JP3417858B2 - カレントリミッタ機能付き電源装置 - Google Patents

カレントリミッタ機能付き電源装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電源装置の起動時
に発生する突入電流を抑制するための技術に関する。
【0002】
【従来の技術】電源装置の出力側には通常、電力の貯蔵
あるいは電圧変動の抑制などのためにコンデンサ(出力
コンデンサ)が並列に接続されるが、しばしばこの出力
コンデンサの存在は、装置の起動時において過渡的な大
電流、すなわち突入電流を発生させる原因となる。突入
電流はノイズを誘発したり、その系統に連なる回路ある
いは装置にストレスを与えるなど有害性が高く、できる
だけ小さくすることが望ましい。電源装置の突入電流を
抑制するための手段としては、定常運転時には短絡され
るインピーダンス回路を電源装置の入力側に接続すると
いう手段と、起動時においてスイッチング素子のオンデ
ューティを短くするという手段の2つが良く知られてい
る。この他にも様々な突入電流抑制の手段が存在し、例
えば、図3に示すような構成として突入電流を抑制する
電源装置も存在した。
【0003】図3は、カレントリミッタ回路を設けるこ
とで突入電流の抑制を可能とした従来の電源装置の回路
を示しており、以下のような構成としている。なお図3
において、1と2は高電位側の入力端子と出力端子を示
し、低電位側の入力端子と出力端子についてはアースに
接続されているものとし、図示は省略してある。入力端
子1と出力端子2の間にスイッチングトランジスタQ1
とチョークコイルL1が直列に接続され、チョークコイ
ルL1の出力端子側2の一端とアースとの間に出力コン
デンサC2が接続され、チョークコイルL1の他端とア
ースとの間にダイオードD1が接続される。このスイッ
チングトランジスタQ1、チョークコイルL1、出力コ
ンデンサC2およびダイオードD1によって降圧チョッ
パ型のコンバータ回路が形成されている。
【0004】制御回路3を設け、制御回路3のパルス出
力端子POを抵抗R8を介してスイッチングトランジス
タQ1のベースに接続し、電圧検出端子FBを出力端子
2とアースとの間に直列接続された抵抗R1と抵抗R2
の接続点に接続する。抵抗R8に対して並列に抵抗R9
と制御トランジスタQ5の直列回路を接続し、制御トラ
ンジスタQ5のベースを抵抗R10を介して出力端子2
に接続している。ここで、抵抗R8、抵抗R9、制御ト
ランジスタQ5および抵抗R10によりカレントリミッ
タ回路8が形成されている。なお、入力端子1とアース
間に接続されたC1はフィルタ用のコンデンサである。
以上のような構成とした図3の回路では、その起動時に
おける概略の動作が以下のようになっていた。
【0005】入力端子1に外部より電圧が供給される
と、先ず制御回路3が動作を開始し、そのパルス出力端
子POに所定のオンディーティを有する駆動信号が出現
する。するとスイッチングトランジスタQ1は、その駆
動信号に従って導通状態あるいは遮断状態となり、導通
状態の時においてエミッタ、コレクタ端子間の主電流路
に電流を通過させる。この電流はチョークコイルL1を
介して出力コンデンサC2に流入し、その端子間電圧を
上昇させていく。起動直後で出力コンデンサC2の端子
間電圧がほぼ零である時、制御トランジスタQ5はオフ
状態であり、スイッチングトランジスタQ1のベース電
流はほぼ抵抗R8によって決定される。ここで、抵抗R
8には高抵抗値の素子が使用されているため、スイッチ
ングトランジスタQ1のベース電流は小さな値となり、
そのエミッタ、コレクタ間を通過する電流のピーク値は
小さな値に制限される。その結果、入力端子1から回路
に流入する突入電流は抑制されることになる。
【0006】スイッチングトランジスタQ1を通過した
電流によって出力コンデンサC2の充電が行われ、その
端子間電圧が上昇すると、やがて制御トランジスタQ5
は導通し、抵抗R9と制御トランジスタQ5の直列回路
にも電流が流れるようになる。この抵抗R9と制御トラ
ンジスタQ5の直列回路に流れる電流は出力コンデンサ
C2の端子間電圧の上昇に伴って大きくなり、スイッチ
ングトランジスタQ1のベース電流を次第に増加させ
る。すると、スイッチングトランジスタQ1のエミッ
タ、コレクタ間を通過する電流のピーク値も次第に大き
くなり、出力コンデンサC2および出力端子2に連なる
外部の負荷に対してより多くの電流供給が行われるよう
になる。
【0007】そして出力コンデンサC2の端子間電圧が
所定の値以上になると制御トランジスタQ5はオン状態
となり、実質的にスイッチングトランジスタQ1のベー
スとパルス出力端子POの間は抵抗R8と抵抗R9の並
列回路となる。これによりスイッチングトランジスタQ
1のベース電流と、そのエミッタ、コレクタ間を通過す
る電流値が大きくなり、出力コンデンサC2および出力
端子2に連なる外部負荷に充分な電流が供給されるよう
になる。これ以後、スイッチングトランジスタQ1は、
制御回路3のパルス出力端子POに現れる信号に従って
通常のスイッチング動作を行い、図3に示す回路は定常
運転状態となる。
【0008】つまり図3に示す回路構成の電源装置は、
抵抗R8、抵抗R9、制御トランジスタQ5および抵抗
R10からなるカレントリミッタ回路8によって、起動
時にはスイッチングトランジスタQ1のベース電流を小
さく絞り込み、トランジスタ素子のコレクタ飽和電流の
定電流特性を利用してスイッチングトランジスタQ1を
通過する電流を小さく抑える。そして、出力コンデンサ
C2の端子間電圧、すなわち電源装置の出力電圧に応じ
てスイッチングトランジスタQ1の通過電流を次第に大
きくし、大きな突入電流が流れることを防止しながら電
源装置を起動させるものであった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】図3に示す電源装置の
各部に現れる電圧を検証すると、スイッチングトランジ
スタQ1がオフ状態である時、制御回路3のパルス出力
端子POの位置における電圧は、ほぼ入力電圧に等しい
大きさとなる。一方、図3に示す回路は降圧チョッパ型
コンバータの構成となっていることから、入力端子1に
供給される入力電圧は出力端子2に現れる出力電圧より
高い値となる。すると、スイッチングトランジスタQ1
がオフ状態である時、カレントリミッタ回路8を構成す
る制御トランジスタQ5のベース、エミッタ間には入力
電圧と出力電圧の差に相当する大きさの逆バイアス電圧
が印加されてしまう。
【0010】もし仮に、入力端子1に電圧値の高い入力
電圧が印加され、その入力電圧と出力電圧との差が制御
トランジスタQ5のベース、エミッタ間の降伏電圧以上
となると、制御トランジスタQ5が破損する恐れがあ
る。そのため、図3に示す回路構成とした電源装置は、
入力電圧と出力電圧の差が常に制御トランジスタQ5の
ベース、エミッタ間の逆降伏電圧以下となる仕様にしか
適用できず、入力電圧が大きく変動する可能性がある場
合には電源装置の安全性に問題があった。そこで本発明
は、適用条件が入力電圧と出力電圧の差の大きさに制限
されず、安全性の高いカレントリミッタ機能付き電源装
置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明のカレントリミッ
タ機能付き電源装置は、制御回路からの信号に応じて電
流制御素子を通過する電流の流量を変化させ、所望の電
圧値、あるいは電流値の出力を得る電源装置において、
制御回路からの信号に応じて該電流制御素子の制御端子
にバイアスを供給するための第1のバイアス回路と第2
のバイアス回路を具備し、ここで、第1のバイアス回路
は電流制御素子の制御端子と駆動回路の間に接続された
第1の抵抗素子を有し、第2のバイアス回路は、電流制
御素子の制御端子に接続され、制御回路からの信号に応
じて電流制御素子の制御端子にバイアスを供給する駆動
回路と、駆動回路と基準電位点の間に接続され、駆動回
路を介して電流制御素子の制御端子に供給されるバイア
スの大きさを、電流制御素子より出力側に現れた電圧あ
るいは電流に相当する信号に応じて変化させるカレント
リミッタ回路とを有することを特徴とするカレントリミ
ッタ機能付き電源装置。
【0012】
【発明の実施の形態】電流制御素子の制御端子と制御回
路との間に第1のバイアス回路を接続し、さらに電流制
御素子の制御端子に第2のバイアス回路を接続する。こ
こで第2のバイアス回路は、制御回路から供給される駆
動信号に応じて電流制御素子にバイアスを供給するため
の駆動回路と、駆動回路を介して電流制御素子に供給す
るバイアスの大きさを電流制御素子の出力に応じて変化
させるカレントリミッタ回路より構成する。具体的に、
前記駆動回路は、2つの極性の異なるトランジスタ素子
を相補接続し、相補接続トランジスタ回路の共通接続し
たエミッタを電流制御素子の制御端子に接続する。さら
に相補接続トランジスタ回路の共通接続したベースは制
御回路に接続し、一方のコレクタは電流制御素子の電流
入力側端子に接続して構成する。
【0013】また、前記カレントリミッタ回路は、駆動
回路の他方のコレクタと基準電位点との間に制御トラン
ジスタの主電流路を接続し、制御トランジスタのベース
を抵抗素子を介して電流制御素子の電流出力側端子に接
続し、制御トランジスタのベースと基準電位点との間に
コンデンサ素子を接続して構成する。なお、制御トラン
ジスタのベースを電源装置の出力コンデンサの一端に接
続し、先のコンデンサ素子を省略した回路構成としても
構わない。
【0014】
【実施例】適用条件が入力電圧と出力電圧の差の大きさ
に制限されない、本発明の第1の実施例に係るカレント
リミッタ機能付き電源装置の回路図を図1に示した。図
1に示す回路は、スイッチングトランジスタQ1、チョ
ークコイルL1、ダイオードD1および出力コンデンサ
C2を、それぞれ図3の回路と同様に降圧チョッパ型コ
ンバータの回路構成となるように接続する。そして、ス
イッチングトランジスタQ1のベースと制御回路3の間
に設けられる、スイッチングトランジスタQ1にバイア
スを供給するための回路部分を以下のような構成として
いる。スイッチングトランジスタQ1のベースと制御回
路3のパルス出力端子POとの間に抵抗R4を接続す
る。この抵抗R4が第1のバイアス回路4となる。
【0015】極性の異なる第1と第2の駆動用トランジ
スタQ2、Q3を、互いのベース同士、エミッタ同士を
共通接続した相補動作回路の形で回路中に設ける。駆動
用トランジスタQ2、Q3の各エミッタの共通接続点は
ベース電流制限用の抵抗R3とコンデンサC3の並列回
路を介してスイッチングトランジスタQ1のベースに接
続する。駆動用トランジスタQ2、Q3の各ベースの共
通接続点は制御回路3のパルス出力端子POに接続し、
またその共通接続点は抵抗R5を介して入力端子1に接
続する。第1の駆動用トランジスタQ2のコレクタは入
力端子1に接続する。
【0016】第2の駆動用トランジスタQ3のコレクタ
に制御トランジスタQ4のコレクタを接続し、制御トラ
ンジスタQ4のエミッタをアースに接続する。制御トラ
ンジスタQ4のベースを抵抗R6を介してスイッチング
トランジスタQ1の電流出力側端子、すなわちコレクタ
に接続し、制御トランジスタQ4のベースとアースとの
間にそれぞれ抵抗R7とコンデンサC4を接続する。以
上の第1と第2の各駆動用トランジスタQ2、Q3およ
び抵抗R5によって駆動回路5が形成され、制御トラン
ジスタQ4、抵抗R6、R7およびコンデンサC4によ
りカレントリミッタ回路6aが形成され、これら駆動回
路5とカレントリミッタ回路6aにより第2のバイアス
回路7が構成される。
【0017】このような回路構成とした場合、入力端子
1に外部より電圧が供給されると、制御回路3が動作を
開始し、そのパルス出力端子POに所定のオンディーテ
ィの駆動信号を出現させる。図1の回路では、パルス出
力端子POの位置の電圧が低い時、スイッチングトラン
ジスタQ1のベースから抵抗R4を介してパルス出力端
子POに至る第1の経路と、スイッチングトランジスタ
Q1のベースから抵抗R3とコンデンサC3の並列回
路、オン状態となった駆動用トランジスタQ3、そして
制御トランジスタQ4を介してアースに至る第2の経路
にてスイッチングトランジスタQ1のベース電流が流れ
る構成となっている。従ってスイッチングトランジスタ
Q1は、パルス出力端子POに出現した駆動信号に応じ
て各経路を流れるベース電流によってバイアスを受け、
オン、オフ動作を行うことになる。
【0018】ところで、電源装置の起動直後にはコンデ
ンサC4の端子間電圧はほぼ零であり、制御トランジス
タQ4はオフ状態である。このため、前記第2の経路に
は電流が流れ得ず、スイッチングトランジスタQ1は前
記第1の経路を流れるベース電流のみによりバイアスの
供給を受け、動作を行う。ここで、抵抗R4に電気抵抗
の高い素子を適用しておくと、抵抗R4の高抵抗により
スイッチングトランジスタQ1のベース電流は小さな値
となる。すると、スイッチングトランジスタQ1のエミ
ッタ、コレクタ間を通過する電流のピーク値は小さな値
に制限され、その結果、入力端子1から回路に流入する
突入電流は抑制される。
【0019】スイッチングトランジスタQ1を通過した
電流はチョークコイルL1あるいは抵抗R6を介して出
力コンデンサC2およびコンデンサC4に流入し、各コ
ンデンサを充電する。充電によってコンデンサC4の端
子間電圧が上昇すると、やがて制御トランジスタQ4が
導通し、スイッチングトランジスタQ1のベース電流は
第2の経路にも流れるようになる。コンデンサC4の端
子間電圧の上昇に伴って制御トランジスタQ4を通過す
る電流、すなわち第2の経路を流れる電流が大きくな
り、スイッチングトランジスタQ1の全ベース電流を次
第に増加させる。すると、スイッチングトランジスタQ
1のエミッタ、コレクタ間を通過する電流のピーク値も
次第に大きくなり、出力コンデンサC2および出力端子
2に連なる外部の負荷に対してより多くの電流供給が行
われるようになる。
【0020】そして、コンデンサC4の端子間電圧が所
定の値以上になると制御トランジスタQ4はフルオン状
態となり、スイッチングトランジスタQ1のベース電流
は、起動後最大の大きさとなる。仮に図1の回路で使用
されている制御回路3が、内部のトランジスタ素子によ
ってパルス出力端子POとアースを接続あるいは遮断す
ることで駆動信号を示現させる構成のものであるとす
る。このような場合のスイッチングトランジスタQ1の
ベース電流の最大値は、ほぼ抵抗R3とコンデンサC3
と抵抗R4の並列回路のインピーダンス値と入力電圧の
大きさによって決定されることになる。これにより、起
動時の電源装置に流入する電流(突入電流)を抑制する
作用は無くなり、以後、図1に示す電源回路は定常運転
状態となる。
【0021】この図1に示すカレントリミッタ機能付き
電源装置では、制御トランジスタQ4のベースは抵抗R
6を介してスイッチングトランジスタQ1のコレクタに
接続し、制御トランジスタQ4のエミッタは基準電位
点、すなわちアースに接続する構成となっている。この
ような構成とすると、電圧値の高い入力電圧が印加され
ても、従来(図3)のように大きな逆バイアス電圧が制
御トランジスタQ4のベース、エミッタ間に印加される
事が無くなる。その結果、制御トランジスタQ4が破損
する恐れが無くなり、入力電圧と出力電圧の差によって
電源装置の適用条件が制限を受けることが無くなるとい
った効果を得ることができる。
【0022】また、図1のカレントリミッタ回路6aで
は、制御トランジスタQ4のベースとアースとの間にコ
ンデンサC4を接続し、制御トランジスタQ4のベース
を抵抗R6を介してスイッチングトランジスタQ1のコ
レクタに接続している。この構成により、起動時におけ
る制御トランジスタQ4の導通量の経時変化量を抵抗R
6の抵抗値とコンデンサC4の容量値によって任意に設
定でき、起動条件を負荷仕様や入力仕様に応じたものに
設定することが容易になるといった付随的な効果を得る
ことができる。
【0023】本発明の第2の実施例に係るカレントリミ
ッタ機能付き電源装置の回路図を図2に示した。図2に
示す回路は、図1の回路においてスイッチングトランジ
スタQ1のコレクタに接続していた抵抗R6の一端を出
力コンデンサC2の一端に接続するようにし、同時に、
図1の回路におけるコンデンサC4を省略したものであ
る。図1の回路は、コンデンサC4の端子間電圧に応じ
て制御トランジスタQ4の導通状態を変化させるもので
あった。これに対して図2に示す回路は、図1の回路に
おけるコンデンサC4の端子間電圧に代えて出力コンデ
ンサC2の端子間電圧を利用し、出力コンデンサC2の
端子間電圧に応じて制御トランジスタQ4の導通状態を
変化させるものとなっている。
【0024】このような構成とした図2の回路は、図1
の回路におけるコンデンサC4に係る構成部品の数を削
減できるという利点がある。ただし、制御トランジスタ
Q4の導通状態の経時変化量を設定する必要性がある場
合には、図1の回路と同様、図2の回路中に、さらに制
御トランジスタQ4のベース、エミッタ間にコンデンサ
を接続しても構わない。なお、図2に示すカレントリミ
ッタ回路6bおよび電源装置全体の動作は基本的にはコ
ンデンサC4の機能が出力コンデンサC2に取って代わ
られただけで、図1の回路とほぼ同じである。
【0025】以上までに説明した図1と図2の回路で
は、駆動回路5を第1の駆動用トランジスタQ2と第2
の駆動用トランジスタQ3を相補接続した回路にて構成
している。しかし本発明を実施するに当たっては必ずし
もこの回路構成としなくても良く、例えば、2つ有る駆
動用トランジスタのうち一方を省略し、省略された駆動
用トランジスタの主電流路が接続されていた位置に電気
抵抗の比較的高い抵抗素子を接続する回路構成としても
構わない。さらに、本発明を適用する電源装置として、
各実施例の回路では降圧チョッパ型のコンバータ回路を
例示している。しかし、本発明を適用できる電源回路は
これに限られず、昇圧チョッパ型のコンバータ回路やト
ランスを使用した絶縁型のスイッチング電源回路にも適
用可能である。
【0026】各図に示された実施例の回路において、制
御トランジスタQ4のベースとアースとの間に抵抗R7
を接続しているが、例えば抵抗素子の代わりに定電圧ダ
イオード素子を接続しても良く、また場合によっては省
略することも可能である。また、各図に示された実施例
の回路において、抵抗R3は、制御トランジスタQ2が
オン状態になった時、スイッチングトランジスタQ1の
ベース電流を制限するものであり、コンデンサC3はス
ピードアップコンデンサである。そのため、この抵抗R
3とコンデンサC3の並列回路はスイッチングトランジ
スタQ1のベースと制御トランジスタQ4のエミッタを
結ぶ第2の経路上に接続されていれば良く、その接続位
置によって回路の動作が変わるものではない。
【0027】なお、各図に示された実施例の回路では、
第1のバイアス回路4の他端を制御回路3のパルス出力
端子POに接続して、駆動信号を直接、スイッチングト
ランジスタQ1のベースに供給している。しかし、この
第1のバイアス回路4に対して、そのベースがパルス出
力端子POに接続されたトランジスタを含む駆動回路を
直列に接続し、駆動信号を間接的にスイッチングトラン
ジスタQ1のベースに供給する回路構成としても構わな
い。このように本発明によるカレントリミッタ機能付き
電源装置は、図1、図2に示す回路構成に限定されず、
本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能であ
る。
【0028】
【発明の効果】以上に説明したように本発明によるカレ
ントリミッタ機能付き電源装置は、2つのバイアス回路
を有し、一方のバイアス回路には、制御回路からの信号
に応じて電流制限素子を駆動する駆動回路と、駆動回路
と基準電位点との間に接続されたカレントリミッタ回路
を設けた構成を特徴としている。このような構成とする
と、カレントリミッタ回路中の制御トランジスタのエミ
ッタはアースに接続された構造となり、入力電圧と出力
電圧の差が大きくなっても制御トランジスタが破損する
恐れが無くなる。その結果、入力電圧と出力電圧の差に
よって電源装置の適用条件が制限を受けることが無くな
る。
【0029】また、カレントリミッタ回路中の制御トラ
ンジスタの制御端子と主電流路の一端との間に接続した
コンデンサと第1の抵抗とにより、起動時における制御
トランジスタの導通状態の変化量を任意に設定できる。
このため、容易に起動条件を負荷仕様や入力仕様に応じ
たものに設定することができるといった付随的な効果も
得ることができる。従って本発明によれば、入力電圧と
出力電圧の差の大きさに制限されず、安全性の高いカレ
ントリミッタ機能付き電源装置を提供することが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例に係るカレントリミッ
タ機能付き電源装置の回路図。
【図2】 本発明の第2の実施例に係るカレントリミッ
タ機能付き電源装置の回路図。
【図3】 カレントリミッタ回路を設けることで突入電
流の抑制を可能とした従来の電源装置の回路図。
【符号の説明】
1:入力端子 2:出力端子 3:制御回路
4:第1のバイアス回路 5:駆動回路
6a、6b:カレントリミッタ回路 7:第2のバ
イアス回路 C2:出力コンデンサ C4:コ
ンデンサ(容量素子) PO:パルス出力端子
Q1:スイッチングトランジスタ(電流制御素子)
Q1:第2の駆動用トランジスタ(駆動用トランジ
スタ) Q3:第2の駆動用トランジスタ(駆動用トランジス
タ) Q4:制御トランジスタ R4:抵抗
(第3の抵抗) R6:抵抗(第1の抵抗あるいは
第2の抵抗)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 制御回路からの信号に応じて電流制御素
    子を通過する電流の流量を変化させ、所望の電圧値、あ
    るいは電流値の出力を得る電源装置において、 該制御回路からの信号に応じて該電流制御素子の制御端
    子にバイアスを供給するための第1のバイアス回路と第
    2のバイアス回路を具備し、ここで、該第1のバイアス回路は電流制御素子の制御端
    子と該駆動回路の間に接続された第1の抵抗素子を有
    し、 該第2のバイアス回路は、 該電流制御素子の制御端子に
    接続され、該制御回路からの信号に応じて該電流制御素
    子の制御端子にバイアスを供給する駆動回路と、該駆動
    回路と基準電位点の間に接続され、該駆動回路を介して
    該電流制御素子の制御端子に供給されるバイアスの大き
    さを、該電流制御素子より出力側に現れた電圧あるいは
    電流に相当する信号に応じて変化させるカレントリミッ
    タ回路とを有することを特徴とするカレントリミッタ機
    能付き電源装置。
  2. 【請求項2】 前記カレントリミッタ回路が、主電流路
    が前記駆動回路と基準電位点の間に接続された制御トラ
    ンジスタと、該制御トランジスタの制御端子と前記電流
    制御素子の電流出力側端子との間に接続された第2の抵
    と、該制御トランジスタの制御端子と主電流路の一端
    との間に接続された容量素子とを具備することを特徴と
    する、請求項1に記載したカレントリミッタ機能付き電
    源装置。
  3. 【請求項3】 前記カレントリミッタ回路が、主電流路
    が前記駆動回路と基準電位点との間に接続された制御ト
    ランジスタと、該制御トランジスタの制御端子と電源回
    路を構成する出力コンデンサの一端との間に接続された
    第3の抵抗とを具備することを特徴とする、請求項1に
    記載したカレントリミッタ機能付き電源装置。
  4. 【請求項4】 前記駆動回路が、制御端子が前記制御回
    路に接続され、主電流路の一端が前記電流制御素子の制
    御端子に接続された駆動用トランジスタを具備すること
    を特徴とする、請求項1から請求項3のいずれかに記載
    したカレントリミッタ機能付き電源装置。
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