JP5422801B2 - Buck-boost switching power supply circuit - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチング電源回路に関し、特に昇降圧スイッチング電源回路に関する。   The present invention relates to a switching power supply circuit, and more particularly to a step-up / down switching power supply circuit.

電源からの電圧を昇圧し、降圧する昇降圧スイッチング電源回路としては、昇圧型のスイッチング電源と降圧型のスイッチング電源とを従属に接続するものが、周知技術として知られている。図7はこのような昇降圧スイッチング電源回路の一例を示すものである。図7に示す昇降圧スイッチング電源回路100では、周知の昇圧型スイッチング電源回路101と周知の降圧型スイッチング電源回路102とを従属接続して負荷の両端の電圧Eの大きさを入力の電圧Eより大きくすることも小さくすることもできるものである。 As a step-up / step-down switching power supply circuit that boosts and lowers a voltage from a power supply, a circuit in which a step-up switching power supply and a step-down switching power supply are connected in cascade is known as a well-known technique. FIG. 7 shows an example of such a step-up / step-down switching power supply circuit. Figure 7 The buck-boost switching power supply circuit 100 shown in the well-known step-up switching power supply circuit 101 and a known step-down switching power supply circuit 102 and the cascaded to load of the voltage across E 2 inputs the magnitude of the voltage E It can be made larger or smaller than 1 .

昇圧型スイッチング電源回路101は、インダクタL101とスイッチ素子S101とダイオードD101とコンデンサC101とを有して形成され、降圧型スイッチング電源回路102はインダクタL102とスイッチ素子S102とダイオードD102とコンデンサC102とを有して形成されている。スイッチ素子S101の時比率(T/TOFF1)を変化させて、昇圧比率を変化させている。ここで、Tはスイッチング周期、TOFF1はスイッチ素子S101のオフの時間である。また、スイッチ素子S102の時比率(TON2/T)を変化させて、降圧比率を変化させる。ここで、TON2はスイッチ素子S102のオンの時間である。ここで、入力の電圧Eと負荷の電圧Eとの間には、E/E=(T/TOFF1)×(TON2/T)=TON2/TOFFの関係式が成立する。このようにして、入力の電圧Eよりも高い電圧Eを負荷の両端に得ることも、入力の電圧Eよりも低い電圧Eを負荷の両端に得ることもできるようになされている。ここで、スイッチ素子Sとスイッチ素子Sとは各々が独立に制御されるものである。 The step-up switching power supply circuit 101 includes an inductor L 101 , a switch element S 101 , a diode D 101, and a capacitor C 101. The step-down switching power supply circuit 102 includes an inductor L 102 , a switch element S 102, and a diode D. 102 and a capacitor C102 . The boost ratio is changed by changing the time ratio (T S / T OFF1 ) of the switch element S 101 . Here, T S is a switching period, and T OFF1 is a time when the switch element S 101 is off. Further, the step-down ratio is changed by changing the time ratio (T ON2 / T S ) of the switch element S 102 . Here, T ON2 is the ON time of the switch element S102 . Here, between the input voltage E 1 and the load voltage E 2 , a relational expression of E 2 / E 1 = (T S / T OFF1 ) × (T ON2 / T S ) = T ON2 / T OFF Is established. In this way, also possible to obtain high voltage E 2 than the voltage E 1 of the input across the load, and a low voltage E 2 than the voltage E 1 of the input adapted can also be obtained across the load . Here, the switching element S 1 and switching element S 2 in which each is independently controlled.

別の昇降圧スイッチング電源回路として、チューク(Cuk)コンバータが知られている。図8はチュークコンバータ103を示すものである。チュークコンバータ103は、インダクタL103とインダクタL104とスイッチ素子S103とダイオードD103とコンデンサC103とコンデンサC104とを有して形成されている。そして、スイッチ素子S103の時比率を変化させて、昇降圧比率を変化させる。E/E=TON3/TOFF3の関係式を得ることができる。ここで、TON3はスイッチ素子S103のオンの時間、TOFF3はスイッチ素子S103のオフの時間である。 A Cuk converter is known as another step-up / step-down switching power supply circuit. FIG. 8 shows the Chuuk converter 103. The Chuuk converter 103 includes an inductor L 103 , an inductor L 104 , a switch element S 103 , a diode D 103 , a capacitor C 103, and a capacitor C 104 . Then, by changing the duty ratio of the switching element S 103, changing the buck-boost ratio. A relational expression of E 2 / E 1 = T ON3 / T OFF3 can be obtained. Here, T ON3 the time on the switching element S 103, T OFF3 is the time off of the switching element S 103.

また、昇圧コンバータを用いた力率改善回路も周知技術として知られている(例えば、特許文献1、特許文献2を参照)。   Further, a power factor correction circuit using a boost converter is also known as a well-known technique (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

特開2006−67730号公報JP 2006-67730 A 特開2005−229757号公報JP 2005-229757 A

スイッチングコンバータの基礎 30頁、 原田耕介 二宮保 顧文建 、株式会社 コロナ社 1992年2月25日発行30 pages of basics of switching converter, Kosuke Harada, Keibun Ninomiya, Corona Co., Ltd. February 25, 1992

上述した、図7に示す昇圧型のスイッチング電源と降圧型のスイッチング電源とを従属に接続する昇降圧スイッチング電源回路では、スイッチ素子が2個必要となり装置の価格は高価なものとなった。また、スイッチ素子における損失も2個分発生するので効率も低いものとなった。図8に示すチュークコンバータでは、電力伝送路に高周波電力が通過するコンデンサ(コンデンサC103)を介在させるので、このコンデンサにおける損失が生じた。また、負荷に供給する電力を大きくする場合には、このコンデンサの容量も大きくしなければならず、スイッチング電源回路の形状も大きくなり、大電力を取り扱う電源としては、あまり適したものではなかった。 In the step-up / step-down switching power supply circuit in which the step-up type switching power supply and the step-down type switching power supply shown in FIG. 7 are connected in series, two switch elements are required, and the price of the device becomes expensive. Further, since the loss in the switch element is also generated by two, the efficiency is low. In the Chuuk converter shown in FIG. 8, since a capacitor (capacitor C 103 ) through which high-frequency power passes is interposed in the power transmission path, a loss occurs in this capacitor. In addition, when the power supplied to the load is increased, the capacity of the capacitor must be increased, the shape of the switching power supply circuit is increased, and it is not very suitable as a power supply that handles large power. .

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、極めて簡便な構成によって、効率が高く、安価で、小型化を図った昇降圧スイッチング電源回路を提供するものである。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a step-up / down switching power supply circuit that is highly efficient, inexpensive, and downsized with an extremely simple configuration.

本発明の昇降圧スイッチング電源回路は、入力電源に第1のインダクタとスイッチ素子とが直列に接続され、前記第1のインダクタと前記スイッチ素子との接続点に、前記スイッチ素子がオフのときに前記第1のインダクタからの電流を流すように第1のダイオードが接続され、前記第1のダイオードの他端は第1のコンデンサに接続され、前記第1のコンデンサの他端および前記スイッチ素子の他端は前記入力電源の他端に接続され、前記第1のダイオードの他端と前記第1のコンデンサとの接続点に、前記スイッチ素子がオフのときに第2のインダクタに電流を流すように第2のダイオードと前記第2のインダクタとが接続され、前記第2のインダクタの他端には第2のコンデンサが接続され、前記第2のコンデンサの他端と前記第2のダイオードの他端との接続点と、前記第1のインダクタと前記スイッチ素子との接続点との間に、前記スイッチ素子がオンのときに電流を流すように第3のダイオードが接続され、前記スイッチ素子のオンとオフとの比率を変化させて、前記第2のコンデンサの両端に発生する出力の電圧を変化させる。 In the step-up / step-down switching power supply circuit according to the present invention, a first inductor and a switch element are connected in series to an input power supply, and when the switch element is off at a connection point between the first inductor and the switch element. A first diode is connected to flow current from the first inductor, the other end of the first diode is connected to a first capacitor, the other end of the first capacitor and the switch element. The other end is connected to the other end of the input power source, and a current flows through the second inductor when the switch element is off at the connection point between the other end of the first diode and the first capacitor. to be connected to the second diode and said second inductor, said other end of the second inductor is connected to a second capacitor, said second capacitor second end and said second A third diode is connected between a connection point with the other end of the anode and a connection point between the first inductor and the switch element so that a current flows when the switch element is on, The output voltage generated at both ends of the second capacitor is changed by changing the ON / OFF ratio of the switch element.

本発明の昇降圧スイッチング電源回路では、入力電源に第1のインダクタとスイッチ素子とが直列に接続され、第1のインダクタとスイッチ素子との接続点に、スイッチ素子がオフのときに第1のインダクタからの電流を流すように第1のダイオードが接続され、第1のコンデンサの他端およびスイッチ素子の他端は入力電源の他端に接続され、第1のダイオードの他端は第1のコンデンサに接続されているので昇圧することができる。また、第1のダイオードの他端と第1のコンデンサとの接続点に、スイッチ素子がオフのときに第2のインダクタに電流を流すように第2のダイオードと第2のインダクタとが接続され、第2のインダクタの他端には第2のコンデンサが接続されているので降圧をすることができる。また、第2のコンデンサの他端と第2のダイオードの他端との接続点と、第1のインダクタとスイッチ素子との接続点との間に、スイッチ素子がオンのときに電流を流すように第3のダイオードが接続されている。このような構成によって、スイッチ素子のオンとオフとの比率を変化させて、第2のコンデンサの両端に発生する出力の電圧を変化させることができる。 In the step-up / step-down switching power supply circuit according to the present invention, the first inductor and the switch element are connected in series to the input power supply, and the connection point between the first inductor and the switch element is the first when the switch element is off. The first diode is connected so that the current from the inductor flows, the other end of the first capacitor and the other end of the switch element are connected to the other end of the input power supply, and the other end of the first diode is the first Since it is connected to a capacitor, the voltage can be boosted. In addition, the second diode and the second inductor are connected to a connection point between the other end of the first diode and the first capacitor so that a current flows through the second inductor when the switch element is off. Since the second capacitor is connected to the other end of the second inductor, the voltage can be stepped down. In addition, a current is allowed to flow between the connection point between the other end of the second capacitor and the other end of the second diode and the connection point between the first inductor and the switch element when the switch element is on. Is connected to a third diode. With such a configuration, the output voltage generated at both ends of the second capacitor can be changed by changing the ON / OFF ratio of the switch element.

また、別の本発明の昇降圧スイッチング電源回路は、交流電源に第1のスイッチ素子が接続され、前記交流電源の他端に第1のインダクタが接続され、前記交流電源と前記第1のスイッチ素子との接続点に、前記第1のスイッチ素子がオフのときに第1のコンデンサと前記第1のインダクタの他端に接続される第1の整流ダイオードとを介して前記第1のインダクタからの電流を流すように第1のダイオードが接続され、前記第1のダイオードの他端は前記第1のコンデンサに接続され、前記第1のコンデンサの他端および前記第1のスイッチ素子の他端は前記第1の整流ダイオードの他端に接続され、前記第1のダイオードの他端と前記第1のコンデンサとの接続点に、前記第1のスイッチ素子がオフのときに第2のインダクタに電流を流すように第2のダイオードと前記第2のインダクタとが接続され、前記第2のインダクタの他端には第2のコンデンサが接続され、前記第2のコンデンサの他端と前記第2のダイオードの他端との接続点と、前記交流電源と前記第1のスイッチ素子との接続点との間に、前記第1のスイッチ素子がオンのときに電流を流すように第3のダイオードが接続され、前記第1のインダクタの他端に第2のスイッチ素子が接続され、前記第1のインダクタの他端と前記第2のスイッチ素子との接続点に、前記第2のスイッチ素子がオフのときに前記第1のコンデンサと前記交流電源に接続される第2の整流ダイオードとを介して前記第1のインダクタからの電流を流すように第4のダイオードが接続され、前記第4のダイオードの他端は前記第1のコンデンサに接続され、前記第1のコンデンサの他端および前記第2のスイッチ素子の他端は前記第2の整流ダイオードの他端に接続され、前記第4のダイオードの他端と前記第1のコンデンサとの接続点に、前記第2のスイッチ素子がオフのときに前記第2のインダクタに電流を流すように前記第2のダイオードと前記第2のインダクタとが接続され、前記第2のコンデンサの他端と前記第2のダイオードの他端との接続点と、前記第1のインダクタの他端と前記第2のスイッチ素子との接続点との間に、前記第2のスイッチ素子がオンのときに電流を流すように第5のダイオードが接続され、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子のオンとオフとの比率を変化させて、前記第2のコンデンサの両端に発生する出力の電圧を変化させるとともに、力率を1に近づける。 In another step-up / step-down switching power supply circuit according to the present invention, a first switch element is connected to an AC power supply, a first inductor is connected to the other end of the AC power supply, and the AC power supply and the first switch are connected. the connection point of the device, from the first of the first rectifier diode and said first inductor via the switch element is connected to the first capacitor and the other end of said first inductor in the off A first diode is connected so as to flow a current, the other end of the first diode is connected to the first capacitor, the other end of the first capacitor and the other end of the first switch element. Is connected to the other end of the first rectifier diode, connected to the connection point between the other end of the first diode and the first capacitor, and to the second inductor when the first switch element is off. Current flow A second diode and said second inductor is connected to said the other end of the second inductor is connected to a second capacitor, said second capacitor second end and said second diode A third diode is connected between a connection point with the other end and a connection point between the AC power source and the first switch element so that a current flows when the first switch element is on. , the second switching element is connected to the other end of said first inductor, to a connection point between the other end of the first inductor and the second switching element, the second switching element is off the first capacitor and the AC second rectifier diode so as to flow a current from the first inductor via the fourth diode are power supply connection is connected to the other of said fourth diode The end is the first connector The other end of the first capacitor and the other end of the second switch element are connected to the other end of the second rectifier diode, and the other end of the fourth diode and the first The second diode and the second inductor are connected to a connection point with a capacitor so that a current flows through the second inductor when the second switch element is off, and the second capacitor the other end and the connection point between the other end of the second diode, between a connection point between the first inductor of the other end and the second switching element, the second switching element is turned on A fifth diode is connected so that a current flows when the first switch element and the second switch element are turned on and off, and are generated at both ends of the second capacitor. Change the output voltage And the power factor is brought close to 1.

別の本発明の昇降圧スイッチング電源回路では、交流電源に第1のスイッチ素子が接続され、交流電源の他端に第1のインダクタが接続され、交流電源と第1のスイッチ素子との接続点に、第1のスイッチ素子がオフのときに第1のコンデンサと第1のインダクタの他端に接続される第1の整流ダイオードとを介して第1のインダクタからの電流を流すように第1のダイオードが接続され、第1のダイオードの他端は第1のコンデンサに接続され、第1のコンデンサの他端および第1のスイッチ素子の他端は第1の整流ダイオードの他端に接続され、第1のダイオードの他端と第1のコンデンサとの接続点に、第1のスイッチ素子がオフのときに第2のインダクタに電流を流すように第2のダイオードと第2のインダクタとが接続され、第2のインダクタの他端には第2のコンデンサが接続され、第2のコンデンサの他端と第2のダイオードの他端との接続点と、交流電源と第1のスイッチ素子との接続点との間に、第1のスイッチ素子がオンのときに電流を流すように第3のダイオードが接続されるようにして第1の昇降圧コンバータが形成される。 In another step-up / step-down switching power supply circuit of the present invention, a first switch element is connected to the AC power supply, a first inductor is connected to the other end of the AC power supply, and a connection point between the AC power supply and the first switch element. In addition, when the first switch element is off, the first current is supplied from the first inductor via the first capacitor and the first rectifier diode connected to the other end of the first inductor. The other end of the first diode is connected to the first capacitor, and the other end of the first capacitor and the other end of the first switch element are connected to the other end of the first rectifier diode. , the connection point between the other end and the first capacitor of the first diode, the first switch element and a second diode and a second inductor to flow a current to the second inductor in the off Connected, second A second capacitor is connected to the other end of the inductor, between the connection point between the other end of the second capacitor and the other end of the second diode, and a connection point between the AC power supply and the first switch element. In addition, the first step-up / step-down converter is formed such that the third diode is connected so that a current flows when the first switch element is ON.

また、第1のインダクタの他端に第2のスイッチ素子が接続され、第1のインダクタの他端と第2のスイッチ素子との接続点に、第2のスイッチ素子がオフのときに第1のコンデンサと交流電源に接続される第2の整流ダイオードとを介して第1のインダクタからの電流を流すように第4のダイオードが接続され、第4のダイオードの他端は第1のコンデンサに接続され、第1のコンデンサの他端および第2のスイッチ素子の他端は第2の整流ダイオードの他端に接続され、第4のダイオードの他端と第1のコンデンサとの接続点に、第2のスイッチ素子がオフのときに第2のインダクタに電流を流すように第2のダイオードと第2のインダクタとが接続され、第2のコンデンサの他端と第2のダイオードの他端との接続点と、第1のインダクタの他端と第2のスイッチ素子との接続点との間に、第2のスイッチ素子がオンのときに電流を流すように第5のダイオードが接続されるようにして第2の昇降圧コンバータが形成される。 The second switching element is connected to the other end of the first inductor, to a connection point between the first inductor and the other end and the second switching elements, first when the second switching element is off 1 A fourth diode is connected to flow current from the first inductor through a second capacitor and a second rectifier diode connected to the AC power supply, and the other end of the fourth diode is connected to the first capacitor. The other end of the first capacitor and the other end of the second switch element are connected to the other end of the second rectifier diode, and at the connection point between the other end of the fourth diode and the first capacitor, The second diode and the second inductor are connected so that a current flows through the second inductor when the second switch element is off, and the other end of the second capacitor and the other end of the second diode are connected to each other. Connection point and first inductor Between the connection point of the capacitor of the other end and a second switching element, a second buck as the fifth diode is connected so as to flow a current when the second switching element is turned on A converter is formed.

そして、第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子のオンとオフとの比率を変化させて、第2のコンデンサの両端に発生する出力の電圧を変化させるとともに、力率を1に近づけることができる。 Then, by changing the ON / OFF ratio of the first switch element and the second switch element, the output voltage generated at both ends of the second capacitor is changed, and the power factor is made close to 1. it can.

本発明の昇降圧スイッチング電源回路によれば、スイッチ素子の数を削減して昇降圧が可能となり、大電力の交流電力が通過するコンデンサを有することがないので、効率が高く、安価で、小型化を図った昇降圧スイッチング電源回路を提供することができる。   According to the step-up / step-down switching power supply circuit of the present invention, it is possible to perform step-up / step-down by reducing the number of switch elements, and since there is no capacitor through which a large amount of AC power passes, it is highly efficient, inexpensive, and compact. Thus, a step-up / step-down switching power supply circuit can be provided.

実施形態の昇降圧スイッチング電源回路の回路図を示すものである。1 is a circuit diagram of a step-up / down switching power supply circuit according to an embodiment. FIG. 実施形態の昇降圧スイッチング電源回路の動作を説明するための等価回路である。It is an equivalent circuit for demonstrating operation | movement of the buck-boost switching power supply circuit of embodiment. 定電圧を得るための実施形態の昇降圧スイッチング電源回路を示す図である。It is a figure which shows the buck-boost switching power supply circuit of embodiment for obtaining a constant voltage. 実施形態の昇降圧スイッチング電源回路の動作を各部の電圧波形、電流波形を示して示す図である。It is a figure which shows the voltage waveform of each part, and shows the operation | movement of the step-up / step-down switching power supply circuit of embodiment. 実施形態の昇降圧スイッチング電源回路において、パルスデューティに対する、コンデンサの電圧と出力の電圧と電圧変換率との各々を示すものである。In the step-up / step-down switching power supply circuit of the embodiment, each of a capacitor voltage, an output voltage, and a voltage conversion rate with respect to a pulse duty is shown. AC−DCコンバータとして機能する実施形態の昇降圧スイッチング電源回路を示すものである。1 shows a step-up / step-down switching power supply circuit that functions as an AC-DC converter. 従来の昇降圧スイッチング電源回路の一例を示すものである。An example of a conventional step-up / step-down switching power supply circuit is shown. 従来のチュークコンバータを示すものである。1 shows a conventional Chuuk converter.

図面を引用して、以下に、実施形態の昇降圧スイッチング電源回路の説明をおこなう。   The step-up / step-down switching power supply circuit according to the embodiment will be described below with reference to the drawings.

図1は、実施形態の昇降圧スイッチング電源回路の回路図を示すものである。実施形態の昇降圧スイッチング電源回路1は、インダクタL(第1のインダクタ)とNチャンネルMOSトランジスタQ(スイッチ素子)とダイオードD(第1のダイオード)とコンデンサC(第1のコンデンサ)とダイオードD(第2のダイオード)とインダクタL(第2のインダクタ)とコンデンサC(第2のコンデンサ)とダイオードD(第3のダイオード)とを有して構成されている。 FIG. 1 is a circuit diagram of a step-up / step-down switching power supply circuit according to an embodiment. The step-up / down switching power supply circuit 1 according to the embodiment includes an inductor L 1 (first inductor), an N-channel MOS transistor Q 1 (switch element), a diode D 1 (first diode), and a capacitor C 1 (first capacitor). ), A diode D 2 (second diode), an inductor L 2 (second inductor), a capacitor C 2 (second capacitor), and a diode D 3 (third diode). .

昇降圧スイッチング電源回路1では、電圧Eの入力電源EにインダクタLとNチャンネルMOSトランジスタQとが直列に接続される。インダクタLは入力電源Eの正極に接続され、NチャンネルMOSトランジスタQのソースは入力電源Eの負極に接続され、インダクタLとNチャンネルMOSトランジスタQのドレインとが接続される。インダクタLとNチャンネルMOSトランジスタQのドレインとの接続点にダイオードDのアノードが接続される。また、ダイオードDのカソードには、コンデンサCが接続され、コンデンサCの他の一端は、NチャンネルMOSトランジスタQのソースと入力電源Eの負極とに接続されている。インダクタLとNチャンネルMOSトランジスタQとダイオードDとコンデンサCとで、昇圧型のスイッチング電源の主要部を構成するようになされている。 In the step-up / step-down switching power supply circuit 1, an inductor L 1 and an N-channel MOS transistor Q 1 are connected in series to an input power supply E I having a voltage E I. The inductor L 1 is connected to the positive electrode of the input power source E I , the source of the N channel MOS transistor Q 1 is connected to the negative electrode of the input power source E I , and the inductor L 1 and the drain of the N channel MOS transistor Q 1 are connected. . The anode of the inductor L 1 and the N-channel MOS transistor diode D 1 to the connection point of the drain of Q 1 is connected. Further, the cathode of the diode D 1, the capacitor C 1 is connected, the other end of the capacitor C 1 is connected to the negative pole of the source and the input power supply E I of N-channel MOS transistor Q 1. The inductor L 1 and the N-channel MOS transistor Q 1, a diode D 1 and capacitor C 1, is adapted to constitute a major portion of the switching power supply step-up.

また、昇降圧スイッチング電源回路1では、ダイオードDのカソードとコンデンサCとの接続点には、インダクタLとダイオードDのカソードとが接続されている。インダクタLの他端にはコンデンサCが接続され、コンデンサCの他端にはダイオードDのカソードが接続されている。コンデンサCの両端には負荷Rが接続されている。そして、コンデンサCの他端とダイオードDのアノードとが接続され、この接続点にダイオードDのアノードが接続されている。ダイオードDのカソードは、インダクタLとスイッチ素子Sのドレインとに接続されている。インダクタLとダイオードDとコンデンサCとで、降圧型のスイッチング電源の主要部を構成するようになされている。 In the step-up / step-down switching power supply circuit 1, the inductor L 2 and the cathode of the diode D 2 are connected to the connection point between the cathode of the diode D 1 and the capacitor C 1 . The other end of the inductor L 2 is connected to the capacitor C 2, the other end of the capacitor C 2 cathode of the diode D 2 is connected. At both ends of the capacitor C 2 load R L is connected. Then, the anode of the other end and the diode D 2 of the capacitor C 2 is connected, the anode of the diode D 3 is connected to the connection point. The cathode of the diode D 3 is connected to the drain of the inductor L 1 and the switching element S 1. The inductor L 2 and the diode D 2 and the capacitor C 2, is adapted to constitute a major portion of the switching power supply of buck type.

上述した昇降圧スイッチング電源回路1では、出力の電圧Eの極性は正となる。しかしながら、NチャンネルMOSトランジスタQをPチャンネルMOSトランジスタに替え、ダイオードD〜ダイオードDの極性を替え、入力電源Eの極性を替えることによって、出力の電圧Eの極性を負とすることができる。 In the step-up / down switching power supply circuit 1 described above, the polarity of the output voltage EO is positive. However, the polarity of the output voltage E O is made negative by changing the N channel MOS transistor Q 1 to a P channel MOS transistor, changing the polarity of the diodes D 1 to D 3 , and changing the polarity of the input power supply E I. be able to.

図1に示す昇降圧スイッチング電源回路1は、従来は存在しない新規な回路である。よって、その回路動作の理解は困難である。そこで、回路動作の理解を容易にするために、本願の願書に記載の発明者が、実験と思索の繰り返しの結果、どのようにしてこのような回路を発明したかを順に説明する。この説明の仕方は、あくまで、第三者の図1に示す昇降圧スイッチング電源回路1の理解を助けるために発明者が考えたものであり、昇降圧スイッチング電源回路1が容易に発明をすることができということでは決してない。   The step-up / step-down switching power supply circuit 1 shown in FIG. 1 is a novel circuit that does not exist conventionally. Therefore, it is difficult to understand the circuit operation. Therefore, in order to facilitate understanding of the circuit operation, how the inventor described in the application of the present application invented such a circuit as a result of repeated experiments and thoughts will be described in order. This method of explanation is intended to help the understanding of the step-up / step-down switching power supply circuit 1 shown in FIG. 1 by a third party, and the step-up / step-down switching power supply circuit 1 can easily invent the invention. It's not that you can.

図2に示す回路は、図1に示す昇降圧スイッチング電源回路1の等価回路である。符号2を付した破線内は、昇圧型のスイッチング電源であり、符号3を付した破線内は、降圧型のスイッチング電源である。ここで、図1の回路を導くために、降圧型のスイッチング電源については、負極性側にNチャンネルMOSトランジスタQを接続している。この等価回路は、背景技術としての図7に示した昇降圧スイッチング電源回路100と同様に動作する。そして、E/E=(T/TOFF1)×(TON2/T)=TON2/TOFF1の関係式を得ることができる。ここで、Tはスイッチング周期、TOFF1はNチャンネルMOSトランジスタQのオフの時間、TON2はNチャンネルMOSトランジスタQのオンの時間である。 The circuit shown in FIG. 2 is an equivalent circuit of the step-up / step-down switching power supply circuit 1 shown in FIG. The broken line labeled 2 is a step-up switching power supply, and the broken line labeled 3 is a step-down switching power supply. Here, in order to guide the circuit of Figure 1, for the switching power supply of the step-down type, it connects the N-channel MOS transistors Q 2 to the negative polarity side. This equivalent circuit operates in the same manner as the step-up / step-down switching power supply circuit 100 shown in FIG. 7 as the background art. Then, a relational expression of E O / E I = (T S / T OFF1 ) × (T ON2 / T S ) = T ON2 / T OFF1 can be obtained. Here, T S is a switching period, T OFF1 is an OFF time of the N-channel MOS transistor Q 1 , and T ON2 is an ON time of the N-channel MOS transistor Q 2 .

図2に示す等価回路を最初に発明者が思い至ったのは、NチャンネルMOSトランジスタQのソースと、NチャンネルMOSトランジスタQのソースと、が共通接続点を有するようにしようと考えたためである。さらに、発明者は、NチャンネルMOSトランジスタQとNチャンネルMOSトランジスタQとを、一方がオンの場合は他方もオンとなり、一方がオフの場合は他方もオフとなるような動作をさせることによって、回路を簡略化することができるのではないかという考えたためである。 The inventors have thought reached and the equivalent circuit for the first shown in FIG. 2, and the source of N-channel MOS transistors Q 1, since the source of the N-channel MOS transistor Q 2, is considered trying to have a common connection point It is. Further, the inventors of the N-channel MOS transistors Q 1, N-channel MOS transistors Q 2, it one the other also turned on in the case of on, which one of the operations other also such that off If off This is because of the idea that the circuit can be simplified.

発明者は、ダイオードの順方向の電圧が0V(ボルト)、NチャンネルMOSトランジスタのオン電圧が0Vであるとして、以下のような思考実験をおこなったのである。NチャンネルMOSトランジスタQがオンである場合に、NチャンネルMOSトランジスタQもオンとなるようにすれば、原理的には、NチャンネルMOSトランジスタQのソースとNチャンネルMOSトランジスタQのドレインとNチャンネルMOSトランジスタQのソースとNチャンネルMOSトランジスタQのドレインとが一点に接続されることと等価となることに思い至った。また、NチャンネルMOSトランジスタQがオフである場合には、NチャンネルMOSトランジスタQのドレインの電位は、NチャンネルMOSトランジスタQのドレインの電位よりも電圧Eだけ低くなることに気が付いた。そして、NチャンネルMOSトランジスタQに換えてダイオードDを用いることができることに思い至ったのである。 The inventor conducted the following thought experiment on the assumption that the forward voltage of the diode is 0 V (volt) and the ON voltage of the N-channel MOS transistor is 0 V. When N-channel MOS transistor Q 1 is turned on, if so it is also on the N-channel MOS transistors Q 2, in principle, the drain of N-channel MOS transistor to Q 1 source and N-channel MOS transistor Q 1 and the drain of the N-channel MOS transistor Q 2 of the source and the N-channel MOS transistor Q 2 has reached thought to be equivalent to that the is connected to one point. Also, N-channel MOS transistor Q 1 is when it is off, the potential of the drain of the N-channel MOS transistor Q 2 are noticed to be lower by the voltage E O than the drain potential of the N-channel MOS transistor Q 1 . Then, it was led think that it is possible to use a diode D 3 in place of the N-channel MOS transistor Q 2.

つまり、図1に示すようにダイオードDを用いる場合には、NチャンネルMOSトランジスタQがオンであるときには、NチャンネルMOSトランジスタQのソースとドレインとが短絡と見なせ、その電位は電源Eの負側の電位となる。そして、NチャンネルMOSトランジスタQのソースとドレインに接続されたダイオードDは、コンデンサCによって逆電圧が印加されてオフとなる。また、負荷Rに流れている電流は、ダイオードDを通って電源Eの負側に還流する。すなわち、ダイオードDは、図2のNチャンネルMOSトランジスタQがオンであると等価の作用をするのである。このとき、コンデンサCの負側の電位とコンデンサCの負側の電位とは等しくなる。 That is, when a diode is used D 3 as shown in FIG. 1, when N-channel MOS transistor Q 1 is turned on, regarded the source and the drain of N-channel MOS transistor Q 1 is short-circuited, the potential of the power supply a negative side potential of the E I. The diode D 1 connected to the source and drain of N-channel MOS transistor Q 1 is in an off the reverse voltage is applied by the capacitor C 2. The current flowing through the load R L passes through the diode D 3 flows back to the negative side of the power source E I. That is, the diode D 3 is to the effect of the equivalent when N-channel MOS transistor Q 2 in FIG. 2 is on. At this time, it is equal to the negative potential and the negative potential of the capacitor C 2 of the capacitor C 1.

そして、NチャンネルMOSトランジスタQがオフである場合には、NチャンネルMOSトランジスタQのソースとドレインとは開放と見なせる。そして、NチャンネルMOSトランジスタQのドレインに接続されたダイオードDはオンとなる。このときに、ダイオードDのカソードの電位は、コンデンサCの正極の電位と等しくなり、ダイオードDのカソードの電位は、コンデンサCの負極の電位、すなわち、コンデンサCの負極の電位と等しくなるので、ダイオードDは、オフとなる。すなわち、ダイオードDは、図2のNチャンネルMOSトランジスタQがオフであると等価の作用をするのである。 Then, when the N-channel MOS transistor Q 1 is off, it can be regarded as open source and the drain of the N-channel MOS transistor Q 1. The diode D 1 connected to the drain of N-channel MOS transistor Q 1 is turned on. At this time, the potential of the cathode of the diode D 3 is equal to the potential of the positive electrode of the capacitor C 1, the potential of the cathode of the diode D 3 is a negative electrode potential of the capacitor C 2, i.e., the potential of the negative electrode of the capacitor C 1 since equal to, the diode D 3 is turned off. That is, the diode D 3 is, N-channel MOS transistor Q 2 in FIG. 2 is to the effect equivalent When it is turned off.

以上は、図1に示す従来にない回路の動作を分かりやすく説明したものであるが、より、詳細な動作説明は後述する。このときの入力の電圧Eと出力の電圧Eとの関係は、以下の(式1)で得られるものとなる。ここで、TONはNチャンネルMOSトランジスタQがオンとなる時間、TOFFはNチャンネルMOSトランジスタQがオフとなる時間である。 The above is an easy-to-understand description of the operation of the conventional circuit shown in FIG. 1, but a more detailed description of the operation will be described later. The relationship between the input voltage E I and the output voltage E O at this time is obtained by the following (Equation 1). Here, T ON is a time when the N-channel MOS transistor Q 1 is turned on, and T OFF is a time when the N-channel MOS transistor Q 1 is turned off.


/E=TON/TOFF (式1)

E O / E I = T ON / T OFF (Formula 1)

要約すると、図1に示す昇降圧スイッチング電源回路1は、入力電源EにインダクタLとNチャンネルMOSトランジスタQとが直列に接続され、インダクタLとNチャンネルMOSトランジスタQとの接続点に、NチャンネルMOSトランジスタQがオフのときにインダクタLからの電流を流すようにダイオードDが接続されている。また、ダイオードDの他端はコンデンサCに接続され、ダイオードDの他端とコンデンサCとの接続点に、NチャンネルMOSトランジスタQがオフのときにインダクタLに電流を流すようにダイオードDとインダクタLが接続されている。また、インダクタLの他端にはコンデンサCが接続され、コンデンサCの他端とダイオードDの他端との接続点と、インダクタLとNチャンネルMOSトランジスタQとの接続点との間に、NチャンネルMOSトランジスタQがオンのときに電流を流すようにダイオードDが接続されている。そして、NチャンネルMOSトランジスタQのオンとオフとの比率を変化させて、コンデンサCの両端に発生する電圧を変化させることができる。 In summary, in the step-up / step-down switching power supply circuit 1 shown in FIG. 1, an inductor L I and an N-channel MOS transistor Q 1 are connected in series to an input power supply E I , and the connection between the inductor L I and the N-channel MOS transistor Q 1 is connected. At a point, a diode D I is connected so that a current from the inductor L I flows when the N-channel MOS transistor Q 1 is off. The other end of the diode D I is connected to the capacitor C I, the connection point between the other end and the capacitor C I of the diode D I, N-channel MOS transistor Q 1 is current flow in the inductor L 2 in the off diode D 2 and the inductor L 2 is connected to. Further, the other end of the inductor L 2 is connected a capacitor C 2, the connection point of the connection point between the other ends of the diode D 2 of the capacitor C 2, an inductor L 1 and the N-channel MOS transistor Q 1 between, N-channel MOS transistor Q 1 is the a diode D 3 flow a current when on is connected. Then, by changing the ratio of on and off N-channel MOS transistors Q 1, it is possible to change the voltage generated across the capacitor C 2.

図3は、図1に示す昇降圧スイッチング電源回路1に制御部を付加した、定電圧を得るための実施形態の昇降圧スイッチング電源回路11を示す図である。昇降圧スイッチング電源回路11では、差動増幅器AMPにおいて、出力の電圧Eと基準電圧EREFとの差が出力される。差動増幅器AMPから出力されるこの差の電圧(誤差電圧)は、PWM変調器(パルス幅変調器)PWMに入力され、出力の電圧Eが基準電圧EREFに満たない量に応じて、NチャンネルMOSトランジスタQのオンとなる時間TONが大きくなるようにされる。このようにして、フィードバック制御がおこなわれて、出力の電圧Eが基準電圧EREFに一致するような制御がおこなわれる。 FIG. 3 is a diagram showing a step-up / step-down switching power supply circuit 11 according to an embodiment for obtaining a constant voltage by adding a control unit to the step-up / step-down switching power supply circuit 1 shown in FIG. In the step-up / step-down switching power supply circuit 11, the differential amplifier AMP outputs a difference between the output voltage E O and the reference voltage E REF . The difference voltage (error voltage) output from the differential amplifier AMP is input to the PWM modulator (pulse width modulator) PWM, and the output voltage E O is less than the reference voltage E REF . The time T ON when the N-channel MOS transistor Q 1 is turned on is increased. In this way, feedback control is performed, and control is performed such that the output voltage E O matches the reference voltage E REF .

要約すると、図3に示す昇降圧スイッチング電源回路11は、昇降圧スイッチング電源回路1に制御部を付加して、この制御部は、出力の電圧Eと基準電圧EREFとの差が出力される差動増幅器AMPと、差動増幅器AMPからの出力が入力されるパルス幅変調器PWMとを有し、パルス幅変調器PWMからのパルス幅信号によって、NチャンネルMOSトランジスタQを制御して出力の電圧Eを基準電圧EREFと一致させるような所定電圧に制御する。 In summary, the step-up / step-down switching power supply circuit 11 shown in FIG. 3 adds a control unit to the step-up / step-down switching power supply circuit 1, and the control unit outputs the difference between the output voltage E O and the reference voltage E REF. a differential amplifier AMP that, and a pulse width modulator PWM the output from the differential amplifier AMP is input, the pulse width signal from the pulse width modulator PWM, to control the N-channel MOS transistor Q 1 The output voltage E O is controlled to a predetermined voltage that matches the reference voltage E REF .

図4は、図3に示す昇降圧スイッチング電源回路11の動作を各部の電圧波形、電流波形を示して示す図である。図4の最上段から下に順に、ダイオードDの電流ID1、ダイオードDの電流ID3、ダイオードDの電流ID2、インダクタLの電流IL1、インダクタLの電流IL2、NチャンネルMOSトランジスタQのドレインとソース間の電圧VQ1、を各々示すものである。 FIG. 4 is a diagram showing the operation of the step-up / step-down switching power supply circuit 11 shown in FIG. 3 by showing the voltage waveform and current waveform of each part. From top in order below the figure 4, the diode D 1 of the current I D1, current I D3 of the diode D 3, the current I D2 of the diode D 2, current I L1 of inductor L 1, the inductor L 2 of the current I L2, N-channel MOS transistor to Q 1 drain voltage V Q1 between the source and shows respectively.

図4から以下のことが見て取れる。ダイオードDの電流ID1とダイオードDの電流ID2とは、NチャンネルMOSトランジスタQがオンの時(電圧VQ1が0V付近の時)には流れず、NチャンネルMOSトランジスタQがオフの時(電圧VQ1が0V付近ではない時)には流れる。ダイオードDの電流ID3は、NチャンネルMOSトランジスタQがオンの時には流れ、NチャンネルMOSトランジスタQがオフの時には流れない。インダクタLの電流IL1とインダクタLの電流IL2とは、NチャンネルMOSトランジスタQがオンの時には増加し、NチャンネルMOSトランジスタQがオフの時には減少する。 The following can be seen from FIG. A current I D1 and the diode D 2 of the current I D2 of the diode D 1 does not flow when the N-channel MOS transistor Q 1 is on (when the voltage V Q1 is near 0V), the N-channel MOS transistor Q 1 It flows when it is off (when voltage VQ1 is not near 0V). Current I D3 of the diode D 3 is, N-channel MOS transistor Q 1 is the flow when the on, N-channel MOS transistor Q 1 is not flow at the time of off. The current I L1 and the current I L2 in the inductor L 2 of the inductor L 1 is increased when the N-channel MOS transistor Q 1 is ON, the N-channel MOS transistor Q 1 is reduced when off.

図5は、実施形態の昇降圧スイッチング電源回路11のフィードバック制御ループを切って(フィードバック制御ループの動作を停止して)、パルスデューティ(Duty)、すなわち、(TON/T)に対する、コンデンサCの電圧と出力の電圧Eと電圧変換率(TON/TOFF)の各々を示すものである。図5によれば、パルスデューティ(TON/T)を変化させること、または、T=TON+TOFFであるところから、電圧変換率(TON/TOFF)を変化させることによって、出力の電圧Eを変化させることができることを示している。 FIG. 5 is a diagram illustrating a case where the feedback control loop of the step-up / step-down switching power supply circuit 11 of the embodiment is turned off (the operation of the feedback control loop is stopped), and the capacitor for the pulse duty (Duty), that is, (T ON / T S ) It shows the respective voltage and the output voltage E O voltage conversion ratio of the C 1 (T ON / T OFF ). According to FIG. 5, by changing the pulse duty (T ON / T S ) or by changing the voltage conversion rate (T ON / T OFF ) from where T S = T ON + T OFF It shows that the output voltage E O can be changed.

実施形態の昇降圧スイッチング電源回路によれば、スイッチ素子を1個だけ用いて、昇降圧が可能となる。背景技術の図7で示す、従来の昇圧型と降圧型との組み合わせでは、スイッチ素子を2個用いて昇降圧を行っていたので、電源効率を上げることが困難であったが、実施形態の昇降圧スイッチング電源回路では効率を向上させることができる。また、実施形態の昇降圧スイッチング電源回路によれば、スイッチ素子を1個だけ用いて、昇降圧が可能となるので、安価な電源回路を提供することができる。   According to the step-up / step-down switching power supply circuit of the embodiment, step-up / step-down can be performed using only one switch element. In the combination of the conventional step-up type and step-down type shown in FIG. 7 of the background art, it is difficult to increase the power supply efficiency because the step-up / step-down is performed using two switch elements. In the step-up / step-down switching power supply circuit, the efficiency can be improved. Moreover, according to the step-up / step-down switching power supply circuit of the embodiment, since the step-up / step-down can be performed using only one switch element, an inexpensive power supply circuit can be provided.

また、実施形態の昇降圧スイッチング電源回路によれば、背景技術の図8で示す、チュークコンバータのように高周波電流が多量に流れるコンデンサを用いないので、実施形態の昇降圧スイッチング電源回路では効率を向上させることができる。また、このような大容量で高周波特性が特に良好である特殊なコンデンサを用いないので、安価な電源回路を提供することができる。   In addition, according to the step-up / step-down switching power supply circuit of the embodiment, since a capacitor in which a large amount of high-frequency current flows like the Chuk converter shown in FIG. Can be improved. Further, since a special capacitor having such a large capacity and particularly good high frequency characteristics is not used, an inexpensive power supply circuit can be provided.

実施形態の昇降圧スイッチング電源回路11をDC−DCコンバータではなく、AC−DCコンバータに利用する実施形態を以下に説明する。   An embodiment in which the step-up / step-down switching power supply circuit 11 of the embodiment is used for an AC-DC converter instead of a DC-DC converter will be described below.

図6は、実施形態のAC−DCコンバータとして機能する昇降圧スイッチング電源回路12を示すものである。   FIG. 6 shows the step-up / step-down switching power supply circuit 12 that functions as the AC-DC converter of the embodiment.

昇降圧スイッチング電源回路12の破線で囲い符号13を付した部分は、上述した、昇降圧スイッチング電源回路1と同様の構成を有している。異なる点はインダクタLの位置が交流電源AC側に移動している点だけである。その他は同様であり、同様の動作をするので、詳細な説明は省略する。ここで、インダクタLを交流電源ACの側に接続したのは、インダクタLを上述した昇降圧スイッチング電源回路1におけるインダクタLとして機能させるのみならず、ダイレクトPFC回路(ダイレクト力率改善回路)の一部としても機能させるためである。 The portion of the step-up / step-down switching power supply circuit 12 that is enclosed by a broken line and has the reference numeral 13 has the same configuration as the step-up / step-down switching power supply circuit 1 described above. It differs only that the position of the inductor L 1 is moving to the AC power supply AC side. Others are the same and operate in the same manner, and detailed description thereof is omitted. Here, the inductor is connected L 1 on the side of the AC power source AC is not only to function inductor L 1 as an inductor L 1 during the temperature step-down switching power supply circuit 1 described above, direct PFC circuit (Direct power factor correction circuit ) To function as a part of.

なお、ブリッジ整流回路で交流電力を整流した後に昇圧型のインバータを接続して、この昇圧型のインバータの入力の電流として交流電圧に比例した電流を流して力率を改善する力率改善回路は周知の技術である。また、ブリッジ整流回路の中の2つのダイオードをMOSトランジスタに置き換えて、全波整流と力率改善とを同時に行うダイレクトPFC回路も周知の回路である。   A power factor improving circuit that rectifies AC power with a bridge rectifier circuit and then connects a step-up inverter and improves the power factor by supplying a current proportional to the AC voltage as the input current of the step-up inverter. This is a well-known technique. In addition, a direct PFC circuit that simultaneously performs full-wave rectification and power factor improvement by replacing two diodes in the bridge rectification circuit with MOS transistors is also a well-known circuit.

また、周知のダイレクトPFC回路では、昇圧型のスイッチング電源として構成された力率改善回路におけるMOSトランジスタの制御は、1系統の制御系でおこなっていた。そして、力率改善回路に従属に接続される降圧型スイッチング電源回路における出力の電圧を制御するためのMOSトランジスタの制御は別系統の制御系でおこなっていた。このように、各々、独立した別系統の制御系で、力率改善の制御と定電圧の制御とをするのが周知技術であった。   In the well-known direct PFC circuit, the control of the MOS transistor in the power factor correction circuit configured as a step-up switching power supply is performed by a single control system. The control of the MOS transistor for controlling the output voltage in the step-down switching power supply circuit connected to the power factor correction circuit is performed by a separate control system. As described above, it has been a well-known technique to perform power factor improvement control and constant voltage control using independent and independent control systems.

また、出力の電圧を入力の交流電源のピーク値よりも高く設定する特別の場合には、ダイレクトPFC回路のMOSトランジスタを制御して、力率を改善するとともに、昇圧スイッチング電源回路としての昇圧比率も同時に制御をするものもあった。この場合には、制御は以下の制御則に基づいておこなわれる。   Further, in a special case where the output voltage is set higher than the peak value of the input AC power supply, the MOS transistor of the direct PFC circuit is controlled to improve the power factor and the boosting ratio as the boosting switching power supply circuit Some also controlled at the same time. In this case, the control is performed based on the following control law.

まず力率改善について説明をする。力率が1であるということは、交流電源ACの電圧VACと電流IACとの関係が、電流IAC=K×電圧VACとなる場合である。ここでKは定数である。よって、例えば、電圧VACが正弦波である場合には、力率が1であるということは、電流IACも正弦波であり、両者の位相差がゼロである場合である。また、交流電源ACの電圧波形が正弦波、方形波、三角波等も含む一般の交流電源では、電圧VACと電流IACとが相似波形となる場合が、力率が1の場合である。 First, power factor improvement will be explained. The power factor of 1 is when the relationship between the voltage V AC of the AC power supply AC and the current I AC is current I AC = K × voltage V AC . Here, K is a constant. Thus, for example, when the voltage VAC is a sine wave, a power factor of 1 is a case where the current I AC is also a sine wave and the phase difference between the two is zero. Further, a sinusoidal voltage waveform of the AC power source AC is a square wave, an AC power supply generally including a triangular wave, etc., are cases where the voltage V AC and a current I AC becomes similar waveform is when the power factor is 1.

力率が1、すなわち、電流IAC=K×電圧VACとなるように制御するには、電圧VACを検出して、電流IAC=K×電圧VACの関係式となるように昇圧スイッチング電源回路を制御するものであった。ここで、交流の電圧VACの検出に際してはフォトカプラを用いて商用の交流電源ACから絶縁を図って検出し、交流の電流IACは電流トランスCTを用いて商用の交流電源ACから絶縁を図って検出するのが慣用の技術であった。 In order to control the power factor to be 1, that is, the current I AC = K × voltage V AC , the voltage V AC is detected, and the voltage is boosted so that the relation of current I AC = K × voltage V AC is obtained. The switching power supply circuit was controlled. Here, upon detection of the voltage V AC of the AC detects aim insulation from a commercial AC power source AC by using a photocoupler, an insulating from the commercial AC power source AC with the current I AC current transformer CT AC It was a conventional technique to detect it.

次に、昇圧比率の制御、つまり、定電圧制御について説明をする。上述した定数Kが完全な定数でなくとも、交流電源ACの周期に比べて十分に大きな周期で変動した場合には力率は1と見なすことができる。よって、負荷に供給される電力の変動の周期が交流電源ACの周期に比べて十分に大きな周期を有する場合には、力率を1に保ちながら、同時に負荷に供給する電圧を一定に保つことができる。すなわち、負荷が重くなった場合には、交流の電流IACの値を電圧VACと相似関係としたまま大きくし、負荷が軽くなった場合には、交流の電流IACの値を電圧VACと相似関係としたまま小さくして、昇圧スイッチング電源回路からの出力の電圧の値を一定とすることができる。 Next, boost ratio control, that is, constant voltage control will be described. Even if the above-mentioned constant K is not a perfect constant, the power factor can be regarded as 1 when it fluctuates with a sufficiently large period compared with the period of the AC power supply AC. Therefore, when the cycle of fluctuation of the power supplied to the load has a sufficiently large cycle compared to the cycle of the AC power supply AC, the voltage supplied to the load is kept constant at the same time while keeping the power factor at 1. Can do. That is, when the load is heavy, the value of the current I AC AC is increased while the voltage V AC and similar relationships, when the load becomes lighter, the voltage V a value of current I AC AC The voltage value of the output from the step-up switching power supply circuit can be made constant by reducing the voltage while maintaining a similar relationship to AC .

ここで、定電圧制御をおこなうためには、定数Kの値を以下のように変化させれば良い。誤差電圧VERR=基準電圧EREF−出力の電圧Eの関係式から、誤差電圧VERRを求める。そして、この誤差電圧VERRの値が大きいときには定数Kの値も大きくなるようにするフィードバックループを構成することによって、負荷に供給される電力を増加させて、誤差電圧VERRを0Vに近づける制御をおこなうことができる。つまり、フィードバックループは、定電圧を保つために最も適切な定数Kの値を自動的に求めて定電圧制御をおこなうようにしている。 Here, in order to perform constant voltage control, the value of the constant K may be changed as follows. Error voltage V ERR = reference voltage E REF - the relation of voltage E O of the output, obtaining an error voltage V ERR. Then, by constructing a feedback loop that increases the value of the constant K when the value of the error voltage V ERR is large, the power supplied to the load is increased so that the error voltage V ERR approaches 0V. Can be done. In other words, the feedback loop automatically obtains the most appropriate value of the constant K to maintain the constant voltage and performs the constant voltage control.

このような技術では、力率改善を図りながら、定電圧特性を得ることができる出力の電圧の範囲は、上述したように、出力の電圧の値が電圧VACのピーク値よりも大きな場合に限られた。従って、電圧VACのピーク値よりも小さな出力の電圧を得るためには、従来は、一般的には、上述したように昇圧スイッチング電源回路の後段に降圧スイッチング電源回路をさらに付加することとなった。 In such a technique, while achieving power factor correction, the range of the output voltage can be obtained a constant voltage characteristic, as described above, if the value of the output voltage is greater than the peak value of the voltage V AC limited. Therefore, in order than the peak value of the voltage V AC obtain a voltage of a small output is conventionally generally, a further addition of the step-down switching power supply circuit in the subsequent stage of the step-up switching power supply circuit as described above It was.

図6に示す実施形態の昇降圧スイッチング電源回路12では、力率改善を図って、力率を1に近づけながら、交流電源ACのピーク電圧値に依存せず、任意の出力の電圧Eを得ることができるものである。 In the step-up / step-down switching power supply circuit 12 of the embodiment shown in FIG. 6, the power factor is improved, the power factor is brought close to 1, and the voltage EO of any output is not dependent on the peak voltage value of the AC power supply AC. It can be obtained.

実施形態の昇降圧スイッチング電源回路12では、ダイレクトPFC回路を、2個のNチャンネルMOSトランジスタQおよびNチャンネルMOSトランジスタQと、ダイオードDおよびダイオードDと、ダイオードDおよびダイオードDとで実現している。そして、本来はNチャンネルMOSトランジスタを用いるべきところをダイオードDおよびダイオードDに替え、昇降圧コンバータ部のNチャンネルMOSトランジスタQと昇降圧コンバータ部のNチャンネルMOSトランジスタQとを同一のパルス幅信号(PWM信号)で駆動している。 In the step-up / step-down switching power supply circuit 12 of the embodiment, a direct PFC circuit is composed of two N-channel MOS transistors Q 1 and N 2 , a diode D 1 and a diode D 4 , a diode D 3 and a diode D 5. And realized. And, originally changing the place should be used N-channel MOS transistor in the diode D 3 and the diode D 5, the buck-boost converter of the N-channel MOS transistor Q 1, the buck converter N-channel MOS transistor Q 2 and the same It is driven by a pulse width signal (PWM signal).

そして、負荷が一定である場合には、PWM信号のオンの時間が長くなる程、すなわち、PWM信号のオフの時間が短くなる程、出力の電圧Eの大きさは大きくなるように制御される。また、NチャンネルMOSトランジスタQおよびNチャンネルMOSトランジスタQのオンとオフの比率を交流電源周期よりも短い周期で変化させるようにするパルス幅信号によって、交流の電流IACの波形を交流の電圧VACの波形と相似形とすることができる。 When the load is constant, the output voltage EO is controlled to increase as the PWM signal ON time becomes longer, that is, as the PWM signal OFF time becomes shorter. The Further, the waveform of the alternating current I AC is changed by the pulse width signal that changes the ON / OFF ratio of the N channel MOS transistor Q 1 and the N channel MOS transistor Q 2 in a cycle shorter than the AC power source cycle. It may be similar in shape to the voltage V AC waveform.

NチャンネルMOSトランジスタQとNチャンネルMOSトランジスタQとを制御するパルス幅信号は、制御部で発生される。制御部では、出力の電圧Eと交流の電圧VACと交流の電流IAcと入力して、上述した、実施形態の昇降圧スイッチング電源回路11で用いた技術と同様にして、定数Kの値を実質的に制御して出力の電圧Eを安定化しながら、周知技術であるダイレクトPFC回路の力率改善の制御技術を組み合わせて、制御部からのパルス幅信号によって、NチャンネルMOSトランジスタQとNチャンネルMOSトランジスタQとを制御している。 Pulse width signal for controlling the N-channel MOS transistors Q 1, N-channel MOS transistor Q 2 are generated in the control unit. In the control unit, and input voltage E O of the output AC voltage V AC and the AC current I Ac, in the same manner as described above, was used in the buck-boost switching power supply circuit 11 of the embodiment technique, the constant K The N-channel MOS transistor Q is controlled by a pulse width signal from the control unit in combination with a control technique for improving the power factor of the direct PFC circuit, which is a well-known technique, while stabilizing the output voltage EO by substantially controlling the value. and by controlling the 1 and the N-channel MOS transistor Q 2.

つまり、制御部は、出力の電圧Eを入力して出力の電圧Eを一定の電圧となるように安定化しながら、交流の電圧VACと交流の電流IAcとを入力して力率を改善するような、パルス幅信号をNチャンネルMOSトランジスタQとNチャンネルMOSトランジスタQとに供給している。 That is, the control unit, while stabilizing such that the voltage E O a constant voltage to the input output voltage E O of the output, type and voltage V AC of the AC and the AC current I Ac power factor the like to improve, and supplies the pulse width signal to the N-channel MOS transistors Q 1, N-channel MOS transistor Q 2.

より詳細に説明すると、図6に示す回路は、図1に示す回路における、NチャンネルMOSトランジスタQとダイオードDとダイオードDとからなる回路部(第1の昇降圧スイッチング部)と、これと同一接続の、NチャンネルMOSトランジスタQとダイオードDとダイオードDとからなる回路部(第2の昇降圧スイッチング部)と、を有している。そして、第1の昇降圧スイッチング部の出力側のダイオードDと第2の昇降圧スイッチング部の出力側のダイオードDとが相互に接続されている。また、第1の昇降圧スイッチング部の入力側はダイオードDA1と接続され、第2の昇降圧スイッチング部の入力側は整流ダイオードDA2と接続されている。 More particularly, the circuit shown in FIG. 6, in the circuit shown in FIG. 1, the circuit portion consisting of N-channel MOS transistor Q 1, a diode D 1 and a diode D 3 Metropolitan (first buck-boost switching unit), A circuit part (second step-up / step-down switching part) composed of an N-channel MOS transistor Q 2 , a diode D 4, and a diode D 5 and having the same connection is provided. Then, the output side of the diode D 3 of the first buck-boost switching unit and the output side of the diode D 5 of the second buck-boost switching unit are connected to each other. The input side of the first step-up / step-down switching unit is connected to the diode D A1, and the input side of the second step-up / step-down switching unit is connected to the rectifier diode D A2 .

このような構成を採用することによって、交流電力の半サイクルでは、第1の昇降圧スイッチング部が動作し、交流電力の他の半サイクルでは、第2の昇降圧スイッチング部が動作する。つまり、整流ダイオードDA2のアノード側が正である場合には、第1の昇降圧スイッチング部が動作する。ここで、NチャンネルMOSトランジスタQとダイオードDとダイオードDとダイオードDとインダクタLとコンデンサCとで昇降圧スイッチング電源回路(第1の昇降圧スイッチング電源回路)を形成する。 By adopting such a configuration, the first step-up / step-down switching unit operates in the half cycle of AC power, and the second step-up / step-down switching unit operates in the other half cycle of AC power. That is, when the anode side of the rectifier diode DA2 is positive, the first step-up / step-down switching unit operates. Here, to form a buck-boost switching power supply circuit (first buck switching power supply circuit) between the N-channel MOS transistor Q 1, a diode D 1 and the diode D 3 and a diode D 2 and the inductor L 2 and capacitor C 2.

また、ダイオードDA1のアノード側が正である場合には、第2の昇降圧スイッチング部が動作する。そして、NチャンネルMOSトランジスタQとダイオードDとダイオードDとダイオードDとインダクタLとコンデンサCとで昇降圧スイッチング電源回路(第2の昇降圧スイッチング電源回路)を形成する。 In addition, when the anode side of the diode DA1 is positive, the second step-up / step-down switching unit operates. Then, a buck-boost switching power supply circuit (second buck switching power supply circuit) between the N-channel MOS transistor Q 2 and the diode D 4 and a diode D 5 and the diode D 2 and the inductor L 2 and capacitor C 2.

このように、図6に示す回路は、第1の昇降圧スイッチング電源回路と第2の昇降圧スイッチング電源回路とを半サイクルずつ交互に動作させるようにして、力率改善と電圧の昇圧および降圧とをともにおこなうスイッチング電源回路と考えることができる。ここで、上述した定数Kを交流電源ACの周期と比較してゆっくりとした周期で変化させ、力率改善特性を良好なものとするために、コンデンサCの容量値を適切なものとしている。 As described above, the circuit shown in FIG. 6 operates the first step-up / step-down switching power supply circuit and the second step-up / step-down switching power supply circuit alternately every half cycle, thereby improving the power factor and increasing / decreasing the voltage. Can be considered as a switching power supply circuit. Here, varied in a cycle slow compared to the AC power source AC cycle a constant K as described above, to the power factor correction characteristics and favorable, and the capacitance value of the capacitor C 2 and the appropriate .

実施形態の昇降圧スイッチング電源回路12は、交流電源ACにNチャンネルMOSトランジスタQが接続され、交流電源ACとNチャンネルMOSトランジスタQとの接続点に、NチャンネルMOSトランジスタQがオフのときにコンデンサCと整流ダイオードDA1とを介してインダクタLに電流を流すようにダイオードDが接続されている。また、ダイオードDの他端とコンデンサCとの接続点に、NチャンネルMOSトランジスタQがオフのときにインダクタLに電流を流すようにダイオードDとインダクタLとが接続されている。また、インダクタLの他端にはコンデンサCが接続されている。また、コンデンサCの他端とダイオードDの他端との接続点と、交流電源ACとNチャンネルMOSトランジスタQとの接続点との間に、NチャンネルMOSトランジスタQがオンのときに電流を流すようにダイオードDが接続されている。 Buck-boost switching power supply circuit 12 of the embodiment, the AC power source AC N-channel MOS transistor Q 1 is connected to, the connection point of the alternating current power source AC and N-channel MOS transistors Q 1, N-channel MOS transistor Q 1 is off diode D 1 is connected to flow a current to the inductor L 1 through the capacitor C 1 and the rectifier diode D A1 when. Further, the connection point between the other end and the capacitor C 1 of the diode D 1, N-channel MOS transistor Q 1 is connected and a diode D 2 and the inductor L 2 so as to flow a current to the inductor L 2 in the off Yes. The capacitor C 2 is connected to the other end of the inductor L 2. Further, a connection point between the other ends of the diode D 2 of the capacitor C 2, between the connection point of the alternating current power source AC and N-channel MOS transistors Q 1, when N-channel MOS transistor Q 1 is ON diode D 3 is connected to flow a current to.

また、整流ダイオードDA1とインダクタLとの接続点にNチャンネルMOSトランジスタQが接続され、整流ダイオードDA1とインダクタLとNチャンネルMOSトランジスタQとの接続点に、NチャンネルMOSトランジスタQがオフのときにインダクタLに電流を流すようにダイオードDがダイオードDとインダクタLとの接続点に接続されている。また、コンデンサCの他端とダイオードDの他端との接続点と、整流ダイオードDA1とインダクタLとNチャンネルMOSトランジスタQとの接続点との間に、NチャンネルMOSトランジスタQがオンのときに電流を流すようにダイオードDが接続されている。また、NチャンネルMOSトランジスタQの他端とNチャンネルMOSトランジスタQの他端とは、整流ダイオードDA1の他端および整流ダイオードDA1の他端と同極性の整流ダイオードDA2の他端とに接続されている。そして、NチャンネルMOSトランジスタQおよびNチャンネルMOSトランジスタQのオンとオフとの比率を変化させて、コンデンサCの両端に発生する電圧を変化させるとともに、力率を1に近づける昇降圧スイッチング電源回路である。 Further, the N-channel MOS transistor Q 2 is connected to the connection point of the rectifier diode D A1 and the inductor L 1, the connection point of the rectifier diode D A1 and the inductor L 1 and the N-channel MOS transistors Q 2, N-channel MOS transistor Q 2 is connected to the connection point of the diode D 4 to flow a current to the inductor L 2 is a diode D 2 and the inductor L 2 in the off. An N channel MOS transistor Q is connected between a connection point between the other end of the capacitor C 2 and the other end of the diode D 2 and a connection point between the rectifier diode D A1 , the inductor L 1 and the N channel MOS transistor Q 2. 2 is a diode D 5 to pass an electric current when on is connected. Further, the other end of the N-channel MOS transistor to Q 1 and the other end and N-channel MOS transistor Q 2, the other end of the rectifier diode D A2 of the other end of the same polarity as the other end and the rectifier diode D A1 of the rectifier diode D A1 And connected to. Then, by changing the ratio of on and off N-channel MOS transistors Q 1 and N-channel MOS transistors Q 2, together with changing the voltage generated across the capacitor C 2, buck-boost switching to approximate the power factor to 1 It is a power supply circuit.

実施形態の昇降圧スイッチング電源回路12では、ダイレクトPFC回路を用いているので、力率が良好なるAC−DCコンバータを提供できる。さらに、NチャンネルMOSトランジスタに替えてダイオード(ダイオードDおよびダイオードD)を用いるようにしているので、回路の簡略化ができる。また、定数Kをフィードバック制御によって実質的に変化させることによって、定電圧特性を得ることができる。さらに、昇降圧スイッチング電源回路12は、昇降圧スイッチング電源回路1と等価な昇降圧スイッチング電源回路を2系統設けることによって、交流の電圧VACのピーク値とは関係なく、任意の定電圧の出力の電圧を得ることができる。 Since the step-up / step-down switching power supply circuit 12 of the embodiment uses a direct PFC circuit, an AC-DC converter having a good power factor can be provided. Further, since in place of the N-channel MOS transistor is to use a diode (diode D 3 and diode D 5), can simplify the circuit. Also, constant voltage characteristics can be obtained by substantially changing the constant K by feedback control. Further, the step-up / step-down switching power supply circuit 12 is provided with two systems of step-up / step-down switching power supply circuits equivalent to the step-up / step-down switching power supply circuit 1, thereby outputting an arbitrary constant voltage regardless of the peak value of the AC voltage VAC. Can be obtained.

1、11、12 昇降圧スイッチング電源回路、 C、C コンデンサ、 D、D、D、D、D ダイオード、 DA1、DA2 整流ダイオード、 L、L インダクタ、 Q、Q MOSトランジスタ 1, 11, 12 buck-boost switching power supply circuit, C 1, C 2 capacitors, D 1, D 2, D 3, D 4, D 5 diodes, D A1, D A2 rectifier diode, L 1, L 2 inductor, Q 1 , Q 2 MOS transistor

Claims (3)

入力電源に第1のインダクタとスイッチ素子とが直列に接続され、
前記第1のインダクタと前記スイッチ素子との接続点に、前記スイッチ素子がオフのときに前記第1のインダクタからの電流を流すように第1のダイオードが接続され、
前記第1のダイオードの他端は第1のコンデンサに接続され、
前記第1のコンデンサの他端および前記スイッチ素子の他端は前記入力電源の他端に接続され、
前記第1のダイオードの他端と前記第1のコンデンサとの接続点に、前記スイッチ素子がオフのときに第2のインダクタに電流を流すように第2のダイオードと前記第2のインダクタとが接続され、
前記第2のインダクタの他端には第2のコンデンサが接続され、
前記第2のコンデンサの他端と前記第2のダイオードの他端との接続点と、前記第1のインダクタと前記スイッチ素子との接続点との間に、前記スイッチ素子がオンのときに電流を流すように第3のダイオードが接続され、
前記スイッチ素子のオンとオフとの比率を変化させて、前記第2のコンデンサの両端に発生する出力の電圧を変化させる、昇降圧スイッチング電源回路。
A first inductor and a switch element are connected in series to the input power source,
A first diode is connected to a connection point between the first inductor and the switch element so that a current from the first inductor flows when the switch element is off,
The other end of the first diode is connected to a first capacitor;
The other end of the first capacitor and the other end of the switch element are connected to the other end of the input power source,
The connection point between the other end and said first capacitor of said first diode, said switching element and the second inductor and the second diode to flow a current to the second inductor in the off Connected,
A second capacitor is connected to the other end of the second inductor,
A current is applied between the connection point between the other end of the second capacitor and the other end of the second diode and the connection point between the first inductor and the switch element when the switch element is on. A third diode is connected so that
A step-up / step-down switching power supply circuit that changes a voltage of an output generated at both ends of the second capacitor by changing a ratio between ON and OFF of the switch element.
制御部を備え、
前記制御部は、前記出力の電圧と基準電圧との差が出力される差動増幅器と、
前記差動増幅器からの出力が入力されるパルス幅変調器と、を有し、
前記パルス幅変調器からのパルス幅信号によって、前記スイッチ素子を制御して前記出力の電圧を所定電圧に制御する、請求項1に記載の昇降圧スイッチング電源回路。
With a control unit,
Wherein the control unit includes a differential amplifier a difference between the voltage and the reference voltage of the output is outputted,
A pulse width modulator to which an output from the differential amplifier is input,
Wherein the pulse width signal from the pulse width modulator controls the switching element for controlling the voltage of the output to a predetermined voltage, the buck-boost switching power supply circuit according to claim 1.
交流電源に第1のスイッチ素子が接続され、
前記交流電源の他端に第1のインダクタが接続され、
前記交流電源と前記第1のスイッチ素子との接続点に、前記第1のスイッチ素子がオフのときに第1のコンデンサと前記第1のインダクタの他端に接続される第1の整流ダイオードとを介して前記第1のインダクタからの電流を流すように第1のダイオードが接続され、
前記第1のダイオードの他端は前記第1のコンデンサに接続され、
前記第1のコンデンサの他端および前記第1のスイッチ素子の他端は前記第1の整流ダイオードの他端に接続され、
前記第1のダイオードの他端と前記第1のコンデンサとの接続点に、前記第1のスイッチ素子がオフのときに第2のインダクタに電流を流すように第2のダイオードと前記第2のインダクタとが接続され、
前記第2のインダクタの他端には第2のコンデンサが接続され、
前記第2のコンデンサの他端と前記第2のダイオードの他端との接続点と、前記交流電源と前記第1のスイッチ素子との接続点との間に、前記第1のスイッチ素子がオンのときに電流を流すように第3のダイオードが接続され、
前記第1のインダクタの他端に第2のスイッチ素子が接続され、
前記第1のインダクタの他端と前記第2のスイッチ素子との接続点に、前記第2のスイッチ素子がオフのときに前記第1のコンデンサと前記交流電源に接続される第2の整流ダイオードとを介して前記第1のインダクタからの電流を流すように第4のダイオードが接続され、
前記第4のダイオードの他端は前記第1のコンデンサに接続され、
前記第1のコンデンサの他端および前記第2のスイッチ素子の他端は前記第2の整流ダイオードの他端に接続され、
前記第4のダイオードの他端と前記第1のコンデンサとの接続点に、前記第2のスイッチ素子がオフのときに前記第2のインダクタに電流を流すように前記第2のダイオードと前記第2のインダクタとが接続され
前記第2のコンデンサの他端と前記第2のダイオードの他端との接続点と、前記第1のインダクタの他端と前記第2のスイッチ素子との接続点との間に、前記第2のスイッチ素子がオンのときに電流を流すように第5のダイオードが接続され、
前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子のオンとオフとの比率を変化させて、前記第2のコンデンサの両端に発生する出力の電圧を変化させるとともに、力率を1に近づける昇降圧スイッチング電源回路。
A first switch element is connected to the AC power source;
A first inductor is connected to the other end of the AC power supply;
The connection point between the AC power supply first switching element, a first rectifier diode of the first switching element is connected to the first capacitor first inductor and the other end in the off first diode is connected so as to flow a current from the first inductor through,
The other end of the first diode is connected to the first capacitor;
The other end of the first capacitor and the other end of the first switch element are connected to the other end of the first rectifier diode;
The connection point between the other end and said first capacitor of said first diode, said first switching element is turned off second to flow a current to the second inductor when the diode and the second The inductor is connected,
A second capacitor is connected to the other end of the second inductor,
The first switch element is turned on between a connection point between the other end of the second capacitor and the other end of the second diode and a connection point between the AC power supply and the first switch element. A third diode is connected so that current flows when
A second switch element is connected to the other end of the first inductor;
The connection point between the other end of the first inductor and the second switching element, a second rectifier diode and the second switching element is connected to the AC power supply and the first capacitor in the off And a fourth diode is connected to flow current from the first inductor via
The other end of the fourth diode is connected to the first capacitor;
The other end of the first capacitor and the other end of the second switch element are connected to the other end of the second rectifier diode;
The second diode and the second diode are connected to a connection point between the other end of the fourth diode and the first capacitor so that a current flows through the second inductor when the second switch element is off. 2 inductors are connected ,
Between the connection point between the connection point between the other end of the second capacitor and the other end with said second diode, the first inductor of the other end and the second switching element, the second A fifth diode is connected so that a current flows when the switch element is on,
The ratio of ON / OFF of the first switch element and the second switch element is changed to change the voltage of the output generated at both ends of the second capacitor, and to raise and lower the power factor close to 1. Pressure switching power supply circuit.
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