JP2010124614A - Switching power supply unit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a switching power supply unit including an overcurrent protecting circuit which can surely limit a switching current and an output current within a safe range with respect to various operation states and reduce a loss in current detection resistance. <P>SOLUTION: The switching power supply unit includes a DC voltage generating circuit 22 outputting a DC voltage for controlling the output current, a current detecting resistor R0 detecting the current flowing in a switching element TR1, and a current limit signal generating circuit 20 limiting the switching current by detecting a current detecting voltage. The current limit signal generating circuit 20 includes an output voltage monitoring circuit 20a generating a first DC voltage to be output in response to a change in output voltage based on a pulse voltage generated in an auxiliary winding T1c. The switching power supply unit further includes a second DC voltage generating means R32 to be changed based on the current controlling DC voltage of the DC voltage generating circuit 22, and a transistor TR32 which outputs a current limiting signal limiting the switching current when the added voltage of the first and second DC voltages is compared with the current detecting voltage and the detected current voltage increases over the added voltages. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、パルス幅変調信号によりスイッチング素子のオン・オフ制御を行って入力電圧を所望の直流電圧に変換するスイッチング電源装置に関し、特に、過電流保護回路を備えたスイッチング電源装置に関する。   The present invention relates to a switching power supply device that converts an input voltage into a desired DC voltage by performing on / off control of a switching element using a pulse width modulation signal, and more particularly to a switching power supply device including an overcurrent protection circuit.

一般的なスイッチング電源装置は、所定の値を超えた出力電流が流れないように、出力電流の供給能力を制限する過電流保護回路が設けられている。これは、出力に接続された負荷である電子機器等が低インピーダンス故障したとき等に、過大な出力電流が流れ続けることによってその電子機器等が発熱・焼損するのを防止するとともに、スイッチング電源装置自体の故障や発熱・焼損を防止することを目的とする。   A general switching power supply device is provided with an overcurrent protection circuit that limits the output current supply capability so that an output current exceeding a predetermined value does not flow. This prevents the electronic device from being heated or burnt down due to the excessive output current flowing when the electronic device that is the load connected to the output has a low impedance failure, etc. Its purpose is to prevent its own failure, heat generation and burning.

従来、過電流保護回路を備えたスイッチング電源装置として、例えば特許文献1に開示されているように、スイッチング素子に流れるスイッチング電流を検出する素子電流検出回路の出力電圧と、過電流保護基準電圧源が生成する過電流保護基準電圧とを比較することによってスイッチング電流のピーク値を制限する過電流保護回路と、変圧器に設けられた第二の一次巻線と、第二の一次巻線電圧を整流平滑し、スイッチング素子がオンの期間に発生する第二の一次巻線の電圧を整流平滑して入力電圧に比例した電圧を出力する入力電圧検出部と、前記入力電圧検出部の出力電圧に基づいて前記過電流保護基準電圧を変動させる可変信号を生成する可変信号生成部とを備え、入力電圧が高くなると、スイッチング電流のピーク値がより小さく制限されるよう、過電流保護基準電圧を補正する動作を行うスイッチング電源装置がある。この構成によれば、高入力電圧時に顕著に発生する過電流保護の遅れ時間によるスイッチング電流のピーク値の増加を防止することができる。   Conventionally, as a switching power supply device provided with an overcurrent protection circuit, for example, as disclosed in Patent Document 1, an output voltage of an element current detection circuit that detects a switching current flowing in a switching element, and an overcurrent protection reference voltage source An overcurrent protection circuit that limits the peak value of the switching current by comparing with the overcurrent protection reference voltage generated by the power supply, a second primary winding provided in the transformer, and a second primary winding voltage. Rectifying and smoothing the voltage of the second primary winding generated during the ON period of the switching element to rectify and smooth and output a voltage proportional to the input voltage, and to the output voltage of the input voltage detection unit And a variable signal generator that generates a variable signal that varies the overcurrent protection reference voltage based on the peak value of the switching current when the input voltage increases. To be limited, there is a switching power supply performs an operation to correct the overcurrent protection reference voltage. According to this configuration, it is possible to prevent an increase in the peak value of the switching current due to a delay time of overcurrent protection that occurs remarkably at a high input voltage.

また、特許文献2に開示されているように、負荷電流の流路に直列に挿入された検出抵抗と、この検出電圧によって順バイアスされるトランジスタと、このトランジスタがオンしたときに出力電圧を低下させて過電流保護を行う制御手段とを備えたDC−DCコンバータであって、負荷電流と無関係に順電流が供給されるダイオードの順電圧降下の少なくとも一部を前記検出抵抗の両端電圧に加えて前記トランジスタを順バイアスするDC−DCコンバータがある。この構成によれば、前記検出抵抗の損失を軽減し、また、前記トランジスタのベース・エミッタ電圧Vbeの温度変動による過電流保護性能の変動を補償することができる。
特開2004−343900号公報 特開平10−174427号公報
Further, as disclosed in Patent Document 2, the detection resistor inserted in series in the flow path of the load current, the transistor forward-biased by the detection voltage, and the output voltage is lowered when the transistor is turned on. And a control means for performing overcurrent protection by adding at least a part of a forward voltage drop of a diode to which a forward current is supplied irrespective of a load current to a voltage across the detection resistor. There is a DC-DC converter for forward-biasing the transistor. According to this configuration, it is possible to reduce the loss of the detection resistor and to compensate for the fluctuation of the overcurrent protection performance due to the temperature fluctuation of the base-emitter voltage Vbe of the transistor.
JP 2004-343900 A JP-A-10-174427

しかし、特許文献1に開示されたスイッチング電源装置の場合、過電流保護基準電圧を外部から補正する手段は1つだけであり、スイッチング電源装置の安全性を確保するためには不十分であった。例えば、スイッチング電流のピーク値を制限する過電流保護方式の場合、通常は、過電流保護動作によってスイッチ素子のオン時間が狭められ出力電圧が低下するが、オン時間が狭くなると、過電流保護の遅れ時間の影響を受けやすくなり、低入力電圧時であっても、スイッチング電流のピーク値を制限しきれず、安全な範囲を越えてしまうおそれがある。従って、入力電圧が変動しても常に安全性を確保するためには、出力電圧の情報に基づいて過電流保護基準電圧を補正することが好ましい場合が多い。また、過電流動作が継続することによって、内部部品の温度がスイッチング電流に起因して上昇し、許容範囲を超えるおそれがある。従って、内部部品の温度情報に基づいて過電流基準電圧を補正する機能を備えることが好ましい場合がある。しかし、特許文献1のスイッチング電源装置は、入力電圧に基づいてのみ過電流保護基準電圧の補正を行うものであり、スイッチング電源装置の様々な動作状態に対する安全性を確保するには必ずしも十分とはいえない。   However, in the case of the switching power supply device disclosed in Patent Document 1, there is only one means for correcting the overcurrent protection reference voltage from the outside, which is insufficient to ensure the safety of the switching power supply device. . For example, in the case of an overcurrent protection method that limits the peak value of the switching current, normally, the on-time of the switch element is reduced by the overcurrent protection operation and the output voltage is lowered. It becomes easy to be affected by the delay time, and even at a low input voltage, the peak value of the switching current cannot be limited and the safe range may be exceeded. Therefore, in order to always ensure safety even when the input voltage fluctuates, it is often preferable to correct the overcurrent protection reference voltage based on the output voltage information. In addition, if the overcurrent operation continues, the temperature of the internal components rises due to the switching current, which may exceed the allowable range. Therefore, it may be preferable to have a function of correcting the overcurrent reference voltage based on the temperature information of the internal components. However, the switching power supply device of Patent Document 1 corrects the overcurrent protection reference voltage only based on the input voltage, and is not necessarily sufficient to ensure safety against various operating states of the switching power supply device. I can't say that.

また、特許文献1のスイッチング電源装置は、素子電流検出回路および過電流保護回路などが1チップに集積されているが、素子電流検出回路の内部構成については詳細に説明されていない。一般的なスイッチング電源装置では、スイッチング電流を高精度に検出するため、例えば、スイッチング素子と直列に電流検出抵抗を挿入し、電流検出抵抗によって素子電流を電圧に変換する素子電流検出回路が用いられる。このような一般的なスイッチング電源装置に特許文献1の過電流保護回路の構成を適用した場合、素子電流を高精度に検出するためには、電流検出抵抗に所定の値以上の大きな電圧降下を生じさせる必要があるため、電流検出抵抗の損失が増加し、検出抵抗が大型化するという問題があった。   In the switching power supply device of Patent Document 1, an element current detection circuit, an overcurrent protection circuit, and the like are integrated on one chip, but the internal configuration of the element current detection circuit is not described in detail. In a general switching power supply device, in order to detect a switching current with high accuracy, for example, an element current detection circuit is used in which a current detection resistor is inserted in series with a switching element and the element current is converted into a voltage by the current detection resistor. . When the configuration of the overcurrent protection circuit of Patent Document 1 is applied to such a general switching power supply device, in order to detect the element current with high accuracy, a large voltage drop of a predetermined value or more is applied to the current detection resistor. Since it must be generated, there is a problem that the loss of the current detection resistor is increased and the detection resistor is increased in size.

一方、特許文献2に開示されたDC−DCコンバータの場合、特許文献1のスイッチング電源装置の課題となる電流検出抵抗の損失を低減する効果を有する反面、出力電圧を低下させるトランジスタがターンオンする閾値、すなわち、電流検出抵抗の検出電圧上限は、ダイオードの順方向電圧の温度変動を利用してトランジスタの動作点を補正するのみである。従って、特許文献1のスイッチング電源装置と同様に、DC−DCコンバータの様々な動作状態に対する安全性を確保するには必ずしも十分ではなかった。   On the other hand, in the case of the DC-DC converter disclosed in Patent Document 2, while having the effect of reducing the loss of the current detection resistor, which is a problem of the switching power supply device of Patent Document 1, the threshold at which the transistor that lowers the output voltage is turned on In other words, the upper limit of the detection voltage of the current detection resistor only corrects the operating point of the transistor using the temperature variation of the forward voltage of the diode. Therefore, like the switching power supply device disclosed in Patent Document 1, it is not always sufficient to ensure safety against various operating states of the DC-DC converter.

また、特許文献2のDC−DCコンバータは、スイッチング素子に流れるスイッチング電流に比べ、比較的緩慢に変動する負荷電流を検知して出力電圧を低下させる方式であるため、例えば、スイッチング電流のピーク値の急増によってスイッチング素子に急峻な電流ストレスが加わっても、それを高速に、かつ高精度に検知することが困難なため、スイッチング素子の破損を防止できない場合があった。   Further, since the DC-DC converter of Patent Document 2 is a method of detecting a load current that fluctuates relatively slowly as compared with the switching current flowing through the switching element and lowering the output voltage, for example, the peak value of the switching current Even if a steep current stress is applied to the switching element due to a rapid increase in the switching element, it is difficult to detect it at a high speed and with high accuracy, so that the switching element may not be damaged.

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、少なくとも出力電圧の情報に基づいて過電流保護基準電圧を補正する手段を備え、スイッチング電源装置の様々な動作状態に対してスイッチング電流及び出力電流を確実に安全な範囲に制限するとともに、電流検出抵抗の損失を低減することが可能な過電流保護回路を備えたスイッチング電源装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described background art, and includes means for correcting an overcurrent protection reference voltage based on at least output voltage information, and includes a switching current and various operating states of the switching power supply device. An object of the present invention is to provide a switching power supply device including an overcurrent protection circuit that can reliably limit the output current to a safe range and reduce the loss of the current detection resistor.

この発明は、所定のスイッチング周波数でパルス幅変調された駆動パルスを出力する駆動パルス生成回路と、この駆動パルス生成回路からの駆動パルスによってオン・オフし、直流の入力電圧を断続して交流電圧を発生させるスイッチング素子と、前記交流電圧が印加される入力巻線及び前記交流電圧を変圧した電圧を出力する出力巻線を備えたトランスと、前記出力巻線から出力される交流電圧を整流平滑して出力電圧を生成し、負荷に出力電流を供給する整流平滑回路とを備えたスイッチング電源装置であって、
前記出力電流の制御に関する所定の目標値であって変更可能な電流制御用直流電圧を出力する直流電圧発生回路と、前記スイッチング素子に流れるスイッチング電流の流路に挿入され、電流検出電圧を発生する電流検出抵抗と、前記電流検出電圧を検知してスイッチング電流を制限するための電流制限信号を出力する電流制限信号生成回路とを備え、前記電流制限信号生成回路は、前記トランスに設けた補助巻線を有し、前記補助巻線に発生するパルス電圧に基づいて前記出力電圧の変化に応じた第一の直流電圧を生成して出力する出力電圧モニタ回路と、前記直流電圧発生回路の電流制御用直流電圧に基づいて可変される第二の直流電圧生成手段と、前記第一及び第二の直流電圧の加算電圧と前記電流検出電圧とを比較し、前記電流検出電圧の方が大きくなると、スイッチング電流を制限するための電流制限信号を出力する比較手段とを備え、前記駆動パルス生成回路は、前記電流制限信号が出力されると前記スイッチング素子を駆動する駆動パルスのオン・デューティが広くなるのを止め若しくは狭くするように動作するスイッチング電源装置である。
The present invention relates to a drive pulse generation circuit that outputs a drive pulse that is pulse-width modulated at a predetermined switching frequency, and is turned on / off by the drive pulse from the drive pulse generation circuit to intermittently connect a DC input voltage to an AC voltage A transformer having an input winding to which the AC voltage is applied, an output winding for outputting a voltage obtained by transforming the AC voltage, and rectifying and smoothing the AC voltage output from the output winding A rectifying / smoothing circuit that generates an output voltage and supplies an output current to a load,
A DC voltage generation circuit that outputs a changeable DC voltage for current control that is a predetermined target value relating to the control of the output current, and a current detection voltage that is inserted into a flow path of a switching current that flows through the switching element. A current detection resistor and a current limit signal generation circuit that outputs a current limit signal for limiting the switching current by detecting the current detection voltage, and the current limit signal generation circuit includes an auxiliary winding provided in the transformer. An output voltage monitor circuit that generates and outputs a first DC voltage corresponding to a change in the output voltage based on a pulse voltage generated in the auxiliary winding, and current control of the DC voltage generation circuit A second DC voltage generating means that is variable based on the DC voltage for use, and the current detection voltage is compared with the addition voltage of the first and second DC voltages and the current detection voltage. A comparator for outputting a current limit signal for limiting the switching current when the current limit signal is larger, and the drive pulse generation circuit outputs a drive pulse for driving the switching element when the current limit signal is output. It is a switching power supply device that operates to stop or narrow the on-duty.

また、前記出力電圧モニタ回路は、その出力端のプラス電位側が前記電流検出抵抗の一端に接続され、前記第二の直流電圧生成手段及び比較手段は、一端が前記直流電圧発生回路の出力に接続された第一の抵抗と、前記第一の抵抗の他端に一端が接続された第二の抵抗と、コレクタ端子が前記第二の抵抗の他端に接続され、ベース端子が前記第一の抵抗と第二の抵抗の中点に接続され、エミッタ端子が前記出力電圧モニタ回路出力端の基準電位側に接続された第一のNPNトランジスタと、ベース端子が前記第一のNPNトランジスタのコレクタに接続され、エミッタ端子が前記電流検出抵抗の他端に接続され、コレクタ端子が前記電流制限信号生成回路の出力である第二のNPNトランジスタとを備え、前記電流検出抵抗は、前記スイッチング素子に電流が流れたときに、前記第二のNPNトランジスタのエミッタ端子の方が前記第一のNPNトランジスタのエミッタ端子よりも低い電位になる方向に前記電流検出電圧を発生する構成としてもよい。   The output voltage monitor circuit has a positive potential side of the output terminal connected to one end of the current detection resistor, and the second DC voltage generating means and the comparing means have one end connected to the output of the DC voltage generating circuit. A first resistor, a second resistor having one end connected to the other end of the first resistor, a collector terminal connected to the other end of the second resistor, and a base terminal being the first resistor A first NPN transistor connected to the middle point of the resistor and the second resistor, an emitter terminal connected to the reference potential side of the output terminal of the output voltage monitor circuit, and a base terminal to the collector of the first NPN transistor And a second NPN transistor whose emitter terminal is connected to the other end of the current detection resistor and whose collector terminal is an output of the current limit signal generation circuit, and the current detection resistor includes the switch The current detection voltage may be generated in a direction in which the emitter terminal of the second NPN transistor is at a lower potential than the emitter terminal of the first NPN transistor when a current flows through the switching element. .

さらに、前記トランス及び前記整流平滑回路は、シングルフォワード方式の電力変換を行う構成を備え、前記出力電圧モニタ回路は、第一のモニタ用抵抗とモニタ用コンデンサとの並列回路と、前記並列回路に直列接続された第二のモニタ用抵抗とで成る積分回路を備え、前記積分回路の入力は、整流用ダイオードを介して前記補助巻線の両端に接続され、前記整流用ダイオードは、前記スイッチング素子がオンの期間に発生する電圧を半波整流する向きに接続され、前記出力電圧モニタ回路の出力は、前記積分回路出力に発生する電圧とした構成としてもよい。   Further, the transformer and the rectifying / smoothing circuit are configured to perform single forward type power conversion, and the output voltage monitor circuit includes a parallel circuit of a first monitor resistor and a monitor capacitor, and the parallel circuit. An integrating circuit composed of a second monitoring resistor connected in series, and the input of the integrating circuit is connected to both ends of the auxiliary winding via a rectifying diode, and the rectifying diode is connected to the switching element. The voltage generated during the ON period is connected in the direction of half-wave rectification, and the output of the output voltage monitor circuit may be a voltage generated at the output of the integrating circuit.

この発明のスイッチング電源装置によれば、少なくとも出力電圧モニタ回路を介して出力電圧情報を抽出し、出力電圧が低くなると、電流制御信号生成回路が動作する閾値を低下させる方向に補正する手段を備え、出力電圧が低下したときのスイッチングの遅延時間の影響を補正するので、スイッチング電源装置及び負荷を確実に保護することができる。さらに、直流電圧発生回路は、入力電圧、環境温度などの任意の信号入力に基づいて、出力電流制御に関する所定の目標値となる電流制御用直流電圧を発生し、電流制御信号生成回路が動作する閾値を補正する動作を行うことができ、スイッチング電源装置の様々な動作状態に対して、過電流保護特性の最適化を図ることができる。   According to the switching power supply device of the present invention, there is provided means for extracting the output voltage information through at least the output voltage monitor circuit, and correcting the threshold value for operating the current control signal generation circuit so as to decrease when the output voltage becomes low. Since the influence of the switching delay time when the output voltage decreases is corrected, the switching power supply device and the load can be reliably protected. Further, the DC voltage generation circuit generates a DC voltage for current control that becomes a predetermined target value related to output current control based on an arbitrary signal input such as input voltage and environmental temperature, and the current control signal generation circuit operates. The operation for correcting the threshold can be performed, and the overcurrent protection characteristic can be optimized for various operation states of the switching power supply device.

以下、この発明のスイッチング電源装置の一実施形態について、図1から図5に基づいて説明する。まず、回路全体の概略の構成を、図1に示す回路図に基づいて説明する。スイッチング電源装置10は、直流の入力電源Einと直列にトランスT1の入力巻線T1aとスイッチング素子TR1の直列回路が接続されている。トランスT1の2次側には、出力巻線T1bが設けられ、その両端には、交流電圧を整流平滑して出力電圧Voutを生成する整流平滑回路12が接続され、出力電圧Vout端子が、負荷14に接続されている。出力電圧Vout端子には、出力電圧Voutと所定の基準電圧Vrefとの差分を増幅した出力電圧制御信号V(vol)を出力する反転増幅器から成る誤差増幅回路16に接続されている。さらに誤差増幅回路16から出力された出力電圧制御電圧V(vol)に基づいてパルス幅変調を行い、スイッチング素子TR1の駆動端子に向けて駆動パルスVgを出力することができる駆動パルス生成回路18を備えている。   Hereinafter, an embodiment of the switching power supply device of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the schematic configuration of the entire circuit will be described based on the circuit diagram shown in FIG. In the switching power supply device 10, a series circuit of an input winding T1a of a transformer T1 and a switching element TR1 is connected in series with a DC input power supply Ein. An output winding T1b is provided on the secondary side of the transformer T1, and a rectifying / smoothing circuit 12 for rectifying and smoothing an AC voltage to generate an output voltage Vout is connected to both ends of the transformer T1, and an output voltage Vout terminal is connected to a load. 14. The output voltage Vout terminal is connected to an error amplification circuit 16 including an inverting amplifier that outputs an output voltage control signal V (vol) obtained by amplifying the difference between the output voltage Vout and a predetermined reference voltage Vref. Further, a drive pulse generation circuit 18 capable of performing pulse width modulation based on the output voltage control voltage V (vol) output from the error amplifier circuit 16 and outputting the drive pulse Vg toward the drive terminal of the switching element TR1 is provided. I have.

スイッチング素子TR1のソース端子と入力電源Einのマイナス端子間には電流検出抵抗R0が挿入され、電流検出抵抗R0に流れるスイッチング電流Iswに応じた電圧V(R0)がその両端に発生する。そして電流検出抵抗R0の両端は、後述する過電流保護回路を構成する電流制限信号生成回路20に接続されている。   A current detection resistor R0 is inserted between the source terminal of the switching element TR1 and the negative terminal of the input power supply Ein, and a voltage V (R0) corresponding to the switching current Isw flowing through the current detection resistor R0 is generated at both ends thereof. Both ends of the current detection resistor R0 are connected to a current limit signal generation circuit 20 that constitutes an overcurrent protection circuit described later.

また、スイッチング素子TR1のソース端子を基準電位として過電流保護回路を構成する直流電圧発生回路22が設けられている。直流電圧発生回路22は、スイッチング電流Iswを制限するための電流制御用直流電圧Vcを発生させ、後段の電流制限信号生成回路20に入力する。この電流制御用直流電圧Vcは、外部から所定の可変信号を受け、その可変信号に基づいて調整することができる。   In addition, a DC voltage generation circuit 22 constituting an overcurrent protection circuit is provided with the source terminal of the switching element TR1 as a reference potential. The DC voltage generation circuit 22 generates a current control DC voltage Vc for limiting the switching current Isw and inputs the current control DC voltage Vc to the subsequent current limit signal generation circuit 20. The current control DC voltage Vc can be adjusted based on a variable signal received from outside.

電流制御用直流電圧Vcが入力される電流制限信号生成回路20は、さらに出力電圧モニタ回路20aを備えている。出力電圧モニタ回路20aは、トランスT1に設けられた補助巻線T1cと、補助巻線T1cに発生する電圧を整流用ダイオードD21と、抵抗及びコンデンサで構成された積分回路を介して、出力電圧Voutに略比例した電圧を生成し、第一の直流電圧である電圧V(C21)として出力する。   The current limit signal generation circuit 20 to which the current control DC voltage Vc is input further includes an output voltage monitor circuit 20a. The output voltage monitor circuit 20a outputs an output voltage Vout through an auxiliary winding T1c provided in the transformer T1 and an voltage generated in the auxiliary winding T1c via an rectifying diode D21, an integration circuit composed of a resistor and a capacitor. Is generated and output as a voltage V (C21) which is a first DC voltage.

また、電流制限信号生成回路20は、出力電圧モニタ回路20aの他に、複数のトランジスタと抵抗で構成された回路を備え、電流制御用直流電圧Vcに依存する第二の直流電圧である電圧V(R32)を生成すると共に、上記電圧V(C21)と電圧V(R32)の加算電圧と電流検出抵抗R0の電圧V(R0)とを比較し、電圧V(R0)が上記加算電圧を超えようとすると、スイッチング電流を制限するための電流制限信号V(cur)を出力する機能を備えている。   In addition to the output voltage monitor circuit 20a, the current limit signal generation circuit 20 includes a circuit composed of a plurality of transistors and resistors, and a voltage V that is a second DC voltage depending on the current control DC voltage Vc. (R32) is generated, and the added voltage of the voltage V (C21) and the voltage V (R32) is compared with the voltage V (R0) of the current detection resistor R0, and the voltage V (R0) exceeds the added voltage. If it is going to be, it has the function to output the current limiting signal V (cur) for limiting a switching current.

駆動パルス生成回路18は、電流制限信号V(cur)が入力されると、先に述べた電圧制御信号V(vol)によるパルス幅変調から、電流制限信号V(cur)によるパルス幅変調に動作モードが切り替わり、スイッチング素子TR1の駆動パルスVgを出力する機能を備えている。   When the current limit signal V (cur) is input, the drive pulse generation circuit 18 operates from pulse width modulation using the voltage control signal V (vol) described above to pulse width modulation using the current limit signal V (cur). The mode is switched and a function of outputting the drive pulse Vg of the switching element TR1 is provided.

次に、スイッチング電源装置10の個々の回路ブロックごとに詳細な構成と動作を説明する。スイッチング素子TR1、トランスT1及び整流平滑回路12で構成されるインバータ回路は、図1に示すように、入力電源Einと直列にトランスT1の1次側巻線T1aとスイッチング素子TR1が接続され、スイッチング素子TR1のオン・オフ動作によってトランスT1の2次側巻線T1bに交流電圧V2を発生させる。なお、トランスT1の各巻線の極性等は、周知のシングルフォワード方式に構成されている。   Next, the detailed configuration and operation of each circuit block of the switching power supply device 10 will be described. As shown in FIG. 1, the inverter circuit composed of the switching element TR1, the transformer T1, and the rectifying / smoothing circuit 12 has a primary winding T1a of the transformer T1 and the switching element TR1 connected in series with the input power source Ein. The AC voltage V2 is generated in the secondary winding T1b of the transformer T1 by the on / off operation of the element TR1. The polarity of each winding of the transformer T1 is configured in a well-known single forward system.

トランスT1の2次側巻線T1bには、整流平滑回路12が接続されている。整流平滑回路12は、スイッチング素子TR1がオンのときに導通してパルス電流を流すフォワード側整流素子TR2と、フォワード側整流素子TR2と相補的にオン・オフするフライホイール側整流素子TR3と、スイッチ素子TR1のオン・オフ動作に同期をとって各整流素子TR2,TR3を駆動する同期整流駆動回路12aとが整流機能を担い、チョークコイルLoとコンデンサCoが平滑機能を担っている。すなわち、整流平滑回路12は、2次側巻線T1bに誘起された電圧を整流平滑し、コンデンサCoの両端に出力電圧Voutを出力動作を行う。そして、コンデンサCoの両端には、負荷14が接続され、出力電圧Vout及び出力電流Ioutが供給される。   A rectifying / smoothing circuit 12 is connected to the secondary winding T1b of the transformer T1. The rectifying / smoothing circuit 12 includes a forward-side rectifying element TR2 that conducts a pulse current when the switching element TR1 is on, a flywheel-side rectifying element TR3 that is turned on / off complementarily with the forward-side rectifying element TR2, The synchronous rectification driving circuit 12a that drives the rectifying elements TR2 and TR3 in synchronization with the on / off operation of the element TR1 has a rectifying function, and the choke coil Lo and the capacitor Co have a smoothing function. That is, the rectifying / smoothing circuit 12 rectifies and smoothes the voltage induced in the secondary winding T1b, and outputs the output voltage Vout across the capacitor Co. A load 14 is connected to both ends of the capacitor Co, and an output voltage Vout and an output current Iout are supplied.

誤差増幅回路16は、図1に示すように、反転入力端子に出力電圧アナログ信号が入力されるオペアンプOP1と、その非反転入力に接続される所定の基準電圧Vrefと、利得調整及び位相補償のための帰還素子Zfとを備え、出力電圧制御信号V(vol)を出力する反転増幅回路である。従って、出力電圧制御信号V(vol)は、出力電圧と基準電圧Vrefとの差分が増幅されたものであって、出力電圧が基準電圧Vrefよりも高くなると、連続的に低下し、逆の場合には連続的に上昇する。   As shown in FIG. 1, the error amplifying circuit 16 includes an operational amplifier OP1 whose output voltage analog signal is input to its inverting input terminal, a predetermined reference voltage Vref connected to its non-inverting input, gain adjustment and phase compensation. And an inverting amplifier circuit that outputs an output voltage control signal V (vol). Therefore, the output voltage control signal V (vol) is obtained by amplifying the difference between the output voltage and the reference voltage Vref. When the output voltage becomes higher than the reference voltage Vref, the output voltage control signal V (vol) continuously decreases, and vice versa. Will rise continuously.

直流電圧発生回路22は、例えば汎用のデジタルプロセッサ(マイコン)を用いて構成することができ、ここでは、スイッチング素子TR1の温度を検出する図示しない温度検出手段や入出力電圧検出手段等から送られる可変信号を受け、検出温度が所定温度を超える等、検出信号が所定の閾値を跨ぐと、電流制御用直流電圧Vcを変化させる動作を行う。スイッチング素子TR1の温度を検出する場合その温度の変化の速度は、スイッチング素子のスイッチングの1サイクル(例えば、数100kHz程度)に比較して非常に緩慢であるため、直流電圧発生回路22は、上記の可変信号に対する電流制御用直流電圧Vcの高速応答性は必要なく、10kHz程度の低いクロック周波数で動作する汎用デジタルプロセッサを用いて安価に構成することができる。 電流検出抵抗R0は、図1に示すように、スイッチング電流Iswが流れる経路に挿入されている。スイッチング電源装置10において、スイッチング電流Iswは略台形状を繰り返すパルス電流であって、そのピーク値Iswpと出力電流Ioutとの関係は、トランスT1の1次側巻数N1及び2次側巻数N2を用いて表すと、ピーク値Iswp≒(N2/N1)×Ioutとなる。つまり、電流検出抵抗R0に発生する電流検出電圧V(R0)のピーク値は、スイッチングの遅延時間の影響を無視すれば、出力電流Ioutに略比例した値となる。このように、スイッチング電源装置10では、スイッチング電流Iswを電流検出抵抗R0を介して観測することによって、出力電流Ioutを検出している。なお、出力電流Ioutが流れたとき、電流検出電圧V(R0)は、スイッチング素子TR1のソース端子に接続された側が高電位になる向きに発生する。   The DC voltage generation circuit 22 can be configured using, for example, a general-purpose digital processor (microcomputer), and here, is sent from a temperature detection means (not shown), an input / output voltage detection means, or the like that detects the temperature of the switching element TR1. When the detection signal crosses a predetermined threshold, such as when the variable signal is received and the detection temperature exceeds a predetermined temperature, an operation of changing the current control DC voltage Vc is performed. When the temperature of the switching element TR1 is detected, the rate of change in the temperature is very slow compared with one cycle of switching of the switching element (for example, about several hundred kHz). High-speed response of the current control DC voltage Vc to the variable signal is not necessary, and can be configured inexpensively using a general-purpose digital processor that operates at a clock frequency as low as about 10 kHz. As shown in FIG. 1, the current detection resistor R0 is inserted in a path through which the switching current Isw flows. In the switching power supply device 10, the switching current Isw is a pulse current that repeats a substantially trapezoidal shape, and the relationship between the peak value Iswp and the output current Iout uses the primary winding number N1 and the secondary winding number N2 of the transformer T1. In this case, the peak value Iswp≈ (N2 / N1) × Iout. That is, the peak value of the current detection voltage V (R0) generated in the current detection resistor R0 is substantially proportional to the output current Iout if the influence of the switching delay time is ignored. As described above, the switching power supply device 10 detects the output current Iout by observing the switching current Isw via the current detection resistor R0. When the output current Iout flows, the current detection voltage V (R0) is generated in a direction in which the side connected to the source terminal of the switching element TR1 becomes a high potential.

電流制限信号生成回路20が有する出力電圧モニタ回路20aは、第一のモニタ用抵抗である抵抗R21とモニタ用コンデンサであるコンデンサC21と並列回路と、その並列回路に直列接続された第二のモニタ用抵抗である抵抗R22とで成る積分回路を備え、この積分回路の入力は、整流用のダイオードD21を介して補助巻線T1cの両端に接続されている。ダイオードD21はスイッチング素子TR1がオンの期間に発生する補助巻線T1cの電圧を整流することが可能な向きに取り付けられている。そして、この積分回路の出力であるコンデンサC21の両端の電圧V(C21)が電圧モニタ回路20aの出力電圧となる。   The output voltage monitor circuit 20a included in the current limit signal generation circuit 20 includes a resistor R21 that is a first monitor resistor, a capacitor C21 that is a monitor capacitor, a parallel circuit, and a second monitor that is connected in series to the parallel circuit. And an input of the integrating circuit is connected to both ends of the auxiliary winding T1c via a rectifying diode D21. The diode D21 is attached in a direction capable of rectifying the voltage of the auxiliary winding T1c generated while the switching element TR1 is on. The voltage V (C21) across the capacitor C21, which is the output of this integration circuit, becomes the output voltage of the voltage monitor circuit 20a.

出力電圧モニタ回路20aは、次のように動作する。まず、整流用ダイオードD21は補助巻線T1cに発生する電圧V3の矩形波状の交流波形を半波整流する。スイッチング素子TR1がオンの期間に補助巻線T1cに発生する電圧は、図1における補助巻線T1cのドット側を高電位側とする電圧Vin・(N3/N1)であり、スイッチング周期Tの中でスイッチング素子TR1のオン時間Tonの期間だけ継続する。ここで、N1はトランスT1の入力巻線T1aの巻数、N3は出力巻線T1cの巻数である。一方、オン時間Ton以外の期間は、ドット側を低電位側とする電圧が発生する。従って、上記のように半波整流された波形をR21,R22,C21から成る積分回路を通すと、ほぼ、以下の式(1)で表される電圧V(C21)を出力する。

Figure 2010124614
The output voltage monitor circuit 20a operates as follows. First, the rectifying diode D21 performs half-wave rectification on the rectangular waveform AC waveform of the voltage V3 generated in the auxiliary winding T1c. The voltage generated in the auxiliary winding T1c during the period when the switching element TR1 is on is a voltage Vin · (N3 / N1) with the dot side of the auxiliary winding T1c in FIG. Thus, the switching element TR1 continues for the duration of the on-time Ton. Here, N1 is the number of turns of the input winding T1a of the transformer T1, and N3 is the number of turns of the output winding T1c. On the other hand, during the period other than the on-time Ton, a voltage is generated with the dot side at the low potential side. Accordingly, when the half-wave rectified waveform as described above is passed through the integrating circuit composed of R21, R22, and C21, a voltage V (C21) represented by the following expression (1) is substantially output.
Figure 2010124614

さらに、電流制限信号生成回路20は、直流電圧発生回路22の出力に一端が接続された抵抗R31と、一端が抵抗R31の他の一端に接続された抵抗R32と、コレクタ端子が抵抗R32の他の一端に接続され、エミッタ端子が出力電圧モニタ回路20aの出力端であるコンデンサC21の基準電位側の一端に接続されたトランジスタTR31を備え、トランジスタTR31のベース端子は、抵抗R31と抵抗R32の中点の接続されている。さらに、ベース端子がトランジスタTR31のコレクタ端子に接続され、エミッタ端子が電流検出抵抗R0の入力電源Einのマイナス端子側に接続されたトランジスタTR32が設けられ、そのコレクタ端子はオープン・コレクタとして電流制限信号生成回路20の出力を構成している。なお、トランジスタTR31,TR32は、NPNトランジスタである。   Further, the current limit signal generation circuit 20 includes a resistor R31 having one end connected to the output of the DC voltage generation circuit 22, a resistor R32 having one end connected to the other end of the resistor R31, and a collector terminal other than the resistor R32. Is connected to one end of the capacitor C21, which is the output end of the output voltage monitor circuit 20a, and the base terminal of the transistor TR31 is a resistor R31 and a resistor R32. The point is connected. Further, a transistor TR32 having a base terminal connected to the collector terminal of the transistor TR31 and an emitter terminal connected to the negative terminal side of the input power source Ein of the current detection resistor R0 is provided. The output of the generation circuit 20 is configured. Transistors TR31 and TR32 are NPN transistors.

次に、電流制限信号生成回路20全体の動作について、図2に基づいて説明する。トランジスタTR31は能動状態で動作しており、ベース・エミッタ間には、ベース・エミッタ間電流によって発生する電圧VBE1が発生している。   Next, the overall operation of the current limit signal generation circuit 20 will be described with reference to FIG. The transistor TR31 operates in an active state, and a voltage VBE1 generated by a base-emitter current is generated between the base and the emitter.

ここで、トランジスタTR31,TR32のベース・エミッタ間電流によって発生する電圧VBE1とVBE2が同じ特性を示し、トランジスタTR31とトランジスタTR32がオンできる電圧が等しくVBEであるとした場合、電流検出電圧V(R0)が電圧V(R32)+V(C21)と等しい値になったときに、Vbe2=VBEとなり、トランジスタTR32がオンすることができる。例えば、スイッチング電流Isw=0のとき、トランジスタTR32のベース・エミッタ間に印加されている電圧Vbe2は、ベース・エミッタ間の電圧VBEよりも低いため、オンできない。しかし、スイッチング電流Iswが増加し、電流検出電圧V(R0)が電圧V(R32)と電圧V(C21)の加算電圧に達すると、トランジスタTR32のベース・エミッタ間に印加されている電圧Vbe2は、TR32がオンできるベース・エミッタ間の電圧VBEに達し、オンすることができる。   Here, when the voltages VBE1 and VBE2 generated by the base-emitter currents of the transistors TR31 and TR32 exhibit the same characteristics, and the voltages at which the transistors TR31 and TR32 can be turned on are equal to VBE, the current detection voltage V (R0 ) Becomes equal to the voltage V (R32) + V (C21), Vbe2 = VBE, and the transistor TR32 can be turned on. For example, when the switching current Isw = 0, the voltage Vbe2 applied between the base and the emitter of the transistor TR32 cannot be turned on because it is lower than the voltage VBE between the base and the emitter. However, when the switching current Isw increases and the current detection voltage V (R0) reaches the sum of the voltage V (R32) and the voltage V (C21), the voltage Vbe2 applied between the base and emitter of the transistor TR32 is , TR32 reaches the base-emitter voltage VBE which can be turned on, and can be turned on.

従って、電流制限信号生成回路20は、直流電圧発生回路22から供給される電流制御用直流電圧Vcで定まる電圧V(R32)と出力電圧モニタ回路20aが出力する電圧V(C21)との加算電圧と、電流検出電圧V(R0)とを、トランジスタTR31,TR32がオンするときのベース・エミッタ間電圧VBEを介して比較する。そして、電流検出電圧V(R0)の方が低いとき、すなわち、スイッチング電流Iswおよび出力電流Ioutが小さいときは、トランジスタTR32のコレクタ端子はハイレベルを出力する。逆に、電流検出電圧V(R0)が上記加算電圧に達したとき、すなわち、スイッチング電流Iswおよび出力電流Ioutが所定の値を超えようとすると、ローレベルを出力する。   Therefore, the current limit signal generation circuit 20 adds the voltage V (R32) determined by the current control DC voltage Vc supplied from the DC voltage generation circuit 22 and the voltage V (C21) output from the output voltage monitor circuit 20a. Is compared with the current detection voltage V (R0) via the base-emitter voltage VBE when the transistors TR31 and TR32 are turned on. When the current detection voltage V (R0) is lower, that is, when the switching current Isw and the output current Iout are smaller, the collector terminal of the transistor TR32 outputs a high level. Conversely, when the current detection voltage V (R0) reaches the addition voltage, that is, when the switching current Isw and the output current Iout are about to exceed predetermined values, a low level is output.

直流電圧発生回路22は、スイッチング素子TR1の温度が所定温度を超えると、電圧V(R32)と電圧V(C21)の加算電圧を減少させるように電流制御用直流電圧Vcを変化させる動作を行う。電流制御用直流電圧Vcが低下すると電圧V(R32)は減少するため、比較的小さなスイッチング電流IswでトランジスタTR32がオンできるようになる。また、出力電圧モニタ回路20aは、出力電圧Voutが低くなると、電圧V(C21)を低下させる動作を行う。従って、比較的小さなスイッチング電流IswでトランジスタTR32がオンできるようになる。以下、説明の便宜のため、電圧V(R32)と電圧V(C21)の加算電圧を過電流保護閾値Vrと称す。   When the temperature of the switching element TR1 exceeds a predetermined temperature, the DC voltage generation circuit 22 performs an operation of changing the current control DC voltage Vc so as to decrease the added voltage of the voltage V (R32) and the voltage V (C21). . When the current control DC voltage Vc decreases, the voltage V (R32) decreases, so that the transistor TR32 can be turned on with a relatively small switching current Isw. Further, the output voltage monitor circuit 20a performs an operation of reducing the voltage V (C21) when the output voltage Vout is lowered. Accordingly, the transistor TR32 can be turned on with a relatively small switching current Isw. Hereinafter, for convenience of explanation, an added voltage of the voltage V (R32) and the voltage V (C21) is referred to as an overcurrent protection threshold Vr.

駆動パルス生成回路18は、図3に示すように、のこぎり波電圧V(osc)を生成するのこぎり波発生回路18bと、のこぎり波電圧V(osc)が反転端子に入力され、誤差増幅回路16の出力である端子a1から入力された出力電圧制御信号V(vol)が非反転端子に入力される比較器CP11とを備えている。さらに、比較器CP11の出力信号と、端子a2から入力される電流制御信号V(cur)とが入力されるナンド回路NAND11と、ナンド回路NAND11の出力信号がリセット端子Rに入力され、発信器OS11が発生するトリガ信号がセット端子Sに入力され、出力端子Qが駆動パルス生成回路18の端子a0に接続された周知のセット・リセット・フリップ・フロップFF11(以下、RS−FF11という)とで構成する信号選択回路18aを備えている。そして、RS−FF11の出力端子Qが出力する信号は、スイッチング素子TR1を駆動する駆動パルスVgとなり、端子a0を介してスイッチング素子TR1の駆動端子であるゲートに入力される。   As shown in FIG. 3, the drive pulse generation circuit 18 has a sawtooth wave generation circuit 18 b that generates a sawtooth wave voltage V (osc) and a sawtooth wave voltage V (osc) input to an inverting terminal. And an output voltage control signal V (vol) input from the terminal a1, which is an output, and a comparator CP11 input to the non-inverting terminal. Furthermore, the NAND circuit NAND11 to which the output signal of the comparator CP11 and the current control signal V (cur) input from the terminal a2 are input, and the output signal of the NAND circuit NAND11 are input to the reset terminal R, and the oscillator OS11. Is formed by a known set-reset-flip-flop FF11 (hereinafter referred to as RS-FF11) having an output terminal Q connected to a terminal a0 of the drive pulse generating circuit 18 The signal selection circuit 18a is provided. The signal output from the output terminal Q of the RS-FF 11 becomes a driving pulse Vg for driving the switching element TR1, and is input to the gate which is the driving terminal of the switching element TR1 via the terminal a0.

のこぎり波発生回路18bは、電圧一定の直流電源Vcc11と、一端が直流電源Vcc11に接続された充電抵抗R11と、その充電抵抗R11の他の一端とグランド間に接続されたタイマーコンデンサC11と、タイマーコンデンサC11の両端に接続されたリセット素子S11と、リセット素子S11を制御する発振器OS11とを備えており、タイマーコンデンサC11の両端に発生する電圧V(osc)が出力される。   The sawtooth wave generation circuit 18b includes a constant voltage DC power source Vcc11, a charging resistor R11 having one end connected to the DC power source Vcc11, a timer capacitor C11 connected between the other end of the charging resistor R11 and the ground, and a timer. A reset element S11 connected to both ends of the capacitor C11 and an oscillator OS11 for controlling the reset element S11 are provided, and a voltage V (osc) generated at both ends of the timer capacitor C11 is output.

発振器OS11は、インパルス状のトリガパルスを発生する。このトリガパルスは周期一定の繰り返しパルスであって、スイッチング素子TR1のスイッチング周波数と、スイッチング素子TR1のターンオンのタイミングを決定するものである。また、リセット素子S11は、トリガパルスが入力されるとタイマーコンデンサC11の両端を短絡し、瞬時に開放状態となり、次のトリガパルスが入力されるまではその開放状態を継続する働きをする。   The oscillator OS11 generates an impulse trigger pulse. The trigger pulse is a repetitive pulse having a constant period, and determines the switching frequency of the switching element TR1 and the turn-on timing of the switching element TR1. Further, the reset element S11 short-circuits both ends of the timer capacitor C11 when a trigger pulse is input, and is instantaneously opened, and continues to be open until the next trigger pulse is input.

このように構成された駆動パルス生成回路18は、以下のように動作する。まず、のこぎり波発生回路18bは、発振器OS11からトリガパルスが入力され、リセット素子S11がタイマーコンデンサC11の両端を短絡し、電荷が放電されてV(osc)≒0となる。さらに、リセット素子S11は瞬時に開放状態となり、直流電源Vcc11から充電抵抗R11を介して供給される充電電流によってタイマーコンデンサC11が充電され、V(osc)が上昇する。このとき、充電抵抗R11とタイマーコンデンサC11の直列回路が有する時定数はトリガパルスの周期に比べて十分大きな値に設定されているので、V(osc)は、ほぼ一定の傾きをもって直線的に上昇する。その後、次のトリガパルスが入力されるとリセット素子S11が短絡し、上記の動作を繰り返す。このような動作によって、タイマーコンデンサC11の両端にのこぎり波電圧V(osc)を発生させている。   The drive pulse generation circuit 18 configured as described above operates as follows. First, the sawtooth wave generation circuit 18b receives a trigger pulse from the oscillator OS11, the reset element S11 short-circuits both ends of the timer capacitor C11, and the electric charge is discharged to V (osc) ≈0. Further, the reset element S11 is instantaneously opened, the timer capacitor C11 is charged by the charging current supplied from the DC power supply Vcc11 via the charging resistor R11, and V (osc) increases. At this time, the time constant of the series circuit of the charging resistor R11 and the timer capacitor C11 is set to a sufficiently large value as compared with the period of the trigger pulse, so V (osc) increases linearly with a substantially constant slope. To do. Thereafter, when the next trigger pulse is input, the reset element S11 is short-circuited and the above operation is repeated. By such an operation, the sawtooth voltage V (osc) is generated at both ends of the timer capacitor C11.

比較器CP11は、出力電圧制御信号V(vol)がのこぎり波電圧V(osc)よりも高い場合にはハイレベルを、逆の場合にはローレベルを出力する。ナンド回路NAND11の一方の入力端子には、端子a2から入力された電流制限信号V(cur)が入力され、他方の入力端子に比較器CP11の出力信号が入力されている。これにより、比較器CP11からの信号がローレベル、又は電流制限信号V(cur)のいずれか一方がローレベルになると、ナンド回路NAND11の出力がハイレベルとなる。RS−FF11は、セット端子Sに入力される発振器OS11のインパルス状のトリガパルスにより、出力端子Qの出力がハイレベルとなり、リセット端子Rにナンド回路NAND11からハイレベル信号が入力されことによって、出力端子Qの出力がローレベルに反転する。RS−FF11の出力端子Qから出力される信号は、スイッチング素子TR1の駆動端子に入力される駆動パルスVgである。すなわち、出力端子Qがハイレベルを出力している期間はスイッチング素子TR1をオンし、ローレベルを出力している期間はスイッチング素子TR1をオフする動作を行う。   The comparator CP11 outputs a high level when the output voltage control signal V (vol) is higher than the sawtooth voltage V (osc), and outputs a low level in the opposite case. The current limiting signal V (cur) input from the terminal a2 is input to one input terminal of the NAND circuit NAND11, and the output signal of the comparator CP11 is input to the other input terminal. As a result, when the signal from the comparator CP11 is at a low level or one of the current limit signals V (cur) is at a low level, the output of the NAND circuit NAND11 becomes a high level. The output of the output terminal Q becomes high level by the impulse-like trigger pulse of the oscillator OS11 input to the set terminal S, and the RS-FF 11 is output when a high level signal is input from the NAND circuit NAND11 to the reset terminal R. The output of terminal Q is inverted to low level. A signal output from the output terminal Q of the RS-FF 11 is a drive pulse Vg input to the drive terminal of the switching element TR1. That is, the switching element TR1 is turned on while the output terminal Q is outputting a high level, and the switching element TR1 is turned off while the output terminal Q is outputting a low level.

次に、上記のように構成されたスイッチング電源10の一連の動作を、図4、図5に基づいて説明する。図4のタイムチャートにおける期間1は、図5に示す出力電圧Vout−出力電流Iout特性の出力電圧Voutが一定に推移する領域内で動作している期間である。この期間1では、スイッチング電流Iswは小さな値であり、電流検出電圧V(R0)は過電流保護閾値Vrに達していないため、電流制限信号生成回路20が出力する電流制限信号V(cur)はハイレベルを維持し、駆動パルス生成回路18のナンド回路NAND11の一方の入力端子には、継続的にハイレベルの信号が入力している。従って、RS−FF11の出力端子Qに発生する駆動パルスVgは、比較器CP11の出力信号と同一のロジックとなり、図4のタイムチャートに示すように、駆動パルスVgは、もっぱら誤差増幅回路16が出力する出力電圧制御信号V(vol)に基づいてパルス幅制御されている。   Next, a series of operations of the switching power supply 10 configured as described above will be described with reference to FIGS. Period 1 in the time chart of FIG. 4 is a period during which the output voltage Vout of the output voltage Vout-output current Iout characteristic shown in FIG. In this period 1, since the switching current Isw is a small value and the current detection voltage V (R0) has not reached the overcurrent protection threshold Vr, the current limit signal V (cur) output from the current limit signal generation circuit 20 is The high level is maintained, and a high level signal is continuously input to one input terminal of the NAND circuit NAND11 of the drive pulse generation circuit 18. Accordingly, the drive pulse Vg generated at the output terminal Q of the RS-FF 11 has the same logic as the output signal of the comparator CP11, and the drive pulse Vg is exclusively generated by the error amplification circuit 16 as shown in the time chart of FIG. The pulse width is controlled based on the output voltage control signal V (vol) to be output.

このように、スイッチング電源10は、出力電圧Voutが誤差増幅回路16内の基準電圧Vrefと等しくなるようスイッチング素子TR1の駆動パルスVgのオン時間Tonが決定され、出力電圧Voutが制御される。出力電圧Voutは、ほぼ、式(2)のように表すことができる。

Figure 2010124614
Thus, the switching power supply 10 determines the on-time Ton of the drive pulse Vg of the switching element TR1 so that the output voltage Vout becomes equal to the reference voltage Vref in the error amplifier circuit 16, and the output voltage Vout is controlled. The output voltage Vout can be approximately expressed as in Expression (2).
Figure 2010124614

ここで、N1:入力巻線T1aの巻数、N2:出力巻線T1bの巻数、T:スイッチング周期、Ton:スイッチング素子TR1のオン時間である。   Here, N1: the number of turns of the input winding T1a, N2: the number of turns of the output winding T1b, T: the switching period, and Ton: the ON time of the switching element TR1.

なお、式(2)と上述の式(1)より、出力電圧モニタ回路20aの出力電圧V(C21)と出力電圧Voutは、ほぼ比例関係を有することが分かる。   Note that it can be seen from the equation (2) and the above equation (1) that the output voltage V (C21) of the output voltage monitor circuit 20a and the output voltage Vout have a substantially proportional relationship.

期間2は、例えば負荷の電子機器が低インピーダンスに故障し、出力電流Ioutが増加したことにより過電流保護回路が動作し、スイッチング電流Iswが所定の電流値を超えないよう制限されている状態である。   Period 2 is a state in which, for example, the load electronic device has a low impedance failure, the output current Iout increases, the overcurrent protection circuit operates, and the switching current Isw is limited so as not to exceed a predetermined current value. is there.

誤差増幅回路16は、出力電圧Voutが所定の基準電圧Vrefより低いので、出力電圧制御信号V(vol)を上昇させる。やがて、出力電圧制御信号V(vol)がのこぎり波電圧V(osc)よりも高くなると、比較器CP11の出力は常時ローレベルとなり、出力電圧制御信号V(vol)に基づくパルス幅変調は行うことができない状態になる。   The error amplification circuit 16 raises the output voltage control signal V (vol) because the output voltage Vout is lower than the predetermined reference voltage Vref. Eventually, when the output voltage control signal V (vol) becomes higher than the sawtooth voltage V (osc), the output of the comparator CP11 always becomes low level, and pulse width modulation based on the output voltage control signal V (vol) is performed. It becomes a state that can not be.

一方、スイッチング電流Iswの増大により、電流検出抵抗R0に発生する電流検出電圧V(R0)が増大して過電流保護閾値Vrに達し、電流制限信号V(cur)がローレベルになる。すると、駆動パルス生成回路18のナンド回路NAND11の入力がローレベルになり、ナンド回路NAND11の出力がローレベルからハイレベルになる。これにより、電流制限信号V(cur)がハイレベルからローレベルに反転するタイミングで、ナンド回路NAND11からリセット端子Rにリセット信号が出力される。そして、RS−FF11の出力端子Qが発生させる駆動パルスVgは、そのリセット信号が入力されたタイミングで、ハイレベルからローレベルに反転し、スイッチング素子TR1をオフさせる。さらに、RS−FF11は、セット端子Sに次のセット信号が入力されるまで、出力端子Qの状態を保持する。従って、出力端子Qがローレベルになってスイッチング素子TR1がオフすると、スイッチング電流Iswが流れなくなって電流制限信号V(cur)がハイレベルに反転するが、次の周期に移るまでの間、出力端子Qの状態(ローレベル)は保持され、スイッチングTR1はオフ状態を維持する。以上の動作によって、出力電流Ioutは過電流設定値を超えないよう制限され、同時に、スイッチング素子TR1のオン時間Tonが短くなるので、式(2)に従って、出力電圧Voutが低下する。   On the other hand, as the switching current Isw increases, the current detection voltage V (R0) generated in the current detection resistor R0 increases to reach the overcurrent protection threshold Vr, and the current limit signal V (cur) becomes low level. Then, the input of the NAND circuit NAND11 of the drive pulse generation circuit 18 becomes low level, and the output of the NAND circuit NAND11 changes from low level to high level. Accordingly, a reset signal is output from the NAND circuit NAND11 to the reset terminal R at the timing when the current limit signal V (cur) is inverted from the high level to the low level. The drive pulse Vg generated by the output terminal Q of the RS-FF 11 is inverted from the high level to the low level at the timing when the reset signal is input, thereby turning off the switching element TR1. Further, the RS-FF 11 holds the state of the output terminal Q until the next set signal is input to the set terminal S. Therefore, when the output terminal Q becomes low level and the switching element TR1 is turned off, the switching current Isw does not flow and the current limit signal V (cur) is inverted to high level, but the output is continued until the next period starts. The state (low level) of the terminal Q is maintained, and the switching TR1 maintains the off state. With the above operation, the output current Iout is limited so as not to exceed the overcurrent set value, and at the same time, the ON time Ton of the switching element TR1 is shortened, so that the output voltage Vout decreases according to the equation (2).

出力電圧Voutが低下すると、反転増幅器である誤差増幅回路16はハイレベルに飽和し、出力電圧制御信号V(vol)はそのハイレベルの飽和電圧値を継続する。従って、RS−FF11の出力端子Qに発生する駆動パルスVgは、電流制限信号V(cur)がローレベルに反転するタイミングに同期してローレベルに反転し、図4のタイムチャートに示すように、駆動パルスVgは、もっぱら電流制限信号生成回路20が出力する出力電圧制御信号V(cur)に基づいて生成されることとなる。   When the output voltage Vout decreases, the error amplifier circuit 16 that is an inverting amplifier saturates to a high level, and the output voltage control signal V (vol) continues its high-level saturation voltage value. Accordingly, the drive pulse Vg generated at the output terminal Q of the RS-FF 11 is inverted to the low level in synchronization with the timing when the current limit signal V (cur) is inverted to the low level, as shown in the time chart of FIG. The drive pulse Vg is generated exclusively based on the output voltage control signal V (cur) output from the current limit signal generation circuit 20.

ここで、期間2における出力電圧Voutと出力電流ioutの関係について、図5に基づいて説明する。期間2では、出力電圧Vout−出力電流Iout特性のグラフにおいて、出力電圧Voutがやや低下した状態で動作する。仮に、出力電圧モニタ回路20aの出力電圧V(C21)が出力電圧Voutに応じて変化しない固定値だとすれば、出力電圧Vout−出力電流Iout特性は軌跡(a)を描き、出力電圧Voutが低下するほど、駆動パルス生成回路18の動作の遅れ時間等の影響が顕著となり、出力電流Ioutが増加してしまう特性となる。しかし、スイッチング電源回路10では、出力電圧Voutが低下すると、同時に電圧V(C21)も低下し、その分だけ過電流保護閾値Vrも低下するので、軌跡(b)のように出力電流Ioutの増加を抑制する動作が行われる。   Here, the relationship between the output voltage Vout and the output current iout in the period 2 will be described with reference to FIG. In the period 2, the operation is performed in a state where the output voltage Vout is slightly reduced in the graph of the output voltage Vout-output current Iout characteristic. If the output voltage V (C21) of the output voltage monitor circuit 20a is a fixed value that does not change in accordance with the output voltage Vout, the output voltage Vout-output current Iout characteristic draws a locus (a), and the output voltage Vout is As the voltage decreases, the influence of the delay time of the operation of the drive pulse generation circuit 18 becomes more significant, and the output current Iout increases. However, in the switching power supply circuit 10, when the output voltage Vout decreases, the voltage V (C21) also decreases at the same time, and the overcurrent protection threshold Vr also decreases accordingly, so that the output current Iout increases as shown in the locus (b). The operation | movement which suppresses is performed.

期間3は、期間2の状態で放置された結果、スイッチング素子TR1が所定の温度等を超えたため、図4に示すように、直流電圧発生回路22が電流制御用直流電圧Vcを変化させ、その状態で過電流保護動作が継続している期間である。電流制御用直流電圧Vcが低下すると、同時に抵抗R32の電圧V(R32)が低くなり、その分だけ過電流保護閾値Vrも低くなるので、図5に示すように、出力電流Ioutを一層小さな値に制限する動作が行われ、スイッチング素子TR1の発熱による破損を防止することができる。   In the period 3, since the switching element TR1 has exceeded a predetermined temperature as a result of being left in the state of the period 2, the DC voltage generating circuit 22 changes the DC voltage Vc for current control as shown in FIG. This is a period in which the overcurrent protection operation continues in the state. When the current control DC voltage Vc decreases, the voltage V (R32) of the resistor R32 decreases at the same time, and the overcurrent protection threshold Vr decreases accordingly, so that the output current Iout is reduced to a smaller value as shown in FIG. Therefore, the switching element TR1 can be prevented from being damaged due to heat generation.

以上説明したように、スイッチング電源装置10は、出力電圧モニタ回路20aを介して出力電圧情報である電圧V(C21)を抽出し、出力電圧Voutが低くなるとスイッチング電流Iswのピーク値が低下するように過電流保護閾値Vrを補正するので、入力電圧によらず、スイッチング電源装置10及び負荷14を確実に保護することができる。さらに、直流電圧発生回路22は、入力電圧Vin、環境温度などの任意の信号入力に応じて電流制御用直流電圧Vcを変化させ、過電流保護閾値Vrを変化させる動作を行ことができ、スイッチング電源装置の様々な動作状態に対して、過電流保護特性の最適化を図ることができる。   As described above, the switching power supply device 10 extracts the voltage V (C21) that is the output voltage information via the output voltage monitor circuit 20a, and the peak value of the switching current Isw decreases as the output voltage Vout decreases. Since the overcurrent protection threshold Vr is corrected, the switching power supply device 10 and the load 14 can be reliably protected regardless of the input voltage. Furthermore, the DC voltage generation circuit 22 can change the overcurrent protection threshold Vr by changing the current control DC voltage Vc in accordance with an arbitrary signal input such as the input voltage Vin and the environmental temperature, and can perform switching. The overcurrent protection characteristics can be optimized for various operating states of the power supply device.

また、一般に、スイッチング素子TR1を急峻な電流ストレスから確実に保護するためには、出力電圧Voutの変動に対して、駆動パルスVgの数パルス以内の短時間のうちに過電流保護閾値Vrを変化させる必要があるが、スイッチング電源装置10では、出力電圧モニタ回路20aのようにコンデンサと抵抗等で構成できる簡単な回路を用いて、高精度、かつ高速応答可能な性能を実現している。一方、環境温度等は比較的が緩慢に変動するため、例えばクロック周波数が10kHz程度の安価な汎用マイクロプロセッサで構成した直流電圧発生回路22であっても、満足な応答性能を得ることができる。   In general, in order to reliably protect the switching element TR1 from a steep current stress, the overcurrent protection threshold value Vr is changed within a short time within several pulses of the drive pulse Vg with respect to fluctuations in the output voltage Vout. However, in the switching power supply device 10, high-accuracy and high-speed response performance is realized by using a simple circuit that can be configured with a capacitor and a resistor, such as the output voltage monitor circuit 20 a. On the other hand, since the environmental temperature etc. fluctuate relatively slowly, satisfactory response performance can be obtained even with the DC voltage generation circuit 22 constituted by an inexpensive general-purpose microprocessor having a clock frequency of about 10 kHz, for example.

さらに、上記のような確実な過電流保護特性が得られることから、スイッチング電流による電気ストレス受けやすい部品を定格電流や定格温度に過剰に余裕のある大型のものに変更しなくても安全が確保されるので、スイッチング電源装置10自体の小型化、低コスト化に寄与することができる。   In addition, since the above-mentioned reliable overcurrent protection characteristics can be obtained, safety can be ensured without changing parts that are susceptible to electrical stress due to switching current to large ones with an excess margin for the rated current and temperature. Therefore, the switching power supply device 10 itself can contribute to downsizing and cost reduction.

なお本発明は、上記実施形態に限定するものではなく、トランジスタTR31のエミッタ端子とコンデンサC21の接続点に抵抗を挿入し、過電流保護閾値Vrの補正動作を微調整してもよい。また、所定の回路部分に、上述した過電流保護に係る動作に影響のない範囲で、スイッチング・ノイズや外来ノイズを吸収するコンデンサ、スナバ回路又はフィルタ等を付加し、回路の誤動作の防止を図ってもよい。   Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and a resistor may be inserted at the connection point between the emitter terminal of the transistor TR31 and the capacitor C21 to finely adjust the correction operation of the overcurrent protection threshold value Vr. In addition, a capacitor, snubber circuit, or filter that absorbs switching noise and external noise is added to a predetermined circuit part within a range that does not affect the operation related to overcurrent protection described above, thereby preventing malfunction of the circuit. May be.

また、電力変換方式として、シングルフォワード方式の他、プッシュプル方式、ブリッジ方式、フライバック方式、極性反転型チョッパ方式等に構成されたスイッチング電源にも適用可能である。   In addition to the single forward method, the power conversion method can also be applied to a switching power supply configured in a push-pull method, a bridge method, a flyback method, a polarity inversion chopper method, or the like.

さらに、直流電圧発生回路22が発生する電流制御用直流電圧Vc、および、出力電圧モニタ回路20aの出力電圧V(C21)は、必ずしも完全な直流電圧でなくてもよい。例えば、電圧V(C21)にスイッチング周波数と同一周波数のリップル電圧を重畳させることによって、周知のスロープ補正技術に相当する利得調整作用を生じさせ、過電流保護動作の安定度を向上させることも可能である。   Furthermore, the current control DC voltage Vc generated by the DC voltage generation circuit 22 and the output voltage V (C21) of the output voltage monitor circuit 20a are not necessarily complete DC voltages. For example, by superimposing a ripple voltage having the same frequency as the switching frequency on the voltage V (C21), it is possible to cause a gain adjustment action equivalent to a known slope correction technique and to improve the stability of the overcurrent protection operation. It is.

この発明のスイッチング電源装置の一実施形態を示す回路部である。It is a circuit part which shows one Embodiment of the switching power supply device of this invention. この実施形態が備える直流電圧発生回路、電圧制限信号生成回路、及び電流検出抵抗の動作を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining operation | movement of the DC voltage generation circuit with which this embodiment is provided, a voltage limiting signal generation circuit, and a current detection resistor. この実施形態が備える駆動パルス生成回路の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the drive pulse generation circuit with which this embodiment is provided. この実施形態の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows operation | movement of this embodiment. この実施形態の動作を示す出力電圧−出力電流特性のグラフである。It is a graph of the output voltage-output current characteristic which shows operation | movement of this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 スイッチング電源装置
12 整流平滑回路
18 駆動パルス生成回路
20 電流制限信号生成回路
20a 出力電圧モニタ回路
22 直流電圧発生回路
C21 モニタ用コンデンサ
D21 整流用ダイオード
R0 電流検出抵抗
R21,R22 モニタ用抵抗
R31,R32 抵抗
T1 トランス
T1a 入力巻線
T1b 出力巻線
T1c 補助巻線
TR1 スイッチング素子
TR31,TR32 トランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Switching power supply device 12 Rectification smoothing circuit 18 Drive pulse generation circuit 20 Current limiting signal generation circuit 20a Output voltage monitor circuit 22 DC voltage generation circuit C21 Monitor capacitor D21 Rectifier diode R0 Current detection resistors R21, R22 Monitor resistors R31, R32 Resistance T1 Transformer T1a Input winding T1b Output winding T1c Auxiliary winding TR1 Switching elements TR31, TR32 Transistors

Claims (3)

所定のスイッチング周波数でパルス幅変調された駆動パルスを出力する駆動パルス生成回路と、この駆動パルス生成回路からの駆動パルスによってオン・オフし、直流の入力電圧を断続して交流電圧を発生させるスイッチング素子と、前記交流電圧が印加される入力巻線及び前記交流電圧を変圧した電圧を出力する出力巻線を備えたトランスと、前記出力巻線から出力される交流電圧を整流平滑して出力電圧を生成し、負荷に出力電流を供給する整流平滑回路とを備えたスイッチング電源装置において、
前記出力電流の制御に関する所定の目標値であって変更可能な電流制御用直流電圧を出力する直流電圧発生回路と、前記スイッチング素子に流れるスイッチング電流の流路に挿入され、電流検出電圧を発生する電流検出抵抗と、前記電流検出電圧を検知してスイッチング電流を制限するための電流制限信号を出力する電流制限信号生成回路とを備え、
前記電流制限信号生成回路は、
前記トランスに設けた補助巻線を有し、前記補助巻線に発生するパルス電圧に基づいて前記出力電圧の変化に応じた第一の直流電圧を生成して出力する出力電圧モニタ回路と、
前記直流電圧発生回路の電流制御用直流電圧に基づいて可変される第二の直流電圧生成手段と、
前記第一及び第二の直流電圧の加算電圧と前記電流検出電圧とを比較し、前記電流検出電圧の方が大きくなると、スイッチング電流を制限するための電流制限信号を出力する比較手段とを備え、
前記駆動パルス生成回路は、前記電流制限信号が出力されると前記スイッチング素子を駆動する駆動パルスのオン・デューティが広くなるのを止め若しくは狭くするように動作することを特徴とするスイッチング電源装置。
A drive pulse generation circuit that outputs a drive pulse that is pulse-width modulated at a predetermined switching frequency, and a switching that is turned on / off by the drive pulse from the drive pulse generation circuit to generate an AC voltage by intermittently applying a DC input voltage A transformer having an element, an input winding to which the AC voltage is applied, and an output winding that outputs a voltage obtained by transforming the AC voltage, and an output voltage obtained by rectifying and smoothing the AC voltage output from the output winding. And a rectifying / smoothing circuit that supplies an output current to a load.
A DC voltage generation circuit that outputs a changeable DC voltage for current control that is a predetermined target value relating to the control of the output current, and a current detection voltage that is inserted into a flow path of a switching current that flows through the switching element. A current detection resistor and a current limit signal generating circuit that outputs a current limit signal for limiting the switching current by detecting the current detection voltage;
The current limit signal generation circuit includes:
An auxiliary winding provided in the transformer, and an output voltage monitor circuit that generates and outputs a first DC voltage corresponding to a change in the output voltage based on a pulse voltage generated in the auxiliary winding;
Second DC voltage generating means that is varied based on a DC voltage for current control of the DC voltage generating circuit;
Comparing means for comparing the added voltage of the first and second DC voltages with the current detection voltage and outputting a current limit signal for limiting the switching current when the current detection voltage becomes larger. ,
The drive power generation circuit operates so as to stop or narrow the on-duty of the drive pulse for driving the switching element when the current limit signal is output.
前記出力電圧モニタ回路は、その出力端のプラス電位側が前記電流検出抵抗の一端に接続され、
前記第二の直流電圧生成手段及び比較手段は、
一端が前記直流電圧発生回路の出力に接続された第一の抵抗と、前記第一の抵抗の他端に一端が接続された第二の抵抗と、コレクタ端子が前記第二の抵抗の他端に接続され、ベース端子が前記第一の抵抗と第二の抵抗の中点に接続され、エミッタ端子が前記出力電圧モニタ回路出力端の基準電位側に接続された第一のNPNトランジスタと、ベース端子が前記第一のNPNトランジスタのコレクタに接続され、エミッタ端子が前記電流検出抵抗の他端に接続され、コレクタ端子が前記電流制限信号生成回路の出力である第二のNPNトランジスタとを備え、
前記電流検出抵抗は、前記スイッチング素子に電流が流れたときに、前記第二のNPNトランジスタのエミッタ端子の方が前記第一のNPNトランジスタのエミッタ端子よりも低い電位になる方向に前記電流検出電圧を発生することを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。
The output voltage monitor circuit has a positive potential side of its output terminal connected to one end of the current detection resistor,
The second DC voltage generating means and the comparing means are:
A first resistor having one end connected to the output of the DC voltage generating circuit, a second resistor having one end connected to the other end of the first resistor, and a collector terminal being the other end of the second resistor A first NPN transistor having a base terminal connected to a midpoint of the first resistor and the second resistor, and an emitter terminal connected to a reference potential side of the output voltage monitor circuit output terminal; A terminal connected to a collector of the first NPN transistor, an emitter terminal connected to the other end of the current detection resistor, and a collector terminal comprising a second NPN transistor that is an output of the current limiting signal generation circuit;
The current detection resistor includes the current detection voltage in a direction in which the emitter terminal of the second NPN transistor is at a lower potential than the emitter terminal of the first NPN transistor when a current flows through the switching element. The switching power supply device according to claim 1, wherein:
前記トランス及び前記整流平滑回路は、シングルフォワード方式の電力変換を行う構成を備え、前記出力電圧モニタ回路は、第一のモニタ用抵抗とモニタ用コンデンサとの並列回路と、前記並列回路に直列接続された第二のモニタ用抵抗とで成る積分回路を備え、前記積分回路の入力は、整流用ダイオードを介して前記補助巻線の両端に接続され、前記整流用ダイオードは、前記スイッチング素子がオンの期間に発生する電圧を半波整流する向きに接続され、前記出力電圧モニタ回路の出力は、前記積分回路出力に発生する電圧であることを特徴とする請求項1または2記載のスイッチング電源装置。
The transformer and the rectifying / smoothing circuit are configured to perform a single forward type power conversion, and the output voltage monitor circuit is connected in parallel to a first monitor resistor and a monitor capacitor, and is connected in series to the parallel circuit. And an input of the integrating circuit is connected to both ends of the auxiliary winding via a rectifying diode, and the switching element is turned on by the rectifying diode. 3. The switching power supply device according to claim 1, wherein the voltage generated during the period is connected in a direction in which half-wave rectification is performed, and the output of the output voltage monitor circuit is a voltage generated at the output of the integrating circuit. .
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