JP3604080B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源装置の温度上昇を抑制する冷却用ファンを備えたスイッチング電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
スイッチング電源装置には、その動作中の温度上昇を抑制する手段が設けられており、その構成方法によって、自然空冷式と強制冷却式とに分けることができる。自然空冷式をとるスイッチング電源装置では、空気との接触面積を大きくする必要から大きな放熱器を必要とし、装置の小型化が阻害される欠点がある。これに対して、強制冷却式のスイッチング電源装置は、冷却媒体を循環させるための例えば空冷用のファンとその駆動回路、および駆動電力を必要とするが、大電力スイッチング電源装置の分野では、自然空冷用の放熱器と較べ小型に構成できることから強制冷却式が多用されている。
【0003】
冷却用ファンの動作形態としては、電源装置の動作開始と同時に回転を始めるものや、電源装置の温度が一定値を越えた時点から一定回転数で回転を始めるもの、あるいは、電源装置の負荷状態に応じて回転数を制御するもの等が知られている。
【0004】
電源装置の負荷状態に応じて冷却用ファンの回転数を制御する電源装置の一例として、特開平2−269473号公報に記載された技術が知られている。これは、ACトランスを用いた電源装置であって、スイッチング電源装置ではないが、交流電圧を降圧するトランスと、該トランスの出力電圧を整流して負荷に定電圧を供給する整流定電圧回路と、冷却用のファンを備えた電源装置に於いて、前記負荷の変動を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果に応じて前記ファンの回転数を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする電源装置である。
【0005】
上述の電源装置では、電源が過負荷になった場合にも温度上昇を抑えることができるが、負荷の変動を検出する検出手段や、ファンの回転数を制御する制御手段が必要である。このため、部品点数が多くなり、回路構成が複雑となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、簡単な回路構成で、スイッチング電源装置の負荷状態に応じて冷却用ファンの回転数を制御できるスイッチング電源装置を提供することである。
【0007】
本発明のもう一つの課題は、無負荷あるいは無負荷に近い軽負荷時や待機時に、スイッチ回路を用いることなく、ファンの回転数を低下したり、または回転を停止できるスイッチング電源装置を提供することである。
【0008】
本発明の更にもう一つの課題は、消費電力の少ないファン駆動回路を備えたスイッチング電源装置を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明に係るスイッチング電源装置は、変圧器と、スイッチング回路と、出力整流平滑回路と、冷却用ファンと、ファン駆動回路とを含む。前記変圧器は、入力巻線と、出力巻線と、ファン駆動用巻線とを含む。
【0010】
前記スイッチング回路は、前記入力巻線に接続され、前記入力巻線を通して供給される直流電圧をスイッチングして、前記出力巻線と、前記ファン駆動用巻線とに電圧を誘起する。
【0011】
前記出力整流平滑回路は、前記出力巻線に誘起された電圧を整流、平滑して出力する。
【0012】
前記ファン駆動回路は、整流平滑回路を含み、前記ファン駆動用巻線に誘起したフォワード方向電圧を整流、平滑して出力し、前記冷却用ファンを駆動する。
【0013】
上述したスイッチング電源装置において、スイッチング回路は、入力巻線を通して供給される直流電圧をスイッチングして、出力巻線と、ファン駆動用巻線とに電圧を誘起する。出力整流平滑回路は、出力巻線に誘起された電圧を整流、平滑して出力するから、負荷に直流電圧が供給される。
【0014】
ファン駆動回路は、整流平滑回路を含み、ファン駆動用巻線に誘起したフォワード方向電圧を整流、平滑して出力し、冷却用ファンを駆動する。
【0015】
ファン駆動回路の出力電圧は、フォワード方向電圧を整流、平滑した電圧である。このため、負荷が軽くなるとスイッチング素子のオンパルス幅が狭まることにより、ファン駆動回路の出力電圧が低くなり、冷却用ファンの回転数は低下する。
【0016】
さらに、負荷が無負荷あるいは無負荷に近い軽負荷状態や、電源待機の状態に至ると、さらに前記スイッチング素子のオンパルス幅が狭まり、冷却用ファンは回転数がさらに低下ないしは回転を停止する。
【0017】
このように、上述したスイッチング電源装置は、負荷の変動を検出する検出手段や、ファンの回転数を制御する制御手段を用いることなく、簡単な回路構成で、スイッチング電源装置の負荷状態に応じて冷却用ファンの回転数を制御できる。
【0018】
また、無負荷あるいは無負荷に近い軽負荷時や待機時に、スイッチ回路を用いることなく、ファンの回転数を低下したり、または回転を停止することができる。従って、上述したスイッチング電源装置は、消費電力の少ないファン駆動回路を備えたスイッチング電源装置とすることができる。
【0019】
上述のスイッチング電源装置は、フライバック方式スイッチング電源装置でも適用が可能であるが、より好適には、一石あるいは二石フォワード方式スイッチング電源装置や、ブリッジ方式スイッチング電源装置に適用できる。
【0020】
ファン駆動回路は、三端子レギュレータを含むことができる。三端子レギュレータにより、ファン駆動回路の出力電圧の上昇を所定値に制限すれば、変圧器の設計の自由度が高まるとともに、同一の巻線仕様の変圧器で種々の出力仕様のスイッチング電源装置に対応できる。
【0021】
本発明の他の目的、構成および利点については、添付図面を参照して、更に詳しく説明する。図面は単なる例示に過ぎない。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明に係るスイッチング電源装置の一実施例を示す電気回路図であって、一石フォワード方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。
【0023】
図示されたスイッチング電源装置は、電力変換用の変圧器1と、スイッチング回路2と、出力整流平滑回路3と、冷却用ファン4と、ファン駆動回路5とを含んでいる。図1には、更に、出力安定化回路6、直流電圧源E、及び、負荷Lが図示されている。直流電圧源Eは、本発明の内部要素であっても、外部要素であってもよく、バッテリや、その他の直流電圧源、あるいは交流電圧を整流回路を介して直流に変換した電圧の何れでも利用できる。直流電圧源Eは、直流入力端子Tiに接続される。
【0024】
電力変換用の変圧器1は、入力巻線11と、出力巻線12と、ファン駆動用巻線13とを含んでいる。
【0025】
スイッチング回路2は一個のスイッチング素子21を含んで構成される。スイッチング素子21は、変圧器1の入力巻線11の一端に接続されて、入力巻線11を介して直流入力端子Tiに接続される。スイッチング素子21は、入力巻線11を通して供給される直流電圧Vinをスイッチングして、出力巻線12と、ファン駆動用巻線13とに電圧を誘起させる。スイッチング素子21は、供給された直流電圧Vinを高周波でスイッチングできればよく、典型的には、バイポーラトランジスタや、電界効果トランジスタ等の半導体素子が用いられる。本実施例は電界効果トランジスタを用いている。
【0026】
出力整流平滑回路3は、電力変換用の変圧器1の出力巻線12に誘起された電圧を整流、平滑して出力する。出力整流平滑回路3は、フォワード方向整流ダイオード31とフライホイール方向整流ダイオード32とを含む整流回路と、チョークコイル33と平滑コンデンサ34とを含む平滑回路とを含んで構成される。
【0027】
フォワード方向整流ダイオード31とフライホイール方向整流ダイオード32とは直列に接続される。直列に接続された整流ダイオード31、32は、スイッチング素子21のオン期間に、出力巻線12に誘起される電圧でフォワード方向整流ダイオード41が導通し、フライホイール方向整流ダイオード32が遮断するよう方向付けられ、出力巻線12間に接続される。前記整流回路は、整流ダイオード31、32の代わりにバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の制御極付整流素子を用いることができる。制御極付整流素子を用いれば損失の少ない同期整流回路が構成できる。
【0028】
チョークコイル33と平滑コンデンサ34とは直列に接続され、その直列回路が、フライホイール方向整流ダイオード32と並列に接続され、平滑コンデンサ34の両端が出力端子Toに接続される。
【0029】
出力安定化回路6は、出力電圧検出回路61と、パルス幅制御回路62とを含んでいる。出力電圧検出回路61は出力端子Toに接続され、出力電圧を検出して出力電圧信号をパルス幅制御回路62に供給する。パルス幅制御回路62は、出力電圧が安定化するように、出力電圧検出回路61から供給された出力電圧信号に応じたパルス幅制御信号を生成する。パルス幅制御信号はスイッチング回路2に供給され、スイッチング素子21のオン、オフを制御し、出力電圧を安定化する。
【0030】
ファン駆動回路5は、ダイオード51と、コンデンサ52とを含む整流平滑回路およびその平滑電圧を安定化する三端子レギュレータ53で構成され、ファン駆動用巻線13の後段に接続される。R5、L5はそれぞれ配線に含まれる抵抗成分およびインダクタンス成分である。ダイオード51と、コンデンサ52とを含む整流平滑回路は、ファン駆動用巻線13に誘起したフォワード方向電圧を整流、平滑する。三端子レギュレータ53は、その平滑電圧が所定値を上回るときには所定値に制限してファン駆動回路5の出力端子To5に出力し、所定値を下回っているときにはその平滑電圧をファン駆動回路5の出力端子To5に出力する。
【0031】
ファン4はファン駆動回路5の出力端子To5に接続され、出力端子To5の電圧により駆動される。ファン4の回転数は、出力端子To5から入力される駆動電圧の値により決定される。
【0032】
前記平滑電圧ないしはファン駆動回路5の出力端子To5に得られる電圧は、スイッチング電源装置の負荷電流との関係と、ファンの入力電圧範囲や定格電圧とを考慮して決定される。例えば、負荷電流がスイッチング電源装置の定格負荷の5%のとき、前記平滑電圧がファンの定格電圧の50%〜90%程度となるように、ファン駆動用巻線13やその他の要素を設定する。
【0033】
好ましい具体的例として、ファンの定格電圧が12V、入力電圧範囲が6V〜13.2Vのとき、スイッチング電源装置の定格負荷の5%のときの前記平滑電圧が約9Vとなるように設定する場合があげられる。このように設定すれば、スイッチング電源装置の定常負荷状態では、三端子レギュレータ53により前記平滑電圧をファンの定格電圧の12Vに安定化することも容易に行なえる。このため、定常負荷状態ではファンの回転数を定格回転数とし、無負荷時は回転数を低下させ、または回転を停止することができる。
【0034】
上述したスイッチング電源装置において、スイッチング回路2は、パルス幅制御回路62から供給されるパルス幅制御信号によってスイッチング素子21をオン、オフし、電力変換用変圧器1の入力巻線11を通して供給される直流入力電圧Vinをスイッチングする。これにより、出力巻線12と、ファン駆動用巻線13とに電圧が誘起する。出力整流平滑回路3は、出力巻線12に誘起された電圧を整流、平滑して出力する。出力安定化回路6は、出力電圧検出回路61により出力電圧を検出し、パルス幅制御回路62により、出力電圧が安定化するように出力電圧信号に応じたパルス幅制御信号を生成するから、負荷Lに供給される直流出力電圧は安定化される。
【0035】
ファン駆動回路5は、ダイオード51と、コンデンサ52とを含む整流平滑回路により、ファン駆動用巻線13に誘起したフォワード方向電圧を整流、平滑する。三端子レギュレータ53は、その平滑電圧が所定値を上回るときには所定値に安定化してファン駆動回路5の出力端子To5に出力し、所定値を下回っているときにはその平滑電圧をファン駆動回路5の出力端子To5に出力する。
【0036】
ここで、スイッチング電源装置の負荷電流とファン駆動回路5の出力端子To5の電圧との関係について説明する。
【0037】
図2は、ファン駆動回路5の出力端子To5の電圧と負荷電流との関係を示す図である。
【0038】
ファン駆動回路5は、ファン駆動用巻線13に誘起したフォワード方向電圧を整流、平滑する。フォワード方向電圧は、スイッチング素子21のオン期間に発生する電圧である。スイッチング素子21のオン期間は、スイッチング電源装置の負荷Lの軽、重により変化し、負荷Lが軽くなり、負荷電流が小さいと短かく制御される。さらに、負荷Lが無負荷あるいは無負荷に近い軽負荷状態や、電源待機の状態に至ると、スイッチング素子21のオン期間はさらに短縮される。このため、コンデンサ52に発生する平滑電圧は、スイッチング電源装置の負荷Lが軽く、負荷電流の小さい状態で低くなり、スイッチング電源装置の負荷Lが重く、負荷電流の大きい状態で高くなる。三端子レギュレータ53は、コンデンサ52に発生する平滑電圧が所定値Vaを上回るときには所定値Vaに制限してファン駆動回路5の出力端子To5に出力し、所定値Vaを下回っているときにはコンデンサ52に発生する平滑電圧をファン駆動回路5の出力端子To5に出力する。
【0039】
従って、ファン駆動回路5の出力端子To5の電圧は、図2に示すごとく、負荷電流が小さい状態で低く、負荷電流が大きくなるにしたがい上昇して高くなり、所定値Vaに達すると所定値Vaに制限される。
【0040】
ファン4はファン駆動回路5の出力端子To5に接続され、出力端子To5の電圧により駆動される。ファン4の回転数は、出力端子To5から入力される駆動電圧の値により決定され、駆動電圧が低いと回転数が低く、駆動電圧が高いと回転数が高くなる。
【0041】
このため、スイッチング電源装置の負荷Lが軽くなると、ファン駆動回路5の出力端子To5の電圧が低くなることにより、ファン4の回転数は低下する。さらに、負荷Lが無負荷あるいは無負荷に近い軽負荷状態や、電源待機の状態に至ると、さらにファン駆動回路5の出力端子To5の電圧が低くなり、ファン4の回転数が低下ないしは回転が停止する。
【0042】
配線に含まれる抵抗成分R5や配線に含まれるインダクタンス成分L5は、それぞれ抵抗素子やインダクタンス素子に置き換えることができる。これらの素子を用いることにより、部品点数が増加するが、抵抗値やインダクタンス値の調整が容易となり、負荷電流に対する出力端子To5の電圧上昇カーブの設定が容易となる。
【0043】
また、三端子レギュレータ53は必ずしも必要ではない。三端子レギュレータ53を用いなければ、ファン駆動回路5の回路構成を簡単にできるが、三端子レギュレータ53を用いることにより、同一巻線仕様の変圧器で種々の仕様のスイッチング電源装置に対応することができる。
【0044】
上述のごとく、本発明のスイッチング電源装置は、冷却用ファンの回転数を制御するための特別な検出回路や制御回路を用いることなく、簡単な回路構成で、スイッチング電源装置の負荷状態に応じて冷却用ファンの回転数を制御できる。また、無負荷あるいは無負荷に近い軽負荷時や待機時に、スイッチ回路を用いることなく、ファンの回転を停止でき、消費電力の少ないファン駆動回路を備えたスイッチング電源装置とすることができる。
【0045】
図3は、本発明に係るスイッチング電源装置の別の実施例を示す電気回路図であって、二石フォワード方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。図において、図1に図示した構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。
【0046】
図示されたスイッチング電源装置は、スイッチング回路2の構成が図1に図示した実施例と異なっているが、その他の部分は図1に図示した実施例と同様である。
【0047】
スイッチング回路2は二個のスイッチング素子22、23とを含んで構成される。入力巻線11の一端は、スイッチング素子22を介して直流入力端子Tiの一端に接続される。入力巻線11の他端は、スイッチング素子23を介して直流入力端子Tiの他端に接続される。スイッチング素子22、23は、パルス幅制御回路62から供給されるパルス幅制御信号によって同期してオン、オフ制御され、直流電圧Vinをスイッチングした電圧が入力巻線11に供給される。
【0048】
電力変換用の変圧器1と、出力整流平滑回路3と、冷却用ファン4と、ファン駆動回路5と、出力安定化回路6の構成は図1に図示した実施例と同様であり、説明を省略する。
【0049】
上述のスイッチング電源装置は、図1に図示した実施例と同様、スイッチング電源装置の負荷Lが軽くなると、ファン駆動回路5の出力端子To5の電圧が低くなることにより、ファン4の回転数は低下する。さらに、負荷Lが無負荷あるいは無負荷に近い軽負荷状態や、電源待機の状態に至ると、さらにファン駆動回路5の出力端子To5の電圧が低くなり、ファン4の回転数が低下ないしは回転が停止する。
【0050】
上述のごとく、本実施例のスイッチング電源装置は、冷却用ファンの回転数を制御するための特別な検出回路や制御回路を用いることなく、簡単な回路構成で、スイッチング電源装置の負荷状態に応じて冷却用ファンの回転数を制御できる。また、無負荷あるいは無負荷に近い軽負荷時や待機時に、スイッチ回路を用いることなく、ファンの回転を停止でき、消費電力の少ないファン駆動回路を備えたスイッチング電源装置とすることができる。
【0051】
図4は、本発明に係るスイッチング電源装置の更に別の実施例を示す電気回路図であって、フルブリッジ方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。図において、図1ないし図3に図示した構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。
【0052】
図示されたスイッチング電源装置は、スイッチング回路2の構成が図1および図3に図示した実施例と異なっているが、その他の部分は図1および図3に図示した実施例と同様である。
【0053】
スイッチング回路2は四個のスイッチング素子22A、23A、22B、23Bとを含んで構成される。入力巻線11の一端は、スイッチング素子22Aを介して直流入力端子Tiの一端に接続されるとともに、スイッチング素子22Bを介して直流入力端子Tiの他端に接続される。入力巻線11の他端は、スイッチング素子23Aを介して直流入力端子Tiの他端に接続されるとともに、スイッチング素子23Bを介して直流入力端子Tiの一端に接続される。スイッチング素子22A、23Aは、パルス幅制御回路62から供給されるパルス幅制御信号によって同期してオン、オフ制御され、直流電圧Vinをスイッチングした電圧が入力巻線11に一方向から供給される。スイッチング素子22B、23Bは、パルス幅制御回路62から供給される前記パルス幅制御信号とは別のパルス幅制御信号によって同期してオン、オフ制御され、直流電圧Vinをスイッチングした電圧が入力巻線11に逆方向から供給される。スイッチング素子22A、23Aのオン期間と、スイッチング素子22B、23Bのオン期間とは、互いに間隔がおかれている。
【0054】
電力変換用の変圧器1と、出力整流平滑回路3と、冷却用ファン4と、ファン駆動回路5と、出力安定化回路6の構成は図1および図3に図示した実施例と同様であり、説明を省略する。
【0055】
上述のスイッチング電源装置は、図1および図3に図示した実施例と同様、スイッチング電源装置の負荷Lが軽くなると、ファン駆動回路5の出力端子To5の電圧が低くなることにより、ファン4の回転数は低下する。さらに、負荷Lが無負荷あるいは無負荷に近い軽負荷状態や、電源待機の状態に至ると、さらにファン駆動回路5の出力端子To5の電圧が低くなり、ファン4の回転数が低下ないしは回転が停止する。
【0056】
上述のごとく、本実施例のスイッチング電源装置は、冷却用ファンの回転数を制御するための特別な検出回路や制御回路を用いることなく、簡単な回路構成で、スイッチング電源装置の負荷状態に応じて冷却用ファンの回転数を制御できる。また、無負荷あるいは無負荷に近い軽負荷時や待機時に、スイッチ回路を用いることなく、ファンの回転を停止でき、消費電力の少ないファン駆動回路を備えたスイッチング電源装置とすることができる。
【0057】
本実施例のスイッチング電源装置は、ブリッジ方式スイッチング電源装置の一例として、フルブリッジ方式スイッチング電源装置に適用した例を示しているが、ハーフブリッジやプッシュプル方式スイッチング電源装置にも適用可能である。
【0058】
以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示にもとづき、種々の変形例を想到できることは自明である。
【0059】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば次のような効果を得ることができる。
(A)簡単な回路構成で、スイッチング電源装置の負荷状態に応じて冷却用ファンの回転数を制御できるスイッチング電源装置を提供することができる。
(B)無負荷あるいは無負荷に近い軽負荷時や待機時に、スイッチ回路を用いることなく、ファンの回転数を低下したり、または回転を停止できるスイッチング電源装置を提供することができる。
(C)消費電力の少ないファン駆動回路を備えたスイッチング電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスイッチング電源装置の一実施例を示す電気回路図であって、一石フォワード方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。
【図2】図1に図示した本実施例のスイッチング電源装置のファン駆動回路の出力端子電圧と負荷電流との関係を示す図である。
【図3】本発明に係るスイッチング電源装置の別の実施例を示す電気回路図であって、二石フォワード方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。
【図4】本発明に係るスイッチング電源装置の更に別の実施例を示す電気回路図であって、フルブリッジ方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。
【符号の説明】
1 変圧器
11 入力巻線
12 出力巻線
13 ファン駆動用巻線
2 スイッチング回路
21、22、23 スイッチング素子
22A、23A、22B、23B スイッチング素子
3 出力整流平滑回路
4 ファン
5 ファン駆動回路
53 三端子レギュレータ
Claims (2)
- 変圧器と、スイッチング回路と、出力整流平滑回路と、冷却用ファンと、ファン駆動回路とを含むスイッチング電源装置であって、
前記変圧器は、入力巻線と、出力巻線と、ファン駆動用巻線とを含み、
前記スイッチング回路は、スイッチング素子を含み、前記スイッチング素子は、前記入力巻線に接続され、前記入力巻線を通して供給される直流電圧をスイッチングして、前記出力巻線と、前記ファン駆動用巻線とに電圧を誘起させ、前記スイッチング素子のオン期間は、前記出力整流平滑回路に接続される負荷の軽重により変化し、負荷電流が小さいと短く制御され、
前記出力整流平滑回路は、前記出力巻線に誘起された電圧を整流、平滑して出力し、
前記ファン駆動回路は、整流平滑回路と、三端子レギュレータとを含み、
前記整流平滑回路は、前記ファン駆動用巻線に誘起したフォワード方向電圧を整流、平滑して出力し、
前記三端子レギュレータは、前記整流平滑回路から平滑電圧が供給され、前記平滑電圧が所定値を上回るときには、前記平滑電圧を前記所定値に制限して出力し、前記所定値を下回っているときには、前記平滑電圧を制限することなく出力し、
前記冷却用ファンは、前記三端子レギュレータから出力された電圧により駆動される、
スイッチング電源装置。 - 請求項1に記載されたスイッチング電源装置であって、
前記整流平滑回路は、抵抗素子及びインダクタンス素子の少なくとも一方を直列接続させた半波整流平滑回路である
スイッチング電源装置。
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