク
タンスL51の逆起電力作用により、ノードn3が先に
入力電圧まで上昇し、遅れてノードn2も上昇する。こ
の時、所定の大電流がインダクタンスL51を流れる。
【0005】ノードn2がほぼ入力電圧Vinまで上昇す
ると帰還抵抗R95によりノードn1よりもわずかに高
くなり、トランジスタQ52のエミッタとダイオードD
52のカソード端子が接続された電流スイッチ回路にお
いて、ダイオードD52側が導通して電流が流れ始め
る。その結果、トランジスタQ52は非導通状態に遷移
し、それに伴って電流供給用のトランジスタQ51が非
導通状態に遷移して、出力側に供給される電流が減少す
る。
【0006】しかしながら、インダクタンスL51はそ
れまでの電流を維持するように動作し、その逆起電力に
よりノードn3の電圧が急激に下がり、ダイオードD5
5でクランプされるGND−Vf(VfはダイオードD
55の順方向電圧)まで下がる。但し、ノードn2はし
ばらくの間、高い電圧を維持する。その結果、ノードn
3の低下は、帰還抵抗R95を介してノードn1に伝え
られ、トランジスタQ52はより深くオフし、トランジ
スタQ51もより深くオフする。この状態では、ノード
n1とn2の電圧関係は、n1<n2となり、両ノード
間にはΔVが生成される。
【0007】出力電圧Voutは、出力負荷によって低下
し、それに伴いノードn2も低下する。このノードn2
の低下速度は、出力負荷の大きさに依存する。やがて、
ノードn2がノードn1の電圧まで低下すると、トラン
ジスタQ52が導通状態に遷移し、電流供給用トランジ
スタQ51も導通状態に遷移する。それによりノードn
3に電流が供給されるが、インダクタンスL51による
電流の流れを阻止する逆起電力作用により、もっぱらノ
ードn3の電圧が上昇する。ノードn3の電圧上昇によ
り、ノードn1の電圧も上昇し、ノードn1とn2との
電圧関係は逆転する。やがて、供給電流がインダクタン
スL51を介して出力端子から負荷回路に供給される
と、負荷の大きさに依存して、ノードn2の電圧が上昇
し、ダイオードD50が導通、トランジスタQ52,Q
51が非導通状態に遷移する。
【0008】以上のとおり、ノードn1,n2の電圧
が、ヒステリシス特性を持って交互に上下変化し、それ
に伴い電流供給用のトランジスタQ51が導通状態と非
導通状態とを所定の周期で繰り返す。この周波数は、出
力端子に接続される負荷の大小に依存する。即ち、負荷
が大きい時は、負荷容量C54の電圧リップルの傾きが
急になり、周波数も大きくなる。一方、負荷が小さい場
合は、逆に周波数も小さくなる。
【0009】図3は、従来の降圧、非絶縁型の自励式D
C−DCコンバータ回路の別の例である。図4は、その
自励式DC−DCコンバータの動作波形図である。図3
の回路の図1と異なるところは、トランジスタQ52を
オン・オフ制御する回路が、集積回路IC51と抵抗R
89,R95により構成されていることである。集積回
路IC51の詳細回路は、図中に拡大して示されるとお
り、レファレンス電圧Vref側の入力n5ともう一つの入
力n4の電圧がヒステリシス特性を持って交互に上下す
ることを利用して、トランジスタQ51のオン・オフを
制御し、電流供給用トランジスタQ51のオン・オフを
制御する。
【0010】以下、図3のDC−DCコンバータ回路の
動作を簡単に説明する。最初に入力電圧Vinが印加され
ると、抵抗R88を介してノードn1に電流が流れ、ト
ランジスタQ52が導通し、同時にトランジスタQ51
も導通する。それに伴い、電流がインダクタンスL5
1、負荷容量C54と流れ、出力電圧Voutが上昇する。
インダクタンスL51の逆起電力特性により、ノードn
3の電圧が先に上昇し、その後ノードn2の電圧が上昇
する。ノードn3がほぼ入力電圧Vinと同じになり、抵
抗R89には、抵抗R89,R95の抵抗分圧分の電圧
が印加され、集積回路IC51のノードn5のレベル
は、ノードn4のレベルより高く保たれる。そして、ノ
ードn2がやがて上昇すると、それに伴いノードn4も
上昇し、集積回路IC51のカソード側から電流が吸収
され、ノードn1の電圧が低下し、トランジスタQ52
のベース電流の不足から、非導通状態に遷移する。それ
に伴いトランジスタQ51も非導通状態になる。
【0011】トランジスタQ51が非導通になると、供
給電流がなくなるが、インダクタンスL51の逆起電力
により引き続き電流を流そうとし、ノードn3の電圧が
急激に低下して、トランジスタD55のクランプレベル
まで低下する。但し、ノードn2はその電圧をしばらく
維持する。その結果、抵抗R89の電圧がなくなり、ノ
ードn5の電圧はレファレンス電圧Vrefのみとなり、ノ
ードn4とn5の関係はn4>n5となり、集積回路I
C51のカソード電流がさらに増加して、トランジスタ
Q52は確実にオフになる。
【0012】やがて、出力負荷への電流供給により出力
電圧Voutが低下し、ノードn2も低下してノードn4も
低下する。そして、集積回路IC51の入力であるノー
ドn4が、レファレンス電圧Vrefまで低下すると、集積
回路IC51のカソード電流が停止して、トランジスタ
Q52のベース電流が増加し、トランジスタQ52は導
通する。その結果、トランジスタQ51も導通する。以
後、同じ動作を繰り返す。この例においても、スイッチ
ングの周波数は、出力負荷の大小に依存する。
【0013】このDC−DCコンバータの場合は、トラ
ンジスタQ52,Q51のオン・オフの制御に、図1の
ようにダイオードD50を使用しない。ダイオードD5
0の順方向電圧は温度依存性があり、それを利用した図
1の制御回路では不安定な制御になるのに対して、図3
の回路では、集積回路IC51によりトランジスタQ5
2のオン・オフ制御しているので、温度依存性をなくす
ことができる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】さて、上記の自励式D
C−DCコンバータ回路の問題点は、電流供給トランジ
スタQ51のスイッチング周波数が、出力端に接続され
る負荷の大きさに依存した電圧リップルの傾きにより決
まることにある。従って、負荷が重くなると、負荷電流
が大きくなり、コンバータ回路の発振周波数が高くな
る。周波数が高くなると、コンバータ回路のスイッチン
グ動作に伴う電力ロスを増大させることになり好ましく
ない。
【0015】そこで、本発明の目的は、周波数が高くな
り過ぎることが防止された自励式DC−DCコンバータ
回路を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の一つの側面は、直流入力電圧を直流出力
電圧に変換するDC−DCコンバータにおいて、入力電
圧が印加される入力端子と出力電圧が生成される出力端
子との間に設けられた電流供給用トランジスタと、電流
供給用トランジスタへのベース電流の供給を制御し、出
力電圧の電圧リップルに応じて導通と非導通を繰り返す
制御トランジスタと、電流供給用トランジスタが非導通
状態になり出力電圧が低下して制御トランジスタが導通
状態になっても、電流供給用トランジスタのベース・エ
ミッタ間を短絡してその非導通状態を所定時間維持する
遮断回路とを有することを特徴とする。
【0017】上記の発明の側面によれば、出力負荷が大
きくて電圧リップルの傾きが大きくなる場合でも、遮断
回路により所定時間電流供給用トランジスタを非導通状
態に維持するので、コンバータ回路の発振周波数が高く
なりすぎることが防止される。即ち、発振周波数が遮断
回路の特性によりある上限にクランプされる。その結
果、周波数が高くなって電力ロスが大きくなることが防
止される。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態例を説明する。しかしながら、本発明の保護範
囲は、上記の実施の形態例に限定されるものではなく、
特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及
ぶものである。
【0019】図5は、第1の実施の形態例におけるDC
−DCコンバータ回路の図である。図5のコンバータ回
路は、図1のコンバータ回路に遮断回路10を追加した
構成である。それ以外の構成は図1と同じであり、各回
路素子には同じ引用番号を与えている。
【0020】図5のDC−DCコンバータ回路の遮断回
路10は、電流供給用のトランジスタQ51のエミッタ
・ベース間を短絡するトランジスタQ57と、そのトラ
ンジスタQ57を制御する抵抗R90とコンデンサC5
2と、そのコンデンサC52の電荷を放電するダイオー
ドD59とを有する。この遮断回路10は、電流供給用
トランジスタQ51が非導通状態になった後、出力電圧
Voutが低下して制御トランジスタQ52が導通状態にな
っても、電流供給用トランジスタQ51のベース・エミ
ッタ間を短絡してその非導通状態を所定時間維持する。
【0021】図6は、図5のDC−DCコンバータ回路
の動作波形図である。図6を参照しながら、図5の回路
の動作を説明する。入力電圧Vinが供給されると、ノー
ドn1が上昇しトランジスタQ52が導通して電流供給
用トランジスタQ51が導通する。これに伴い、ノード
n3が上昇し、帰還抵抗R95を介してノードn1を上
昇させ、トランジスタQ52はより深く導通する。
【0022】インダクタンスL51の逆起電力作用によ
り、ノードn2が遅れて入力電圧Vin近くまで上昇する
と、ダイオードD50が導通し、トランジスタQ52を
非導通状態に遷移させる。それに伴い、電流供給用トラ
ンジスタQ51も非導通状態に遷移し、インダクタンス
L51の大電流を流し続けようとする逆起電力作用によ
り、ノードn3の電圧は急激に低下し、GND−Vd(V
dはダイオードD55の順方向電圧)にクランプされ
る。
【0023】このノードn3の電圧の低下に伴い、入力
電圧Vin−トランジスタQ57のエミッタ・ベース間−
抵抗R90を経由して、コンデンサC52が充電され、
ノードn10の電圧がCR時定数に依存した傾きで上昇
する。この充電電流によりトランジスタQ57にベース
電流が供給されて導通し、トランジスタQ51のエミッ
タ・ベース間を短絡し、トランジスタQ51を非導通状
態に維持する。
【0024】出力側の負荷が大きいとノードn2の電圧
が急速に低下する。ノードn2の低下により、ダイオー
ドD50が非導通状態に遷移し、トランジスタQ52は
導通状態に遷移する。図1の従来例では、このトランジ
スタQ52の導通に応答して電流供給トランジスタQ5
1も導通状態に遷移するが、図5の実施の形態例では、
トランジスタQ57の導通によりトランジスタQ52か
らの電流は、このトランジスタQ57を介して流れて、
電流供給用トランジスタQ51は非導通状態に維持され
る。
【0025】遮断回路10のトランジスタQ57の非導
通状態は、コンデンサC52が充電されてノードn10
が入力電圧Vin近くに上昇するまで維持される。ノード
n10の電圧が十分上昇すると、トランジスタQ57の
エミッタ・ベース間電圧が不十分になり、非導通にな
る。その結果、既に導通状態にあるトランジスタQ52
からの電流が、電流供給用トランジスタQ51のベース
電流として供給され、そのトランジスタQ51が導通す
る。これに伴い、ノードn3が上昇する。その後の動作
は、図1と同じである。
【0026】このように、出力側の負荷が大きくて、ノ
ードn2の低下が速くなっても、電流供給用トランジス
タQ51の導通開始時期は、遮断回路10のコンデンサ
C52の充電時間より早まることはない。この充電が完
了するまで短絡用トランジスタQ57が導通状態を継続
して、トランジスタQ51の導通時期が早まるのを防止
するからである。図6の動作波形図では、トランジスタ
Q51がオフの期間が、図2の場合よりも長くなってい
る。
【0027】図5のコンバータ回路では、出力負荷が小
さくて、ノードn2の電圧低下が遅い場合は、遮断回路
10の遮断期間が先に完了する。その場合は、図1と同
様に、ノードn2の電圧低下により、ダイオードD50
が非導通、トランジスタQ52が導通状態に遷移した時
点で、電流供給用トランジスタQ51は導通状態に遷移
する。つまり、図5のコンバータ回路では、遮断回路1
0を設けたことにより、スイッチング周波数が、所定の
周波数にクランプされ、周波数が高くなりすぎてスイッ
チングロスが増大することが防止される。
【0028】図7は、第2の実施の形態例におけるDC
−DCコンバータ回路の図である。また、図8は、その
動作波形を示す図である。この実施の形態例において
も、遮断回路10が設けられ、出力負荷が大きくて出力
電圧の電圧リップルの傾きが大きくなっても、所定の周
波数以上にスイッチング周波数が大きくなるのを防止し
ている。
【0029】図7のDC−DCコンバータ回路の動作は
次のとおりである。入力電圧Vinが印加されると、ノー
ドn1が上昇し、トランジスタQ52が導通、電流供給
トランジスタQ51も導通する。これに伴い、ノードn
3の電圧が上昇し、トランジスタQ52がより深く導通
する。この時、ノードn3の高い電圧により、抵抗R8
9には所定の電圧が印加され、集積回路IC51のノー
ドn5の電圧は、その抵抗R89の電圧とレファレンス
電圧Vrefとの和になる。
【0030】インダクタンスL51の逆起電力作用によ
り、ノードn2がやや遅れて入力電圧Vin付近まで上昇
すると、その電圧の上昇は、抵抗R64とR65の抵抗
分割によりノードn4の電圧も上昇させる。その結果、
集積回路IC51がカソード電流を発生し、ノードn1
のベース電流が不足し、トランジスタQ52は非導通状
態に遷移する。それに伴い、電流供給用トランジスタQ
51も非導通状態に遷移し、ノードn3は急激に低下す
る。この低下により、抵抗R64には電圧降下がなくな
り、ノードn5の電圧は、レファレンス電圧Vrefのみに
低下する。これにより、カソード電流が増加し、トラン
ジスタQ52はより深く非導通になる。
【0031】インダクタンスL51の逆起電力作用によ
り、ノードn2がやや遅れて低下する。この低下の速度
は、出力負荷の大きさに依存する。それに伴い、ノード
n4の電圧が低下して、集積回路IC51のカソード電
流が減少し、トランジスタQ52は導通状態に遷移す
る。
【0032】しかし、遮断回路10のコンデンサC52
は、ノードn3の低下に伴って充電電流が発生し、それ
に伴って短絡トランジスタQ57が導通状態になって、
電流供給トランジスタQ51の非導通状態を、CR時定
数に依存した所定時間維持する。従って、出力負荷が大
きくて、ノードn2が急激に低下して、トランジスタQ
52が導通状態になっても、その導通電流はトランジス
タQ57を介して流れて、電流供給用トランジスタQ5
1は非導通状態に維持される。やがてコンデンサC52
の充電が終了すると、短絡用トランジスタQ57が非導
通となり、電流供給用トランジスタQ51が導通状態に
遷移する。従って、図8の動作波形図では、トランジス
タQ51の非導通状態の期間が長くなっている。
【0033】トランジスタQ51が導通すると、ノード
n3の電圧が上昇し、集積回路IC51のノードn5の
電圧が上昇し、そのカソード電流が減少して、トランジ
スタQ52がより深く導通する。そして、インダクタン
スL51の逆起電力作用によりやや遅れてノードn2が
上昇すると、ノードn4がノードn5と同等になり、カ
ソード電流が発生し始める。それにより、トランジスタ
Q52が非導通状態に遷移し、電流供給用トランジスタ
Q51も非導通状態に遷移する。それ以降の動作は、上
記した通りである。
【0034】このように、第2の実施の形態例において
も、出力負荷が大きくてノードn2の低下に伴いノード
n4の低下が速くなっても、遮断回路10の充電時間の
間、短絡トランジスタQ57の導通により電流供給用ト
ランジスタQ51の非導通状態が維持される。そのた
め、スイッチング周波数が所定値よりも高くなることが
防止され、スイッチングロスが増大することが防止され
る。
【0035】上記の遮断回路は、他の構成のDC−DC
コンバータにも適用可能である。出力電圧のリップルを
利用した自励式のDC−DCコンバータに適用すること
で、電圧リップルの傾きが大きくなってスイッチング周
波数が高くなりすぎることを防止することができる。
【0036】
【発明の効果】以上、本発明によれば、自励式DC−D
Cコンバータ回路において、スイッチング周波数が高く
なりすぎることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の降圧、非絶縁型の自励式DC−DCコン
バータ回路である。
【図2】図1の自励式DC−DCコンバータの動作波形
図である。
【図3】従来の降圧、非絶縁型の自励式DC−DCコン
バータ回路の別の例である。
【図4】図3の自励式DC−DCコンバータの動作波形
図である。
【図5】第1の実施の形態例におけるDC−DCコンバ
ータ回路の図である。
【図6】図5のDC−DCコンバータ回路の動作波形図
である。
【図7】第2の実施の形態例におけるDC−DCコンバ
ータ回路の図である。
【図8】図7のDC−DCコンバータ回路の動作波形図
である。
【符号の説明】
Q51 電流供給用トランジスタ Q52 制御トランジスタ L51 インダクタンス Vin 入力電圧 Vout 出力電圧 10 遮断回路 Q57 短絡用トランジスタ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流入力電圧を直流出力電圧に変換するD
    C−DCコンバータにおいて、 前記入力電圧が印加される入力端子と前記出力電圧が生
    成される出力端子との間に設けられた電流供給用トラン
    ジスタと、 前記電流供給用トランジスタへのベース電流の供給を制
    御し、前記出力電圧の電圧リップルに応じて導通と非導
    通を繰り返す制御トランジスタと、 前記電流供給用トランジスタが非導通状態になった後、
    前記出力電圧が低下して前記制御トランジスタが導通状
    態になっても、前記電流供給用トランジスタのベース・
    エミッタ間を短絡してその非導通状態を所定時間維持す
    る遮断回路とを有することを特徴とするDC−DCコン
    バータ。
  2. 【請求項2】請求項1において、 更に、電流供給用トランジスタと出力端子との間に設け
    られたインダクタンスを有し、 前記制御トランジスタの導通と非導通とが、当該インダ
    クタンスの前後のノードの電圧によるヒステリシス特性
    により制御され、前記制御トランジスタの導通と非導通
    の周波数が出力負荷の大小に依存することを特徴とする
    DC−DCコンバータ。
  3. 【請求項3】請求項2において、 前記制御トランジスタの導通開始時期が早まるのが、前
    記遮断回路により防止されることを特徴とするDC−D
    Cコンバータ。
  4. 【請求項4】請求項2において、 前記インダクタンスと電流供給用トランジスタとの接続
    側の第1のノードが、帰還抵抗を介して前記制御トラン
    ジスタのベースに接続され、前記インダクタンスの出力
    端子側の第2のノードが、ダイオードを介して前記制御
    トランジスタのエミッタに接続されていることを特徴と
    するDC−DCコンバータ。
  5. 【請求項5】請求項2において、 前記インダクタンスと電流供給用トランジスタとの接続
    側の第1のノードと、前記インダクタンスの出力端子側
    の第2のノードの電圧の上下関係に応じて、前記制御ト
    ランジスタのベースから電流を吸収するスイッチング回
    路を有し、 当該スイッチング回路は、前記第1のノードの低下に遅
    れて前記第2のノードが低下するときに、前記電流の吸
    収を停止して、前記制御トランジスタを導通状態にする
    ことを特徴とするDC−DCコンバータ。
  6. 【請求項6】請求項1において、 前記遮断回路は、前記電流供給用トランジスタが非導通
    状態になってから所定時間、前記電流供給用トランジス
    タのベース・エミッタ間を短絡する短絡トランジスタを
    有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
  7. 【請求項7】請求項4または5において、 前記遮断回路は、前記電流供給用トランジスタが非導通
    状態になり前記第1のノードが低下してから所定時間、
    前記前記電流供給用トランジスタのベース・エミッタ間
    を短絡する短絡トランジスタを有することを特徴とする
    DC−DCコンバータ。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101877533A (zh) * 2010-06-28 2010-11-03 浙江工业大学 双极型晶体管型自激式Zeta变换器
CN101877535A (zh) * 2010-06-28 2010-11-03 浙江工业大学 双极型晶体管型自激式Buck-Boost变换器
JP2017507594A (ja) * 2014-02-07 2017-03-16 クゥアルコム・インコーポレイテッドQualcomm Incorporated 配電網(pdn)調整器

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