JP2592232Y2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

スイッチング電源装置

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JP2592232Y2
JP2592232Y2 JP1993016558U JP1655893U JP2592232Y2 JP 2592232 Y2 JP2592232 Y2 JP 2592232Y2 JP 1993016558 U JP1993016558 U JP 1993016558U JP 1655893 U JP1655893 U JP 1655893U JP 2592232 Y2 JP2592232 Y2 JP 2592232Y2
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Description

【考案の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本考案は、PWMパルスによって
スイッチング素子をオン・オフ制御して直流電圧を調整
する形式のスイッチング電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】直流電
源にトランスの1次巻線を介してスイッチング素子を接
続し、スイッチング素子をPWMパルスでオン・オフす
ることによって制御された電圧をトランスの2次側の整
流平滑回路の出力段に得る形式のスイッチング電源装置
が多用されている。この種のスイッチング電源装置の制
御方法には大別して、出力電圧検出とスイッチング素子
の電流検出との両方に基づいてPWMパルスを形成する
電圧電流併用制御方法(電流モード方法)と出力電圧検
出に基づいてPWMパルスを形成する電圧制御方法(電
圧モード方法)との2種類がある。
【0003】電圧電流併用制御方法の従来のスイッチン
グ電源装置は、図7に示すように、直流電源1の一端と
他端との間にトランス2のインダクタンスを有する1次
巻線3を介して例えば電界効果トランジスタから成るス
イッチング素子4を接続し、トランス2の2次巻線5に
整流平滑回路6と出力端子7とを介して負荷8を接続
し、スイッチング素子4をPWMパルスでオン・オフ制
御するように構成されている。
【0004】また、PWMパルスを電圧電流併用方法で
形成するために、電圧検出回路9と電流検出器としての
抵抗10とが設けられている。電圧検出回路9は出力端
子7とグランドとの間に接続された分圧用抵抗11、1
2と、基準電圧源13と、一方の入力端子が抵抗11、
12の分圧点に接続され、他方の入力端子が基準電圧源
13に接続された誤差増幅器14と、この誤差増幅器1
4に接続された発光ダイオード15とから成る。発光ダ
イオード15は出力端子7の電圧に対応した強さの光信
号を出力する。電流検出用抵抗10はスイッチング素子
4と電源1の他端(グランド)との間に接続され、スイ
ッチング素子4に流れる電流に対応した電圧を発生す
る。
【0004】電圧検出信号と電流検出信号を合成して合
成検出信号を形成するための合成検出信号形成回路とし
て、ホトトランジスタ16と抵抗17とコンデンサ18
とが設けられている。即ち、電源端子19と電流検出用
抵抗10の右端との間にホトトランジスタ16と抵抗1
7とが接続され、これ等の接続中点が比較器20の一方
の入力端子に接続されている。
【0005】比較器20の他方の入力端子は基準電圧V
thを与える基準電圧源20aに接続されている。従っ
て、比較器20は合成検出信号Vinと基準電圧Vthとの
比較出力パルスを発生する。
【0006】発振器21は、方形波パルス出力端子aと
グランド端子bとを有し、PWMパルスを得るために一
定周期で方形波パルスを発生する。
【0007】RSフリップフロップ22はPWMパルス
形成回路として設けられており、このセット端子Sは発
振器21に接続され、リセット端子Rは比較器20に接
続され、出力端子Qはスイッチング素子4の制御端子
(ゲート)に接続されている。
【0008】制御回路の電圧を得るために、3次巻線2
3が設けられ、ここに整流平滑回路24が接続され、こ
の出力が端子19に供給されている。比較器20、発振
器21、フリップフロップ22に対する電源の接続が図
7では省略されているが、これ等も端子19に接続され
ている。
【0009】図7のスイッチング電源装置において、ス
イッチング素子4のオン期間には1次巻線3のインダク
タンスのためにスイッチング素子4を通って流れる電流
は時間と共に増大する波形(のこぎり波)になる。一
方、発光ダイオード15に光結合されたホトトランジス
タ16は出力電圧に対応した導通状態となり、この両端
抵抗値は出力電圧が高い時に低く、出力電圧が低い時に
高くなる。比較器20の一方の入力端子には、電源端子
19の電圧+Vccから電流検出用抵抗10の電圧を差し
引いた値をホトトランジスタ16の抵抗と抵抗17とで
分圧した信号Vinが入力する。比較器20においては図
8(A)に示すように合成検出信号Vinと基準電圧Vth
とが比較され基準電圧Vthを合成検出信号Vinが横切っ
た時に図8(B)に示す比較出力パルスを発生する。こ
の比較出力パルスはPWMパルスの終了時点を示す信号
として使用される。発振器21は図8(C)に示すよう
に一定周期で方形波パルスを発生し、フリップフロップ
22はこのパルスでトリガされてセット状態となり、図
8(B)の比較出力パルスでリセットされて図8(D)
のPWMパルスを形成し、これをスイッチング素子4に
送る。これにより定電圧制御が達成される。また、スイ
ッチング素子4に過電流が流れることを防止できる。
【0010】図8には図7の負荷8が小さい時の波形が
実線で示され、負荷8が大きい時の波形が点線で示され
ている。図8(A)の実線の波形と点線の波形との比較
から明らかなように、負荷8の大小即ちスイッチング素
子4の電流の大小によってのこぎり波の部分の振幅が大
幅に変化する。負荷8が大きい時にはのこぎり波の部分
の振幅が十分に大きいのでノイズ等に基づく誤動作の恐
れは少ないが、負荷8が小さくなると、のこぎり波の部
分の振幅が小さくなるために、ノイズによる誤動作の恐
れが多くなる。即ち、負荷8が小さい時にはノイズが基
準電圧Vthを横切る可能性が大きくなり、誤まった比較
出力が発生し、PWMパルスが正常に得られなくなる。
【0011】電圧制御方法の従来のスイッチング電源装
置は、図9に示すように構成されている。図9におい
て、図7と共通する部分には同一の符号を付してその説
明を省略する。図9では電流検出が比較器20の入力に
無関係であり、この比較器20の入力端子には、電源端
子19とグランドとの間に接続された抵抗25とホトト
ランジスタ16との分圧点が接続されている。また比較
器20の他方の入力端子には発振器21の三角波出力端
子cが接続されている。また、PWMパルス形成回路と
してANDゲート26が設けられ、この一方の入力端子
が比較器20に接続され、他方の入力端子が発振器21
の方形波出力端子aに接続され、出力端子がスイッチン
グ素子4の制御端子に接続されている。また、図示は省
略されているが過電流保護回路が設けられている。
【0012】図9の発振器21は三角波出力端子cから
図10(A)に示すように三角波電圧V3 を一定周期で
発生すると共に、方形波出力端子aから図10(C)に
示す方形波を三角波電圧V3 と同一の周期で発生する。
比較器20は電源端子19の電圧+Vccを抵抗25とホ
トトランジスタ16の抵抗とで分圧した値に相当する帰
還制御電圧Vf と三角波電圧V3 とを図10(A)に示
すように比較し、制御電圧Vf を三角波電圧V3 が横切
る期間に対応した比較出力パルスを図10(B)に示す
ように発生する。PWMパルス形成回路としてのAND
ゲート26は図10(B)の比較出力パルスと図10
(C)の方形波パルスとが同時に高レベルになる期間に
対応して図10(D)に示す高レベルのPWMパルスを
発生する。
【0013】図10の電圧制御方法のスイッチング電源
装置では、電流検出によるのこぎり波の振幅低下による
誤動作の問題は発生しない。しかし、比較器20、AN
Dゲート26等の応答速度やスイッチング素子4の遅れ
等によって軽負荷時にPWMパルスを十分に絞り込めな
いという問題があった。即ち、PWMパルスの幅を狭く
しようとすると、間欠発振を起す恐れがあった。この種
の問題はダミー負荷を接続することによって解決するこ
とができるが、電力損失が生じ、効率の悪化を招く。
【0014】そこで、本考案の目的は、軽負荷時の異常
動作を簡単な回路で達成することができるスイッチング
電源装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第1番目の考案は、1次巻線と2次巻線を有するトラ
ンスと、直流電源の一端と他端との間に前記1次巻線を
介して接続されたスイッチング素子と、前記2次巻線に
接続された整流平滑回路と、前記直流電源と前記整流平
滑回路の出力端子との間から選択された特定位置の電圧
を検出する電圧検出回路と、前記スイッチング素子を通
って流れる電流を検出するための電流検出器と、前記電
圧検出回路と前記電流検出器とに結合され、前記電圧検
出回路で検出した電圧及び前記電流検出器で検出した電
流の大きさに応じて変化する合成検出信号を形成する合
成検出信号形成回路と、基準電圧を発生する基準電圧源
と、前記合成検出信号形成性回路と前記基準電圧源とに
接続され、前記基準電圧を前記合成検出信号が横切った
時に出力パルスを発生する比較器と、制御端子に印加さ
れる電圧に応じて出力パルスの発生の周期が変化する可
変周期発振器と、前記比較器と前記発振器とに接続さ
れ、前記発振器の出力パルスの発生時点から前記比較器
の出力パルスの発生時点までの幅を有するPWMパルス
を形成し、このPWMパルスを前記スイッチング素子の
制御端子に供給するPWMパルス形成回路と、前記PW
Mパルス形成回路の出力端子に接続され、前記PWMパ
ルスの幅に対応した電圧を得て前記発振器の前記制御端
子に供給する制御信号形成回路とから成るスイッチング
電源装置に係わるものである。上記目的を達成するため
の第2番目の考案は、1次巻線と2次巻線を有するトラ
ンスと、直流電源の一端と他端との間に前記1次巻線を
介して接続されたスイッチング素子と、前記2次巻線に
接続された整流平滑回路と、前記直流電源と前記整流平
滑回路の出力端子との間から選択された特定位置の電圧
を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路に結合さ
れ、前記電圧検出回路で検出した電圧に基づいて電圧制
御信号を形成する電圧制御信号形成回路と、方形波パル
ス及び三角波を同一周期で発生するように形成されてお
り、前記方形波パルス及び三角波の発生周期を制御する
ための制御端子を有している可変周期発振器と、前記電
圧制御信号形成回路と前記発振器の三角波出力端子とに
接続され、前記電圧制御信号と前記三角波との比較出力
パルスを発生する比較器と、前記比較器と前記発振器の
方形波パルス出力端子とに接続され、前記比較器の出力
パルスと前記発振器の方形波パルスとが同時に発生して
いる期間に対応してPWMパルスを発生し、このPWM
パルスを前記スイッチング素子の制御端子に供給するP
WMパルス形成回路と、前記PWMパルス形成回路の出
力端子に接続され、前記PWMパルスの幅に対応した電
圧を得て前記発振器の前記制御端子に供給する制御信号
形成回路とから成るスイッチング電源装置に係わるもの
である。なお、請求項3に示すように制御信号形成回路
は、抵抗とコンデンサとの直列回路で形成することが望
ましい。
【0016】
【考案の作用及び効果】本願の第1及び第2番目の考案
によれば、PWMパルス形成回路に接続された制御信号
形成回路によってPWMパルスの幅に対応する電圧を
得、これで発振器を制御するので、軽負荷時に方形波パ
ルス又は方形波パルスと三角波電圧の周期を簡単な回路
構成で長くすることができる。第1番目の考案によって
方形波パルスの周期が長くなるとPWMパルスの周期も
長くなり、電流検出に基づくのこぎり波の振幅が高くな
り、比較器においてノイズが不要になる。従って、軽負
荷時の安定的動作が可能になる。また、請求項3によれ
ば、制御信号を極めて簡単に得ることができる。
【0017】
【第1の実施例】次に、図1〜図3を参照して本考案の
実施例に係わるスイッチング電源装置を説明する。但
し、図1〜図3において、図7及び図8と共通する部分
には同一の符号を付してその説明を省略する。図1と図
7との相違点は、発振器21が方形波パルス出力端子a
と三角波出力端子cの出力波形の周期を制御するための
端子dを有し、この端子dが抵抗30とコンデンサ31
との接続中点に接続されていることである。抵抗30と
コンデンサ31とはPWMパルスのパルス幅に対応する
制御信号Vc を形成する回路を構成するものであって、
フリップフロップ22の出力端子Qとグランドとの間に
接続され、コンデンサ31の電圧が制御信号Vc として
発振器21の制御端子dに供給されるように構成されて
いる。図1において上記以外の回路構成は図7と同一で
ある。
【0018】図2は発振器21の詳細を示す。この発振
器21は第1及び第2のオペアンプ32、33と、発振
用コンデンサ34と、放電電流制御用トランジスタ35
と、ツエナーダイオード36と、電源ライン37と、9
個の抵抗R1 〜R9 とから成る。抵抗R1 、R2 は電源
ライン37とグランド端子bとの間に接続され、これ等
の分圧点に第1のオペアンプ32の+入力端子が接続さ
れている。抵抗R3 は第1のオペアンプ32の+入力端
子と出力端子との間に接続されている。抵抗R4 は電源
ライン37と第1のオペアンプ32の出力端子との間に
接続されている。発振用コンデンサ34は第1のオペア
ンプ32の−入力端子とグランド端子bとの間に接続さ
れている。コンデンサ34の一端とオペアンプ32の出
力端子との間には充電用抵抗R5 が接続されていると共
にトランジスタ35を介して放電用抵抗R6 が接続され
ている。抵抗R7 はコンデンサ34の一端とトランジス
タ35のベースとの間に接続されている。制御端子dは
第2のオペアンプ33の+入力端子に接続されている。
このオペアンプ33の−入力端子はこの出力端子に接続
されている。第2のオペアンプ33の出力端子は抵抗R
8 、R9 を介してトランジスタ35のベースに接続され
ている。ツエナーダイオード36の抵抗R8、R9 の接
続点とグランド端子bとの間に接続されている方形波パ
ルス出力端子aは第1のオペアンプ32に接続され、三
角波出力端子cはコンデンサ34に接続されている。
【0019】図2の発振器21において、第1のオペア
ンプ32の出力が高レベルの期間に、抵抗R5 を介して
コンデンサ34が充電され、所定値まで充電されると第
1のオペアンプ32の出力が低レベルになり、コンデン
サ34の放電電流が抵抗R6とトランジスタ35を介し
て流れる。これにより、出力端子aには方形波パルスが
得られ、出力端子cには三角波が得られる。制御端子d
の電圧が変化すると、トランジスタ35の抵抗が変化
し、コンデンサ34の放電時定数が変化し、方形波パル
ス及び三角波の周期も変化する。
【0020】図3において、実線で示す波形は負荷8が
小さい時の各部の波形を示し、点線で示す波形は負荷8
が大きい時の各部の波形を示す。負荷8が小さい時に
は、PWMパルスの幅が狭くなるので、コンデンサ31
から得られる制御電圧Vc も図3(E)に示すように低
い。この結果、発振器21の方形波パルス及び三角波の
周期が図3(C)(F)に示すように比較的長い。一
方、負荷8が大きい時には、PWMパルスの幅が大きく
なるので、制御電圧Vc も図3(E)の点線で示すよう
に高くなり、発振器21の方形波パルス及び三角波の周
期が短くなる。発振器21の出力周期が図3(C)
(F)に示すように変化すると、PWMパルスの周期も
図3(D)に示すように変化する。
【0021】軽負荷時にPWMパルスの周期が長くなる
ということは、負荷8に所定の電力を供給する場合に、
PWMパルスの周期が短い時よりもスイッチング素子4
に大きな電流を流すことができることを意味する。この
結果、スイッチング素子4を通って流れる傾斜電流の振
幅を大きくすることが可能になり、図3(A)に示す電
圧電流合成検出信号Vinののこぎり波部分の振幅が大き
くなり、ノイズによる誤動作が防止される。
【0022】
【第2の実施例】次に、図4及び図5を参照して第2の
実施例のスイッチング電源装置を説明する。但し、図4
及び図5において図1〜図3及び図9、図10と共通す
る部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図
4は図9の回路に抵抗30とコンデンサ31とを付加し
たものである。抵抗30とコンデンサ31とから成る制
御信号形成回路はANDゲート26の出力端子とグラン
ドとの間に接続され、図1と同様に機能する。即ち、P
WMパルスの幅の変化に応じて発振器21の方形波パル
ス及び三角波の周期を変化させる。図4の発振器21は
図2の発振器21と同一構成であるが、図1に適用する
場合に比べて充電時定数が長く設定されている。
【0023】図5の実線の波形は負荷8が小さい時の図
4の各部の波形を示し、点線の波形は負荷8が大きい時
の図4の各部の波形を示す。負荷8が小さい時にはPW
Mパルスの幅が狭いため、抵抗30とコンデンサ31と
から成るPWMパルス幅に対応した制御信号形成回路か
ら図5(E)に示す比較的低い制御電圧Vc が発生す
る。発振器21の制御端子dに低い制御電圧Vc が与え
られた時には図5(C)に示す出力端子aの方形波パル
スの周期及び図5(A)に示す出力端子cの三角波電圧
V3 の周期が共に長くなる。このため、PWMパルスの
周期が図5(D)に示すように長くなる。この結果、所
定の出力電圧(負荷電圧)を得る場合に、PWMパルス
の幅を周期が短い場合に比べて大きくすることが可能に
なり、異常発振の発生等を防ぐことが可能になる。な
お、負荷8が大きい場合には、これが小さい場合に比べ
て、制御電圧Vc は高くなり、発振器21の方形波パル
ス及び三角波の周期は短くなり、PWMパルスの周期も
短くなる。
【0024】
【変形例】本考案は上述の実施例に限定されるものでな
く、例えば次の変形が可能なものである。
【0025】図1及び図4の発振器21を図6のように
構成することができる。図6の発振器21は第1及び第
2のオペアンプ41、42と、ダイオード43、44、
45、46と、ツエナーダイオード47と、抵抗48、
49、50、51、52、53、54、55とコンデン
サ56から成る抵抗48、49は電源ライン57とグラ
ンド端子bとの間に接続され、これ等の分圧点が第1の
オペアンプ41の一方の入力端子に接続されている。第
1のオペアンプ41の他方の入力端子とグランドとの間
に三角波発生用のコンデンサ56が接続されている。コ
ンデンサ56の上端は抵抗50、51を介して電源ライ
ン57に接続されていると共に抵抗50とダイオード4
4を介してオペアンプ41の出力端子にも接続されてい
る。電源ライン57とオペアンプ41の出力端子との間
には抵抗52とダイオード45の直列回路及び抵抗53
が接続されている。なお、方形波パルス出力端子aはオ
ペアンプ41に接続されている。三角波出力端子cはコ
ンデンサ56の上端に接続されている。制御端子dは抵
抗54、55を介して第2のオペアンプ42の一方の入
力端子に接続されている。ツエナーダイオード47は抵
抗54、55の接続点とグランドとの間に接続されてい
る。第2のオペアンプ42の他方の入力端子はこの出力
端子に接続されている。抵抗48、49の分圧点Pと第
2のオペアンプ42の出力端子との間にダイオード43
が接続されている。ダイオード46は抵抗52とダイオ
ード45の接続点と第2のオペアンプ42の一方の入力
端子との間に接続されている。図6の第1のオペアンプ
41の出力が高レベルの時には、ダイオード46がオン
になるので第2のオペアンプ42の+入力端子も高レベ
ルとなり、ダイオード43はオフに保たれ、第1のオペ
アンプ41の+入力端子は一定電圧に保たれる。第1の
オペアンプ41の出力が低レベルの時には、ダイオード
46がオフになり、第2のオペアンプ42の+入力端子
は制御端子dの制御電圧Vc になる。この制御電圧Vc
及びこの時の第2のオペアンプ42の出力電圧は電源電
圧+Vcc及び抵抗49の両端電圧よりも低く設定されて
いるので、ダイオード43はオンになる。この結果、抵
抗49の両端電圧即ち第1のオペアンプ41の+入力電
圧が制御電圧Vc の変化に応じて変化し、コンデンサ5
6の充電開始点が変化し、コンデンサ56の充放電周期
及び第1のオペアンプ41の出力パルスの発生周期が変
化する。
【0026】図1及び図4において電圧検出回路9を出
力端子7に接続する代りに、電源1の電圧(入力電圧)
又はトランス2における電圧を検出するように構成する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例のスイッチング電源装置を示す回
路図である。
【図2】図1の発振器を示す回路図である。
【図3】図1のA〜F点の状態を示す波形図である。
【図4】第2の実施例のスイッチング電源装置を示す回
路図である。
【図5】図4のA〜E点の状態を示す波形図である。
【図6】発振器の変形例を示す回路図である。
【図7】従来のスイッチング電源装置を示す回路図であ
る。
【図8】図7のA〜D点の状態を示す波形図である。
【図9】従来の別のスイッチング電源装置を示す回路図
である。
【図10】図9のA〜D点の状態を示す波形図である。
【符号の説明】
4 スイッチング素子 20 比較器 21 発振器 22 フリップフロップ

Claims (3)

    (57)【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1次巻線と2次巻線を有するトランス
    と、 直流電源の一端と他端との間に前記1次巻線を介して接
    続されたスイッチング素子と、 前記2次巻線に接続された整流平滑回路と、 前記直流電源と前記整流平滑回路の出力端子との間から
    選択された特定位置の電圧を検出する電圧検出回路と、 前記スイッチング素子を通って流れる電流を検出するた
    めの電流検出器と、 前記電圧検出回路と前記電流検出器とに結合され、前記
    電圧検出回路で検出した電圧及び前記電流検出器で検出
    した電流の大きさに応じて変化する合成検出信号を形成
    する合成検出信号形成回路と、 基準電圧を発生する基準電圧源と、 前記合成検出信号形成回路と前記基準電圧源とに接続さ
    れ、前記基準電圧を前記合成検出信号が横切った時に出
    力パルスを発生する比較器と、 制御端子に印加される電圧に応じて出力パルスの発生の
    周期が変化する可変周期発振器と、 前記比較器と前記発振器とに接続され、前記発振器の出
    力パルスの発生時点から前記比較器の出力パルスの発生
    時点までの幅を有するPWMパルスを形成し、このPW
    Mパルスを前記スイッチング素子の制御端子に供給する
    PWMパルス形成回路と、 前記PWMパルス形成回路の出力端子に接続され、前記
    PWMパルスの幅に対応した電圧を得て前記発振器の前
    記制御端子に供給する制御信号形成回路とから成るスイ
    ッチング電源装置。
  2. 【請求項2】 1次巻線と2次巻線を有するトランス
    と、 直流電源の一端と他端との間に前記1次巻線を介して接
    続されたスイッチング素子と、 前記2次巻線に接続された整流平滑回路と、 前記直流電源と前記整流平滑回路の出力端子との間から
    選択された特定位置の電圧を検出する電圧検出回路と、 前記電圧検出回路に結合され、前記電圧検出回路で検出
    した電圧に基づいて電圧制御信号を形成する電圧制御信
    号形成回路と、 方形波パルス及び三角波を同一周期で発生するように形
    成されており、前記方形波パルス及び三角波の発生周期
    を制御するための制御端子を有している可変周期発振器
    と、 前記電圧制御信号形成回路と前記発振器の三角波出力端
    子とに接続され、前記電圧制御信号と前記三角波との比
    較出力パルスを発生する比較器と、 前記比較器と前記発振器の方形波パルス出力端子とに接
    続され、前記比較器の出力パルスと前記発振器の方形波
    パルスとが同時に発生している期間に対応してPWMパ
    ルスを発生し、このPWMパルスを前記スイッチング素
    子の制御端子に供給するPWMパルス形成回路と、 前記PWMパルス形成回路の出力端子に接続され、前記
    PWMパルスの幅に対応した電圧を得て前記発振器の前
    記制御端子に供給する制御信号形成回路とから成るスイ
    ッチング電源装置。
  3. 【請求項3】 前記制御信号形成回路は、前記PWMパ
    ルス形成回路とグランドとの間に接続された抵抗とコン
    デンサとの直列回路であり、前記コンデンサの電圧を制
    御信号とするものである請求項1又は2記載のスイッチ
    ング電源装置。
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