JP2018098845A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
50アンペア×50アンペア×0.5ミリオーム×0.5=0.625ワット
となり、十分に小さな損失で動作する。従って、発熱も小さく、ヒートシンク等を用いる必要が無い。
0.7ボルト×50アンペア×0.5=17.5ワット
となり、非常に大きな損失が発生する。
本発明は、
断続電圧発生回路、整流回路、平滑回路、及び同期整流素子駆動回路を備え、
断続電圧発生回路は、スイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフによって外部の入力電源からの入力電圧を断続電圧に変換して整流回路に供給する回路であり、
整流回路は、同期整流素子を備え、スイッチング素子のオンオフに同期して同期整流素子のオンオフが行われることで、断続電圧発生回路から供給された断続電圧を整流して平滑回路に供給する回路であり、
同期整流素子駆動回路は、スイッチング素子のオンオフに同期して同期整流素子をオンオフするためのHレベルとLレベルの電圧信号を同期整流素子の駆動用端子に対して出力する回路を備えたスイッチング電源装置に於いて、
同期整流素子駆動電流モニタ回路及び異常判定回路を備え、
同期整流素子駆動電流モニタ回路は、同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動する際に流れる電流を検出して、モニタ信号を出力する回路であり、
異常判定回路は、モニタ信号の状態に応じて、同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路の異常を検出し、スイッチング電源装置の動作を停止させる停止信号を出力する回路であることを特徴とする。
同期整流素子駆動電流モニタ回路は、電流電圧変換を行うためのインピーダンス素子と、2つの入力端子と1つの出力端子を備えたスイッチ素子で構成され、
同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動するための信号の伝達経路にインピーダンス素子が挿入され、
スイッチ素子の入力端子の一方がインピーダンス素子の一端に接続され、スイッチ素子の入力端子の他方がインピーダンス素子の他端に接続されており、
同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動する際に伝達経路に電流が流れた時に、インピーダンス素子に発生する電圧でスイッチ素子をオンさせることで、スイッチ素子の出力端子からモニタ信号を出力させる。
同期整流素子駆動電流モニタ回路は、第1抵抗と、第1抵抗に並列に接続されたコンデンサと、2つの入力端子と1つの出力端子を備えたスイッチ素子で構成され、
同期整流素子の駆動用端子間には第2抵抗が並列に接続されており、
同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路に第1抵抗が挿入され、
スイッチ素子の入力端子の一方が第1抵抗の一端に接続され、スイッチ素子の入力端子の他方が第1抵抗の他端に接続されており、
同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動する際に、第1抵抗に発生する電圧でスイッチ素子をオンさせることで、スイッチ素子の出力端子からモニタ信号を出力させる。
第1抵抗とコンデンサで構成される並列回路の時定数が、第2抵抗と同期整流素子の駆動用端子間の容量で構成される並列回路の時定数と同じか、もしくは、大きくなるように第1抵抗、コンデンサ、第2抵抗及び同期整流素子の駆動用端子間の容量の各値が設定されている。
断続電圧発生回路は、相補的に動作する2組のスイッチング素子を備えた非安定型コンバータであり、
相補的に動作する整流回路内の2組の同期整流素子に対して、2組の同期整流素子駆動電流モニタ回路を備え、
異常判定回路は、2組の同期整流素子駆動電流モニタ回路がそれぞれで出力するモニタ信号を合わせた信号の状態に応じて、それぞれの同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路の異常を検出して、スイッチング電源装置の動作を停止させる停止信号を出力する。
2組の同期整流素子駆動電流モニタ回路の各々は、第1抵抗と、第1抵抗に並列に接続されたコンデンサと、2つの入力端子と1つの出力端子を備えたスイッチ素子で構成され、
同期整流素子の駆動用端子間には第2抵抗が並列に接続されており、
同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路に第1抵抗が挿入され、
スイッチ素子の入力端子の一方が第1抵抗の一端に接続され、スイッチ素子の入力端子の他方が第1抵抗の他端に接続されており、
同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動する際に、第1抵抗に発生する電圧でスイッチ素子をオンさせることで、スイッチ素子の出力端子からモニタ信号を出力させ、
更に、第1抵抗とコンデンサで構成される並列回路の時定数が、第2抵抗と同期整流素子の駆動用端子間の容量で構成される並列回路の時定数と同じか、もしくは、大きくなるように第1抵抗、コンデンサ、第2抵抗及び同期駆動素子の駆動用端子間の容量の各値が設定されている。
同期整流素子を備えた整流回路が第1基板に実装され、同期整流素子駆動回路が第2基板に実装され、第1基板と第2基板は信号線により接続した接続点を持つ。
本発明は、断続電圧発生回路、整流回路、平滑回路、及び同期整流素子駆動回路を備え、断続電圧発生回路は、スイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフによって外部の入力電源からの入力電圧を断続電圧に変換して整流回路に供給する回路であり、整流回路は、同期整流素子を備え、スイッチング素子のオンオフに同期して同期整流素子のオンオフが行われることで、断続電圧発生回路から供給された断続電圧を整流して平滑回路に供給する回路であり、同期整流素子駆動回路は、スイッチング素子のオンオフに同期して同期整流素子をオンオフするためのHレベルとLレベルの電圧信号を同期整流素子の駆動用端子に対して出力する回路を備えたスイッチング電源装置に於いて、同期整流素子駆動電流モニタ回路及び異常判定回路を備え、同期整流素子駆動電流モニタ回路は、同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動する際に流れる電流を検出して、モニタ信号を出力する回路であり、異常判定回路は、モニタ信号の状態に応じて、同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路の異常を検出し、スイッチング電源装置の動作を停止させる停止信号を出力する回路としたため、スイッチング電源装置の動作中に同期整流素子と同期整流素子駆動回路との接続が断線すると、同期整流素子駆動電流モニタ回路のモニタ信号から異常判定回路が断線による異常を判定してスイッチング電源装置を停止させることができるため、同期整流素子の寄生ダイオードによる整流動作が継続されるといった異常な状態が継続することが無くなり、発煙発火と言った重大な事故を引き起こすことが確実に防止され、同期整流を行うスイッチング電源装置の信頼性を向上可能とする。
また、同期整流素子駆動電流モニタ回路は、電流電圧変換を行うためのインピーダンス素子と、2つの入力端子と1つの出力端子を備えたスイッチ素子で構成され、同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動するための信号の伝達経路にインピーダンス素子が挿入され、スイッチ素子の入力端子の一方がインピーダンス素子の一端に接続され、スイッチ素子の入力端子の他方がインピーダンス素子の他端に接続されており、同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動する際に伝達経路に電流が流れた時に、インピーダンス素子に発生する電圧でスイッチ素子をオンさせることで、スイッチ素子の出力端子からモニタ信号を出力させるようにしたため、同期整流素子の駆動用の配線を流れる電流の断線による異常を、少ない部品点数の同期整流素子駆動電流モニタ回路により検出しているモニタ信号から確実に判定し、スイッチング電源装置を安全に停止させることができる。
また、同期整流素子駆動電流モニタ回路は、第1抵抗と、第1抵抗に並列に接続されたコンデンサと、2つの入力端子と1つの出力端子を備えたスイッチ素子で構成され、同期整流素子の駆動用端子間には第2抵抗が並列に接続されており、同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路に第1抵抗が挿入され、スイッチ素子の入力端子の一方が第1抵抗の一端に接続され、スイッチ素子の入力端子の他方が第1抵抗の他端に接続されており、同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動する際に、第1抵抗に発生する電圧でスイッチ素子をオンさせることで、スイッチ素子の出力端子からモニタ信号を出力させるようにしたため、前述した同期整流素子駆動電流モニタ回路1と比較してモニタ信号が出力される時間を長くすることができ、同期整流の異常を検出してモニタ信号がHレベルからLレベルとなった場合に、モニタ信号のHレベルによる充電レベルを異常判定のしきい値電圧に放電低下させるための時定数が小さく設定できることで、同期整流の異常を速く判定することが可能となり、さらに安全性を向上させることができる。
また、第1抵抗とコンデンサで構成される並列回路の時定数が、第2抵抗と同期整流素子の駆動用端子間の容量で構成される並列回路の時定数と同じか、もしくは、大きくなるように第1抵抗、コンデンサ、第2抵抗及び同期駆動素子の駆動用端子間の容量の各値が設定されているため、同期整流素子がオフの際の駆動電圧をマイナスの電圧にすることが可能となり、同期整流素子として使用するMOS−FETにドレインに急峻に変化する高い電圧を印加した場合でも、MOS−FETの誤点弧を防ぐことができる。
また、断続電圧発生回路は、相補的に動作する2組のスイッチング素子を備えた非安定型コンバータであり、相補的に動作する整流回路内の2組の同期整流素子に対して、2組の同期整流素子駆動電流モニタ回路を備え、異常判定回路は、2組の同期整流素子駆動電流モニタ回路がそれぞれで出力するモニタ信号を合わせた信号の状態に応じて、それぞれの同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路の異常を検出して、スイッチング電源装置の動作を停止させる停止信号を出力するようにしたため、非安定型コンバータは、動作中に同期整流素子と同期整流素子駆動回路との接続が断線すると、同期整流素子駆動電流モニタ回路が断線を検出してスイッチング電源装置を停止させることができるため、同期整流素子の寄生ダイオードによる整流動作が継続されると言った異常な状態が継続することが無く、発煙発火と言った重大な事故を引き起こすことを確実に防止可能とする。
また、2組の同期整流素子駆動電流モニタ回路の各々は、第1抵抗と、第1抵抗に並列に接続されたコンデンサと、2つの入力端子と1つの出力端子を備えたスイッチ素子で構成され、同期整流素子の駆動用端子間には第2抵抗が並列に接続されており、同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路に第1抵抗が挿入され、スイッチ素子の入力端子の一方が第1抵抗の一端に接続され、スイッチ素子の入力端子の他方が第1抵抗の他端に接続されており、同期整流素子駆動回路が同期整流素子を駆動する際に、第1抵抗に発生する電圧でスイッチ素子をオンさせることで、スイッチ素子の出力端子からモニタ信号を出力させたため、少ない部品点数の2組の同期整流素子駆動電流モニタ回路により、非安定型コンバータにおける同期整流の異常を速く判定することができる。
また、同期整流素子を備えた整流回路が第1基板に実装され、同期整流素子駆動回路が第2基板に実装され、第1基板と第2基板は信号線により接続した接続点を持つようにしたため、振動や衝撃等により接続点が機械的に断線する可能性があっても、同期整流素子駆動電流モニタ回路のモニタ信号から異常判定回路が断線による異常を判定してスイッチング電源装置を停止させることができるため、第1基板に同期整流素子を実装することでトランスから同期整流素子に出力電流が流れる配線を最短にして損失を低減することでヒートシンク構造を不要にしても、発煙発火といった重大な事故を引き起こすことが確実に防止できる。
(回路構成と動作の概要)
図1は本発明によるスイッチング電源装置の第1実施形態の基本構成を示した回路ブロック図である。
図2に示すように、同期整流素子駆動回路18は、制御回路28とトーテムポール接続されたトランジスタTR41およびトランジスタTR42による出力部で構成されている。制御回路28によりトランジスタTR41がオンすると、同期整流素子駆動回路18の出力端子はHレベルの同期整流素子駆動電圧VCTLを出力する。ここで、Hレベルは制御回路用電源Vccの電圧となる。また、制御回路28によりトランジスタTR42がオンすると、同期整流素子駆動回路18の出力端子はLレベルの同期整流素子駆動電圧VCTLを出力する。ここで、Lレベルは制御回路用電源のグランドレベルの電圧となる。
図3の期間Aは、図2のスイッチング電源装置の第1基板24と第2基板26を接続するa点およびb点が正常に接続されている状態の動作波形を示す。
図3の期間Aと期間Bの間となる時刻t1で、図2のスイッチング電源装置の第1基板24と第2基板26を接続するa点もしくはb点の断線が発生したものとする。期間Bは、断線によって同期整流動作が異常になっている状態の動作波形を示す。
図1及び図2に示したスイッチング電源装置の第1実施形態は、動作中に同期整流素子TR21と同期整流素子駆動回路18との接続が断線すると同期整流素子駆動電流モニタ回路20が断線を検出してスイッチング電源装置を停止させることができるため、断線により同期整流素子TR21の寄生ダイオードDparaによる整流動作が継続されて非常に大きな損失により発熱するといった異常な状態が継続することが無いため、発煙発火といった重大な事故を引き起こすことを確実に防止可能とする。
図4は本発明によるスイッチング電源装置の第2実施形態を示した回路ブロック図である。
図4に示すように、第2実施形態のスイッチング電源装置は、図2に示した第1実施形態における同期整流素子駆動電流モニタ回路20の抵抗R31(第1抵抗)と並列に接続されたコンデンサC31を追加し、また、同期整流素子TR21に抵抗R21(第2抵抗)を追加した回路である。
図5(F)はモニタ信号Vmonを示し、図5(G)は異常判定回路22のコンデンサC51の電圧波形VC51を示し、図5(H)は停止信号を示す。以下、図4、図5を基に本実施例の動作の詳細を示す。
図5の期間Aは、図4のスイッチング電源装置の第1基板24と第2基板26を接続するa点およびb点が正常に接続されている状態の動作波形を示す。
VR31=R31/(R31+R21)×VCTL (1)
VR21=R21/(R31+R21)×VCTL (2)
図5の期間Aと期間Bの間となる時刻t1で、図4のスイッチング電源装置の第1基板24と第2基板26を接続するa点もしくはb点の断線が発生したものとする。期間Bは、断線によって同期整流動作が異常になっている状態の動作波形を示す。
第2実施形態の回路は、抵抗R31とコンデンサC31で構成される並列回路の時定数が抵抗R21と入力容量Cissで構成される並列回路の時定数よりも大きくなるように設計しても良いが、抵抗R31とコンデンサC31で構成される並列回路の時定数が抵抗R21と入力容量Cissで構成される並列回路の時定数よりも小さくなる設計は行ってはいけない理由を以下に述べる。
第2実施形態によるスイッチング電源装置は、動作中に同期整流素子TR21と同期整流素子駆動回路18との接続が断線すると、第1実施形態と同様に、同期整流素子駆動電流モニタ回路20が断線を検出してスイッチング電源装置を停止させることができるため、断線により同期整流素子TR21の寄生ダイオードDparaによる整流動作が継続されて非常に大きな損失により発熱するといった異常な状態が継続することが無く、発煙発火と言った重大な事故を引き起こすことを確実に防止可能とする。
図9は非安定型コンバータを用いた本発明によるスイッチング電源装置の第3実施形態を示した回路ブロック図である。
図9に示すように、第3実施形態では、スイッチング電源装置を非安定型コンバータとして動作させるために、スイッチング素子TR11及びスイッチング素子TR14の組み合わせとスイッチング素子TR12とスイッチング素子TR13の組み合わせは、相補的にオンオフするように制御されており、それぞれ、オンデューティが約50%で動作している。
図10の期間Aは、図9のスイッチング電源装置の第1基板24と第2基板26を接続するa点〜d点が正常に接続されている状態の動作波形を示す。
VR31a=R31a/(R31a+R21)×VCTL1 (3)
VR21 =R21 /(R31a+R21)×VCTL1 (4)
VR31b=R31b/(R31b+R22)×VCTL2 (5)
VR22 =R22 /(R31b+R22)×VCTL2 (6)
図10の期間Aと期間Bの間の時刻t1で、図9のスイッチング電源装置の第1基板24と第2基板26を接続するa点もしくはb点に断線が発生したものとする。期間Bは、断線によって同期整流動作が異常になっている状態の動作波形を示す。
非安定型コンバータに適用した第2実施形態によるスイッチング電源装置は、動作中に同期整流素子TR21,TR22と同期整流素子駆動回路18a,18bとの接続が断線すると、第1実施形態や第2実施形態と同様に、同期整流素子駆動電流モニタ回路20a,20bが断線を検出してスイッチング電源装置を停止させることができるため、断線により同期整流素子の寄生ダイオードによる整流動作が継続されて非常に大きな損失により発熱するといった異常な状態が継続することが無く、発煙発火と言った重大な事故を引き起こすことを確実に防止可能とする。
図9の第3実施形態では、同期整流素子駆動電流モニタ回路20aのモニタ信号出力端子30aと同期整流素子駆動電流モニタ回路20bのモニタ信号出力端子30bを直接接続して異常判定回路22に出力していたが、モニタ信号出力端子30a,30bからダイオードを介して接続しても良い。
図11は本発明によるスイッチング電源装置の第4実施形態を示した回路ブロック図である。
本発明は、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。
12:断続電圧発生回路
14:整流回路
15:平滑回路
16a,16b:出力端子
18,18a,18b:同期整流素子駆動回路
20,20a,20b:同期整流素子駆動電流モニタ回路
22:異常判定回路
24:第1基板
26:第2基板
28,28a,28b:制御回路
TR11〜TR14:スイッチング素子
TR21,TR22:同期整流素子
Claims (7)
- 断続電圧発生回路、整流回路、平滑回路、及び同期整流素子駆動回路を備え、
前記断続電圧発生回路は、スイッチング素子を備え、前記スイッチング素子のオンオフによって外部の入力電源からの入力電圧を断続電圧に変換して前記整流回路に供給する回路であり、
前記整流回路は、同期整流素子を備え、前記スイッチング素子のオンオフに同期して前記同期整流素子のオンオフが行われることで、前記断続電圧発生回路から供給された断続電圧を整流して前記平滑回路に供給する回路であり、
前記同期整流素子駆動回路は、前記スイッチング素子のオンオフに同期して前記同期整流素子をオンオフするためのHレベルとLレベルの電圧信号を前記同期整流素子の駆動用端子に対して出力する回路を備えたスイッチング電源装置に於いて、
同期整流素子駆動電流モニタ回路及び異常判定回路を備え、
前記同期整流素子駆動電流モニタ回路は、前記同期整流素子駆動回路が前記同期整流素子を駆動する際に流れる電流を検出して、モニタ信号を出力する回路であり、
前記異常判定回路は、前記モニタ信号の状態に応じて、前記同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路の異常を検出し、スイッチング電源装置の動作を停止させる停止信号を出力する回路であることを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項1記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記同期整流素子駆動電流モニタ回路は、電流電圧変換を行うためのインピーダンス素子と、2つの入力端子と1つの出力端子を備えたスイッチ素子で構成され、
前記同期整流素子駆動回路が前記同期整流素子を駆動するための信号の伝達経路に前記インピーダンス素子が挿入され、
前記スイッチ素子の入力端子の一方が前記インピーダンス素子の一端に接続され、前記スイッチ素子の入力端子の他方が前記インピーダンス素子の他端に接続されており、
前記同期整流素子駆動回路が前記同期整流素子を駆動する際に前記伝達経路に電流が流れた時に、前記インピーダンス素子に発生する電圧で前記スイッチ素子をオンさせることで、前記スイッチ素子の前記出力端子から前記モニタ信号を出力させることを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項1記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記同期整流素子駆動電流モニタ回路は、第1抵抗と、前記第1抵抗に並列に接続されたコンデンサと、2つの入力端子と1つの出力端子を備えたスイッチ素子で構成され、
前記同期整流素子の駆動用端子間には第2抵抗が並列に接続されており、
前記同期整流素子駆動回路が前記同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路に前記第1抵抗が挿入され、
前記スイッチ素子の入力端子の一方が前記第1抵抗の一端に接続され、前記スイッチ素子の入力端子の他方が前記第1抵抗の他端に接続されており、
前記同期整流素子駆動回路が前記同期整流素子を駆動する際に、前記第1抵抗に発生する電圧で前記スイッチ素子をオンさせることで、前記スイッチ素子の前記出力端子から前記モニタ信号を出力させることを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項3記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記第1抵抗と前記コンデンサで構成される並列回路の時定数が、前記第2抵抗と前記同期整流素子の駆動用端子間の容量で構成される並列回路の時定数と同じか、もしくは、大きくなるように前記第1抵抗、前記コンデンサ、前記第2抵抗及び前記同期整流用素子の駆動用端子間の容量の各値が設定されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項1記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記断続電圧発生回路は、相補的に動作する2組のスイッチング素子を備えた非安定型コンバータであり、
相補的に動作する前記整流回路内の2組の前記同期整流素子に対して、2組の前記同期整流素子駆動電流モニタ回路を備え、
前記異常判定回路は、前記2組の同期整流素子駆動電流モニタ回路がそれぞれで出力するモニタ信号を合わせた信号の状態に応じて、それぞれの前記同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路の異常を検出して、スイッチング電源装置の動作を停止させる停止信号を出力することを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項5記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記2組の同期整流素子駆動電流モニタ回路の各々は、第1抵抗と、前記第1抵抗に並列に接続されたコンデンサと、2つの入力端子と1つの出力端子を備えたスイッチ素子で構成され、
前記同期整流素子の駆動用端子間には第2抵抗が並列に接続されており、
前記同期整流素子駆動回路が前記同期整流素子を駆動するための電圧信号の伝達経路に前記第1抵抗が挿入され、
前記スイッチ素子の入力端子の一方が前記第1抵抗の一端に接続され、前記スイッチ素子の入力端子の他方が前記第1抵抗の他端に接続されており、
前記同期整流素子駆動回路が前記同期整流素子を駆動する際に、前記第1抵抗に発生する電圧で前記スイッチ素子をオンさせることで、前記スイッチ素子の前記出力端子から前記モニタ信号を出力させ、
更に、前記第1抵抗と前記コンデンサで構成される並列回路の時定数が、前記第2抵抗と前記同期整流素子の駆動用端子間の容量で構成される並列回路の時定数と同じか、もしくは、大きくなるように前記第1抵抗、前記コンデンサ、前記第2抵抗及び前記同期整流素子の駆動用端子間の容量の各値が設定されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項1乃至6の何れかに記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記同期整流素子を備えた前記整流回路が第1基板に実装され、前記同期整流素子駆動回路が第2基板に実装され、前記第1基板と前記第2基板は信号線により接続した接続点を持つことを特徴とするスイッチング電源装置。
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