JP3511195B2 - 電圧変換回路 - Google Patents

電圧変換回路

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JP3511195B2
JP3511195B2 JP23843397A JP23843397A JP3511195B2 JP 3511195 B2 JP3511195 B2 JP 3511195B2 JP 23843397 A JP23843397 A JP 23843397A JP 23843397 A JP23843397 A JP 23843397A JP 3511195 B2 JP3511195 B2 JP 3511195B2
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/30Reactive power compensation

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電圧変換回路にお
ける負荷電流の検出に適用して有効な技術に関し、例え
ばノート型パソコンのような携帯用電子機器に搭載され
る電源回路を構成するDC−DCコンバータに利用して
有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、スイッチングレギュレータのよう
なDC−DCコンバータにおいては、負荷電流の大きさ
に応じてスイッチング動作用クロックのパルス幅を変化
させるPWM制御やクロックの周波数を変化させるPF
M制御が行なわれており、かかる制御のため負荷電流を
検出する必要がある。従来の負荷電流検出方法は、電圧
変換回路の出力端子と負荷との間または電力増幅段と電
源出力端子との間に抵抗を直列に挿入して、その抵抗の
両端子間電圧を検出する方法が一般的であった(例え
ば、MAXIM社データブック1995年版、P4−1
96「電源コントローラ:MAX786」参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】負荷電流の検出に抵抗
を用いる従来のDC−DCコンバータにあっては、電流
検出用抵抗が半導体集積回路化されたDC−DCコンバ
ータの外付け部品として接続されるため、部品点数が増
加し実装密度が低下すると共に電力損失が増加するとい
う問題点があった。DC−DCコンバータの最大変換効
率ηmaxは、出力電圧をVout、負荷電流をIout、電流
検出用抵抗の抵抗値をRsensとすると、スイッチング素
子やインダクタ(コイル)の抵抗成分および寄生容量を
ゼロとした場合でも、次式ηmax=Vout・Iout/(Vout・Iout+Iout 2 ・Rsen
s) となる。仮に、出力電圧を3.3V、負荷電流を10
A、検出抵抗Rsensを25mΩとすると、変換効率は9
3%が上限であり、出力電圧が低く負荷電流が大きくな
るほど変換効率が下がることが分かる。
【0004】この発明の目的は、DC−DCコンバータ
において、外付け部品を設けたり、電力損失を生じさせ
ることなく負荷電流の大きさを検出することができる技
術を提供することにある。
【0005】この発明の他の目的は、高負荷時および軽
負荷時のいずれにおいても効率の高い電圧変換が可能な
DC−DCコンバータ特に携帯用電子機器の電源回路に
好適なDC−DCコンバータを提供することにある。
【0006】この発明の前記ならびにそのほかの目的と
新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面
から明らかになるであろう。
【0007】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のと
おりである。
【0008】すなわち、負荷が重いときはPWM制御を
行ない、負荷が軽いときはPFM制御を行なうようにD
C−DCコンバータを構成するとともに、クロックによ
ってスイッチング動作されてインダクタに流れる電流の
パスを切り換えるスイッチ素子もしくは該スイッチ素子
がオフのときに電流を流すダイオードの両端子の電位差
を検出する電位差検出手段を設け、該電位差検出手段の
出力に基づいてPWM制御回路から出力されるクロック
とPFM制御回路から出力されるクロックの切換えを行
なうようにしたものである。
【0009】上記手段によれば、負荷に応じてPWM制
御またはPFM制御を行なうため、高負荷時および軽負
荷時のいずれにおいても効率の高い電圧変換動作が可能
であると共に、負荷電流検出用抵抗を用いずにPWM制
御クロックとPFM制御クロックの切換えを行なうこと
ができるため、外付け部品を減らして実装効率を向上さ
せることができ、かつ電力損失を低減することができ
る。
【0010】上記電位差検出手段としては、例えば演算
増幅器からなるコンパレータを用いることができる。そ
の場合、コンパレータの一対の入力端子間にオフセット
を持たせるようにするのが望ましい。これによって、負
荷の変動に対するコンパレータの応答を早くすることが
できる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施例を図
面に基づいて説明する。
【0012】図1は本発明を降圧型DC−DCコンバー
タに適用した場合の一実施例を示す。図1において、1
点鎖線10で囲まれた回路部分は、単結晶シリコンのよ
うな1個の半導体チップ上に形成される。以下、この回
路部分をスイッチング制御回路と称する。
【0013】この実施例のDC−DCコンバータは、上
記スイッチング制御回路10と、入力電圧端子Vinに
接続され上記スイッチング制御回路10から供給される
クロックをゲートに受けてスイッチング動作するスイッ
チMOSFET Q1と、入力電圧端子Vinと接地電
位との間に上記スイッチMOSFET Q1と共に直列
形態に接続された逆方向のダイオードD1と、上記スイ
ッチMOSFET Q1と上記ダイオードD1との接続
ノードn1と出力端子OUTとの間に接続されたインダ
クタL1と、出力端子OUTと接地点との間に接続され
たフィルタ容量C1とから構成されている。
【0014】上記スイッチング制御回路10は、負荷に
応じてパルス幅を変えたクロック(周期は一定)を形成
して出力するPWM制御回路11と、負荷に応じて周期
およびデューティ比を変えたクロック(正パルスの幅一
定)を形成して出力するPFM制御回路12とを有し、
負荷が重いときはPWM制御回路11からのクロックを
出力する一方、負荷が軽いときはPFM制御回路12か
らのクロックを出力するように構成されており、そのた
めクロックの切換えスイッチ13が設けられている。
【0015】また、スイッチング制御回路10には、上
記ダイオードD1のカソード・アノード間電圧を検出す
るコンパレータ14と、該コンパレータ14の出力と上
記スイッチングMOSFET Q1の制御クロックに基
づいて上記切換えスイッチ13の制御信号を形成する論
理回路15とが設けられている。論理回路15の最終段
にはフリップフロップFF1が設けられており、上記ダ
イオードD1のカソード・アノード間電圧をコンパレー
タ14によって監視して負荷が重い状態か軽い状態かを
検出してその判定結果をフリップフロップFF1に反映
し、その状態に応じて切換えスイッチ13を切り換え
て、PWM制御回路11からのクロックまたはPFM制
御回路12からのクロックを選択して出力するように構
成されている。
【0016】次に、上記実施例のDC−DCコンバータ
の具体的な動作を図2のタイミングチャートを用いて説
明する。なお、図2には高負荷状態から軽負荷状態すな
わちPWM制御モードからPFM制御モードへ移行する
場合のタイミングおよび各部の電流、電圧波形が示され
ている。
【0017】高負荷時には、PWM制御回路11からの
クロックによってスイッチMOSFET Q1がスイッ
チング動作され、インダクタL1に対してスイッチMO
SFET Q1とダイオードD1とから交互に電流が流
されて、インダクタL1の電流IL1は、図2(d)の期
間Taのように、ほぼきれいな三角波となる。これはリ
アクトル電流連続モードと呼ばれる。このときダイオー
ドD1のカソード側電圧VD1は、図2(e)のように、
入力電圧Vinと、接地電位よりもダイオードの順方向
電圧VF分低い−VFとの2電位状態を繰り返す矩形波と
なる。このとき、論理回路15は、切換えスイッチ13
がPWM制御回路11のクロックを選択するような制御
信号を形成し出力する。
【0018】その後、負荷が次第に軽くなると、それに
従ってPWM制御回路11から出力されるクロックのパ
ルス幅も小さくなるが、PWM制御回路11の制御範囲
から外れるような軽負荷状態になると、インダクタL1
に流れる電流が減少し、スイッチMOSFET Q1の
オフ状態(ゲート電圧VGのハイレベル)の期間におい
て高負荷時には−VFであったノードn1の電位VD1
が、接地電位よりも高くなる状態が生じるようになる
(図2(e)の期間Tb)。この実施例のスイッチング制
御回路10では、ダイオードD1のカソード側電位すな
わちノードn1の電位VD1が接地電位よりも高くなる
と、コンパレータ14の出力が反転してフリップフロッ
プFF1がセット状態(もしくはリセット状態)にさ
れ、切換えスイッチ13の切り換え動作が行われる。そ
の結果、PFM制御回路12から出力されるクロック
が、スイッチMOSFETQ1のゲートに供給されるよ
うになる。
【0019】このように、PFM制御回路12から出力
されるクロックによってスイッチMOSFET Q1が
スイッチング動作される状態においても、負荷が軽いと
フィルタ容量C1が充分に充電されているため図2
(e)の期間Tcのように、スイッチMOSFET Q
1のオフの期間にインダクタLに電流がほとんど流れな
くなり、ダイオードD1のカソード側電位すなわちノー
ドn1の電位VD1が接地電位よりも高くなる状態が発生
する。この状態は、リアクトル電流不連続モードと呼ば
れる。
【0020】その後、負荷が少し重くなると、それに従
ってPFM制御回路12から出力されるクロックの周波
数も高くなり、さらに負荷が重くなるとインダクタL1
に流れる電流が増加し、スイッチMOSFET Q1の
オフ状態(ゲート電圧VGのハイレベル)の期間におい
てノードn1の電位VD1が−VFに固定されるようにな
る。つまり、ダイオードD1のカソード側電位すなわち
ノードn1の電位VD1が接地電位を越えないようにな
る。すると、コンパレータ14の出力が反転してフリッ
プフロップFF1が再びリセット状態(もしくはセット
状態)にされ、切換えスイッチ13の切り換え動作が行
われる。その結果、PWM制御回路11から出力される
クロックが、スイッチMOSFETQ1のゲートに供給
されるようになる。
【0021】上記のようにして、負荷電流が大きいとき
はPWM制御回路11からのクロックによってスイッチ
MOSFET Q1がスイッチングされ、負荷電流が小
さいときはPFM制御回路12からのクロックによって
スイッチMOSFET Q1がスイッチングされるた
め、DC−DCコンバータ全体の変換効率が向上する。
以下、その理由を説明する。
【0022】図3にPWM制御モードのときの負荷電流
と変換効率との関係を、また図4にPFM制御モードの
ときの負荷電流と変換効率との関係をそれぞれ示す。図
3より明らかなように、PWM制御モードのときは負荷
電流が小さい領域で変換効率が低下する。これに対し、
PFM制御モードのときは負荷電流が小さくなっても変
換効率はそれほど低下しない。なお、負荷電流が大きい
領域ではPFM制御モードもPWM制御モードもいずれ
も同じように変換効率が低下する。ただし、図4からは
分からないが、負荷電流が大きい場合には、PFM制御
モードでは出力電圧のリップルが大きくなることが知ら
れている。従って、上記実施例のように負荷電流が大き
いときはPWM制御回路11からのクロックによって、
また負荷電流が小さいときはPFM制御回路12からの
クロックによってスイッチMOSFET Q1がスイッ
チングされることにより、負荷電流が大きく変動する場
合におけるDC−DCコンバータの変換効率が向上す
る。
【0023】なお、上記実施例では、上記ダイオードD
1のカソード・アノード間電圧を検出するコンパレータ
14の非反転入力端子および反転入力端子に、上記ダイ
オードD1のカソード電圧およびアノード電圧をそのま
ま入力させて、上記ダイオードD1のカソード電圧が接
地電位を越えた点を検出するようにしているが、コンパ
レータ14の入力端子間にオフセットVosを持たせ、
上記ダイオードD1のカソード電圧が接地電位に達する
前すなわち−Vosになった時点でコンパレータ14の
出力が反転するように構成してもよい。これによって、
検出回路としてのコンパレータ14の感度を向上させ、
早めにクロックを切り換えることができるようになる。
【0024】図5には上記論理回路15の具体的回路例
が、また図6にはその動作を説明するためのタイミング
チャートが示されている。なお、図6は実際のシステム
における動作波形を示したものでなく、論理回路15の
動作を説明するためのものである。つまり、図6にはリ
アクトル電流不連続モードTcが1サイクルだけ発生し
ている状態が示されているが、実際のシステムでは、リ
アクトル電流不連続モードTcは複数サイクル連続して
発生するものである。
【0025】図1や図5の回路において、スイッチMO
SFET Q1のオフ時にインダクタL1に電流を流す
ためのダイオードD1のカソード・アノード間電圧を監
視するコンパレータ14の出力は、図6(h)に示すよ
うに、リアクトル電流不連続モードTcのみならずリア
クトル電流連続モードTaの期間においてもハイレベル
に変化するため、コンパレータ14の出力をそのままフ
リップフロップFF1の入力信号とする各モード期間内
でセットとリセットを繰り返してしまう。
【0026】そこで、この実施例では、スイッチMOS
FET Q1のオン状態の間コンパレータ14の出力の
フリップフロップFF1のセット端子への入力を遮断す
るためのANDゲートG1と、このANDゲートG1を
制御する図6(d)のようなマスク信号を形成するため
クロックを遅延するディレイ回路DLYおよび遅延前の
クロックと遅延後の信号を入力とするANDゲートG2
とを設けると共に、フリップフロップFF1のリセット
端子へのコンパレータ14の反転信号の入力制御するA
NDゲートG3と、このANDゲートG3を制御する図
6(f)のようなリセット許可信号を形成するため上記
ディレイ回路DLYによる遅延前のクロックと遅延後の
信号を入力とするゲートG4,G5およびG6を設けて
いる。
【0027】これによって、図5の実施例の論理回路1
5にあっては、リアクトル電流不連続モードTcにおい
ては図6(i)に示すようなフリップフロップFF1を
セットさせる信号がANDゲートG1から供給され、リ
アクトル電流連続モードTaにおいては図6(j)に示
すようなフリップフロップFF1をリセットさせる信号
がANDゲートG3から供給され、切換えスイッチ13
を負荷に応じて切り換える所望の制御信号がフリップフ
ロップFF1から出力されるようになる。なお、図5に
示されている回路は一例であって、論理回路15の構成
はこれに限定されるものでない。
【0028】図7〜図9には、本発明を同期整流型のコ
ンバータに適用した場合の実施例が示されている。同期
整流型コンバータは、スイッチMOSFET Q1と相
補的にオン、オフ動作される同期整流用MOSFET
Q2をダイオードD1と並列に設けたもので、ダイオー
ドD1側からインダクタLに電流が流れるときの抵抗を
小さくすることができるため、図1のコンバータに比べ
て最大変換効率が高くなるという利点がある。ただし、
同期整流型コンバータは、リアクトル電流不連続モード
では同期整流用MOSFET Q2がオンされると電流
が逆流するので、オフするような制御が行われる。
【0029】図7〜図9のうち、図7は降圧コンバータ
に適用した実施例であり、MOSFET Q2のソース
・ドレイン間電位差(=ダイオードD1のカソード・ア
ノード間電位差)を、図1の実施例と同様なコンパレー
タ(図示省略)で監視して電流の逆流状態を検出し、ク
ロックの切換えすなわちPWM制御モードからPFM制
御モードへの切換えを行なうようにしたものである。ま
た、この切換え制御信号を利用して上記同期整流用MO
SFET Q2をカットオフ状態にさせる制御も行なう
ことができる。なお、電流逆流状態の検出は同期整流用
MOSFETQ2がオン状態にて行なわれるが、この場
合にもMOSFET Q2がオン抵抗を有しているの
で、そのオン抵抗によって生じる電位差を検出して切換
えを行なうことができる。
【0030】また、図8は同期整流型昇圧コンバータに
適用した実施例、図9は同期整流型昇降圧コンバータに
適用した実施例であり、それぞれMOSFET Q2の
ソース・ドレイン間電位差(=ダイオードD1のカソー
ド・アノード間電位差)を検出してクロックの切換え行
なうようにしている。なお、図9の昇降圧コンバータ
は、昇圧コンバータにおけるインダクタL1と直列かつ
スイッチMOSFETQ1と並列に、直列形態の容量C
2とインダクタL2を挿入したもので、変圧率Mは、ス
イッチMOSFET Q1のクロックのオンパルスのデ
ューティ比をDとすると、M=D/(1−D)で表され
る。
【0031】図10には、本発明を降圧型DC−DCコ
ンバータに適用した場合の他の実施例を示す。図1の実
施例では、ダイオードD1のカソード・アノード間電位
差を検出してクロックの切換えを行なうのに対し、図1
0の実施例は、スイッチMOSFET Q1のソース・
ドレイン間電位差を検出してクロックの切換えすなわち
PWM制御モードからPFM制御モードへの切換えを行
なうようにしたものである。また、この実施例では、ス
イッチMOSFET Q1がオンされた直後のソース・
ドレイン間電位差を演算増幅器等により検出して負荷電
流を判定し、負荷電流の大きさに応じてクロックのパル
ス幅制御を行なうことも可能である。
【0032】図11には、本発明を昇圧型DC−DCコ
ンバータに適用した場合の他の実施例を示す。昇圧型D
C−DCコンバータでは、入力電圧端子Vinと接地点
との間にインダクタL1とスイッチMOSFET Q1
が直列に接続され、L1とQ1の接続ノードn1と出力
端子OUTとの間にダイオードD1が、また出力端子O
UTと接地点との間にフィルタ容量C1が接続されてお
り、スイッチMOSFET Q1がコントロール回路1
0からのクロックによってスイッチングされることによ
り、オンのときはインダクタL1からMOSFET Q
1に電流が流れ、Q1がオフのときはインダクタL1か
らダイオードD1に向かって電流が流れることによって
フィルタ容量C1に電荷が蓄積され、昇圧した電圧が出
力される。
【0033】この実施例のコンバータも、スイッチMO
SFET Q1のソース・ドレイン間電位差を検出して
クロックの切換えすなわちPWM制御モードからPFM
制御モードへの切換えを行なうようにしたものである。
また、この実施例でも、図10の実施例と同様に、スイ
ッチMOSFET Q1のオン直後のソース・ドレイン
間電位差を検出して負荷電流を判定し、負荷電流の大き
さに応じてクロックのパルス幅制御を行なうこともでき
る。なお、昇圧型DC−DCコンバータにおいてもダイ
オードD1のカソード・アノード間電位差を検出してク
ロックの切換えを行なうように構成することも可能であ
る。
【0034】以上説明したように、上記実施例は、負荷
が重いときはPWM制御を行ない、負荷が軽いときはP
FM制御を行なうようにDC−DCコンバータを構成す
るとともに、クロックによってスイッチング動作されて
インダクタもしくはダイオードに電流を流したり遮断し
たりするスイッチ素子もしくはダイオードの両端子の電
位差を検出する電位差検出手段を設け、該電位差検出手
段の出力に基づいてPWM制御回路から出力されるクロ
ックとPFM制御回路から出力されるクロックの切換え
を行なうようにしたので、負荷に応じてPWM制御また
はPFM制御を行なうため、高負荷時および軽負荷時の
いずれにおいても効率の高い電圧変換動作が可能である
と共に、負荷電流検出用抵抗を用いずにPWM制御クロ
ックとPFM制御クロックの切換えを行なうことができ
るため、外付け部品を減らして実装効率を向上させるこ
とができ、かつ電力損失を低減することができるという
効果がある。
【0035】また、上記電位差検出手段として、オフセ
ットを有するコンパレータを用いたので、負荷の変動に
対するコンパレータの応答を早くすることができるとい
う効果がある。
【0036】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、図
7〜図9の同期整流型コンバータにおいても、図10及
び図11の実施例のように、スイッチMOSFETQ1
のソース・ドレイン間電位差を検出して負荷電流を判定
し、負荷電流の大きさに応じてクロックのパルス幅制御
を行なうようにしてもよい。
【0037】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記
のとおりである。
【0038】すなわち、DC−DCコンバータにおい
て、外付け部品を設けたり、電力損失を生じさせること
なく負荷電流の大きさを検出することができるととも
に、高負荷時および軽負荷時のいずれにおいても効率の
高い電圧変換を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を降圧型DC−DCコンバータに適用し
た場合の一実施例を示す回路図。
【図2】実施例のDC−DCコンバータにおけるPWM
制御モードからPFM制御モードへ移行する場合のタイ
ミングおよび各部の電流、電圧波形を示すタイミングチ
ャート。
【図3】PWM制御モードのときの負荷電流と変換効率
との関係を示す特性図。
【図4】PFM制御モードのときの負荷電流と変換効率
との関係を示す特性図。
【図5】図1の実施例における論理回路の具体例を示す
回路図。
【図6】図5の論理回路の動作を説明するためのタイミ
ングチャート。
【図7】本発明を同期整流型降圧DC−DCコンバータ
に適用した場合の一実施例を示す回路図。
【図8】本発明を同期整流型昇圧DC−DCコンバータ
に適用した場合の一実施例を示す回路図。
【図9】本発明を同期整流型昇降圧DC−DCコンバー
タに適用した場合の一実施例を示す回路図。
【図10】本発明を降圧型DC−DCコンバータに適用
した場合の他の実施例を示す回路図。
【図11】本発明を昇圧型DC−DCコンバータに適用
した場合の一実施例を示す回路図。
【符号の説明】 10 スイッチング制御回路 11 PWM制御回路 12 PFM制御回路 13 クロックの切換えスイッチ 14 コンパレータ(電位差検出手段) 15 論理回路
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−143741(JP,A) 特開 平9−215319(JP,A) 特開 平9−201053(JP,A) 特開 平9−163736(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 3/155 H02J 3/18 H03K 19/096

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 出力端子に接続された容量素子と、該容
    量素子に対して充電電流を供給するためのインダクタ
    と、該インダクタに流れる電流のパスを切り換えるため
    のスイッチ素子と、該スイッチ素子がオフ状態のときに
    上記インダクタに流れる電流を流すための整流素子と、
    上記スイッチ素子をスイッチング動作させるクロック信
    号を形成するスイッチング制御回路とを備えた電圧変換
    回路であって、上記スイッチ素子 の両端子間の電位差を検出して動作モ
    ードの切換えを行なうための信号を形成する電位差検出
    手段を有し、 上記スイッチ素子を構成するMOSFETがオンされた
    直後の該MOSFETのソース・ドレイン間電位差を検
    出して負荷電流を判定し、該負荷電流の大きさに応じて
    クロックのパルス幅制御を行う ことを特徴とする電圧変
    換回路。
  2. 【請求項2】 上記スイッチング制御回路は、上記スイ
    ッチ素子のスイッチングを行なわせるクロック信号のパ
    ルス幅を負荷電流の大きさに応じて変化させるPWM制
    御回路と、上記クロック信号の周波数を負荷電流の大き
    さに応じて変化させるPFM制御回路とを備え、上記電
    位差検出手段の出力に基づいて上記PWM制御回路から
    出力されるクロックと上記PFM制御回路から出力され
    るクロックの切換えを行なうように構成されてなること
    を特徴とする請求項1に記載の電圧変換回路。
  3. 【請求項3】 上記電位差検出手段は、オフセットを有
    するコンパレータにより構成されてなることを特徴とす
    る請求項1または2のいずれか1項に記載の電圧変換回
    路。
  4. 【請求項4】 上記スイッチング制御回路および上記電
    位差検出手段は一つの半導体チップ上に半導体集積回路
    として構成され、上記容量素子と上記インダクタと上記
    スイッチ素子および上記整流素子は上記半導体集積回路
    の外付け素子として接続されてなることを特徴とする請
    求項1、2または3のいずれか1項に記載の電圧変換回
    路。
  5. 【請求項5】 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の
    電圧変換回路を含んでなる電源回路が搭載されてなるこ
    とを特徴とする携帯用電子機器。
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