JP6575075B2 - スイッチング電源 - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチング電源に関する。
スイッチング電源は、スイッチ素子を任意のスイッチング周波数でスイッチングさせることで、直流電圧を、任意の周波数を有する交流電圧に変換する。ここで、スイッチ素子として、互いに接続された2つのスイッチ素子を用い、これらのスイッチ素子を交互にオンオフするスイッチング電源がある(例えば、特許文献1参照。)。このようなスイッチング電源においては、スイッチング損失軽減のため、電圧推移時間として、2つのスイッチ素子が同時にオフとなるデッドタイムが必要となる。
図6は、従来のスイッチング電源における、スイッチ素子が発生する電圧を例示したグラフである。図6には、上記したデッドタイムが示されている。従来のスイッチング電源において、デッドタイムは、一定の値に固定されている。図6は、負荷が例えば160Wの場合を示している。図7は、無負荷の場合に、スイッチ素子が発生する電圧を例示したグラフである。
特開2014−054040号公報
上記したように、従来のスイッチング電源では、デッドタイムは、固定値である。デッドタイム中は、二次巻線側に対して電力が供給されないため、負荷が重いと、図6に示すように、電圧波形にディップ(くぼみ)が生じる。このディップは、電圧降下(電源インピーダンス:高)の原因、及び、ノイズ源となる。また、デッドタイムが固定値であると、スイッチング周波数を高周波化する場合に、デューティー比が制限される。
本発明の目的は、スイッチング電源において、負荷の軽重に応じて、2つのスイッチ素子が同時にオフとなるデッドタイムを変更可能とすることである。
第1の発明のスイッチング電源は、一次巻線と、二次巻線と、を有するトランスと、前記一次巻線に第1電位の電圧を供給する第1スイッチ素子と、前記一次巻線に第1電位よりも低い第2電位の電圧を供給する第2スイッチ素子と、を有するスイッチング回路と、前記スイッチング回路のスイッチングを制御するドライバ回路と、前記スイッチング回路が前記一次巻線に供給する電圧が、前記第1電位に一定の電圧を加えた値である第3電位となった場合に、第1検出信号を出力し、前記第2電位から一定の電圧を引いた値である第4電位となった場合に、第2検出信号を出力する検出回路と、を備え、前記ドライバ回路は、前記検出回路が前記第1検出信号を出力した場合に、前記第1スイッチ素子をオンし、前記検出回路が前記第2検出信号を出力した場合に、前記第2スイッチ素子をオンすることを特徴とする。
第1スイッチ素子がオフ、第2スイッチ素子がオンの状態から、第2スイッチ素子がオフの状態となると、スイッチング回路が一次巻線に供給する電圧は、第2電位から、第1電位に一定の電圧を加えた値である第3電位に変化する。また、第1スイッチ素子がオン、第2スイッチ素子がオフの状態から、第1スイッチ素子がオフの状態となると、スイッチング回路が一次巻線に供給する電圧は、第1電位から、第2電位から一定の電圧を引いた値である第4電位に変化する。ここで、一定の電圧とは、例えば、第1スイッチ素子、及び、第2スイッチ素子に付随する整流素子の順方向電圧である。第2電位から第3電位への変化時間、及び、第1電位から第4電位への変化時間は、負荷が重いほど、短くなる。本発明では、検出回路は、スイッチング回路が一次巻線に供給する電圧が、第3電位となった場合に、第1検出信号を出力し、第4電位となった場合に、第2検出信号を出力する。そして、ドライバ回路は、検出回路が第1検出信号を出力した場合に、第1スイッチ素子をオンし、検出回路が第2検出信号を出力した場合に、第2スイッチ素子をオンする。すなわち、ドライバ回路は、スイッチング回路が一次巻線に供給する電圧が、第3電位となった場合に、第1スイッチ素子をオンし、第4電位となった場合に、第2スイッチ素子をオンする。上記のように、第2電位から第3電位への変化時間、及び、第1電位から第4電位への変化時間は、負荷が重いほど、短くなるため、負荷が重いほど、デッドタイムが短くなる。従って、本発明によれば、負荷の軽重に応じて、デッドタイムを変更することができる。
第2の発明のスイッチング電源は、第1の発明のスイッチング電源において、前記一定の電圧は、前記第1スイッチ素子、及び、前記第2スイッチ素子に付随する整流素子の順方向電圧であることを特徴とする。
第3の発明のスイッチング電源は、第1又は第2の発明のスイッチング電源において、前記検出回路は、ベースに、前記第1電位の電圧が供給され、エミッタが、前記スイッチング回路と前記一次巻線との間に接続され、コレクタが、前記ドライバ回路に接続され、コレクタに、前記第1電位と前記第2電位との間の第5電位の電圧が供給される、pnp型のバイポーラトランジスタと、ベースに、前記第2電位の電圧が供給され、エミッタが、前記スイッチング回路と前記一次巻線との間に接続され、コレクタが、前記ドライバ回路に接続され、コレクタに、前記第5電位の電圧が供給される、npn型のバイポーラトランジスタと、を有することを特徴とする。
本発明では、pnp型のバイポーラトランジスタは、ベースに、第1電位の電圧が供給され、エミッタが、スイッチング回路と一次巻線との間に接続され、コレクタが、ドライバ回路に接続され、コレクタに、第1電位と第2電位との間の第5電位の電圧が供給される。スイッチング回路が一次巻線に供給する電圧が、第3電位となった場合に、バイポーラトランジスタは、ベース電圧がエミッタ電圧に対して低電位となり、ベース電流が流れ始める。すなわち、検出回路は、バイポーラトランジスタのコレクタからの出力電流として検出信号を出力する。
また、本発明では、npn型のバイポーラトランジスタは、ベースに、第2電位の電圧が供給され、エミッタが、スイッチング回路と一次巻線との間に接続され、コレクタが、ドライバ回路に接続され、コレクタに、第5電位の電圧が供給される。従って、スイッチング回路が一次巻線に供給する電圧が、第4電位となった場合に、バイポーラトランジスタは、ベース電圧がエミッタ電圧に対して高電位となり、ベース電流が流れ始める。すなわち、検出回路は、バイポーラトランジスタのコレクタからの出力電流として検出信号を出力する。
このように、本発明によれば、検出回路を、バイポーラトランジスタを用いた簡易な回路構成とすることができる。
第4の発明のスイッチング電源は、第1〜第3の発明のいずれかのスイッチング電源において、前記第1スイッチ素子、及び、前記第2スイッチ素子は、n型のMOSトランジスタであり、前記第1スイッチ素子は、ゲートが、前記ドライバ回路に接続され、ドレインに、前記第1電位の電圧が供給され、ソースが、前記一次巻線と前記第2スイッチ素子のドレインとに接続され、前記第2スイッチ素子は、ゲートが、前記ドライバ回路に接続され、ドレインが、前記一次巻線と前記第1スイッチ素子のソースとに接続され、ソースに前記第2電位の電圧が供給されることを特徴とする。
本発明では、スイッチ素子として、MOSトランジスタを用いることで、高いスイッチング周波数を実現することができる。
本発明によれば、負荷の軽重に応じて、デッドタイムを変更することができる。
本発明の実施形態に係るスイッチング電源の基本構成を示すブロック図である。 スイッチング回路等の具体的な回路構成を示す図である。 検出回路の出力を例示したグラフである。 検出回路の出力を例示したグラフである。 (a)は、本実施形態のスイッチング電源のスイッチング回路が一次巻線に供給する電圧を例示したグラフである。(b)は、従来のスイッチング電源のスイッチング回路が一次巻線に供給する電圧を例示したグラフである。 従来のスイッチング電源における、スイッチ素子が発生する電圧を例示したグラフである。 従来のスイッチング電源における、スイッチ素子が発生する電圧を例示したグラフである。
以下、本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の実施形態に係るスイッチング電源の基本構成を示すブロック図である。スイッチング電源1は、整流回路2、ドライバ回路3、スイッチング回路4、トランス5、整流回路6、検出回路7を備える。
整流回路2は、交流電源8から入力される交流電圧を整流及び平滑して、スイッチング回路4のMOSトランジスタM1、M2に供給する。ドライバ回路3は、スイッチング回路4のスイッチングを制御する。スイッチング回路4は、ドライバ回路3により制御され、任意のスイッチング周波数でスイッチングすることにより、任意の周波数の交流電圧をトランス5の一次巻線に供給する。トランス5は、一次巻線に供給された電圧を変圧して二次巻線から出力する。整流回路6は、負荷9に接続され、トランス5の二次巻線からの交流電圧を整流及び平滑し、電源電圧として、後段の負荷9に供給する。検出回路7については後述する。
図2は、スイッチング回路4等の具体的な回路構成を示す図である。スイッチング回路4は、MOSトランジスタM1と、MOSトランジスタM2と、を有する。MOSトランジスタM1(第1スイッチ素子)は、n型、すなわち、ゲートの電圧がハイレベルの電位でオンの状態となるMOSトランジスタである。MOSトランジスタM1は、ゲートが、ドライバ回路3に接続されている。また、MOSトランジスタM1は、ドレインが、コンデンサC1の一端(整流回路2の一方の出力)に接続され、例えば、140V(第1電位)の電源電圧が供給される。また、MOSトランジスタM1は、ソースが、トランス5の一次巻線51と、MOSトランジスタM2のドレインと、に接続されている。MOSトランジスタM1とドライバ回路3との間には、抵抗R1、R2が接続されている。
MOSトランジスタM2は、n型、すなわち、ゲートの電圧がハイレベルの電位でオンの状態となるMOSトランジスタである。MOSトランジスタM2は、ゲートが、ドライバ回路3に接続されている。また、MOSトランジスタM2は、ソースが、コンデンサC2の他端(整流回路2の他方の出力)に接続され、例えば、接地電位(第2電位)の電圧が供給される。また、MOSトランジスタM2は、ドレインが、MOSトランジスタM1のソースと、トランス5の一次巻線51と、に接続されている。MOSトランジスタM2とドライバ回路3との間には、抵抗R3、R4が接続されている。
コンデンサC1、C2は、整流回路2の一部を構成する、平滑用のコンデンサである。コンデンサC1は、一端が、MOSトランジスタM1のドレインに接続され、他端が、コンデンサC2の一端に接続されている。コンデンサC2は、一端が、コンデンサC1の他端に接続され、他端が、MOSトランジスタM2のソースに接続されている。
ドライバ回路3は、デッドタイムを除いて、スイッチング回路4のMOSトランジスタM1、M2を交互にオンオフし、スイッチング回路4は、トランス5の一次巻線51に、交流電圧を供給する。ドライバ回路3は、MOSトランジスタM1、M2をオンする場合、MOSトランジスタM1、M2のゲートに電位がハイレベルの電圧を供給する。スイッチング回路4は、MOSトランジスタM1がオン、MOSトランジスタM2がオフの場合、電源電圧(例えば、140Vの電圧)を一次巻線51に供給する。また、スイッチング回路4は、MOSトランジスタM1がオフ、MOSトランジスタM2がオンの場合、接地電位を一次巻線51に供給する。
トランス5は、一次巻線51と、二次巻線52と、を有する。一次巻線51は、一端が、MOSトランジスタM1のソースと、MOSトランジスタM2のドレインと、に接続されている。また、一次巻線51は、他端が、コンデンサC1、C2の接続接点に接続されている。二次巻線52は、整流回路6に接続されている。トランス5は、上記のように、一次巻線51に供給された電圧を変圧して二次巻線52から出力する。なお、図2のL1は、一次巻線51のリーケージインダクタンス(漏れインダクタンス)を示している。
検出回路7は、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧が、電源電圧の電位(第1電位)にMOSトランジスタM1のボディダイオード順方向電圧を加えた電位(第3電位)となった場合に、第1検出信号を出力する。また、検出回路7は、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧が、接地電位(第2電位)からMOSトランジスタM2のボディダイオード順方向電圧を引いた電位(第4電位)となった場合に、第2検出信号を出力する。具体的には、検出回路7は、バイポーラトランジスタQ1、Q2を有する。
バイポーラトランジスタQ1は、pnp型、すなわち、ベース電圧がエミッタ電圧に対して低電位でオンの状態となるバイポーラトランジスタである。バイポーラトランジスタQ1は、ベースが、コンデンサC1の一端に接続され、電源電圧が供給される。また、バイポーラトランジスタQ1は、エミッタが、スイッチング回路4と一次巻線51との間に接続されている。また、バイポーラトランジスタQ1は、コレクタが、抵抗R5を介して、コンデンサC1、C2の接続接点に接続され、コレクタに、電源電圧の電位と接地電位との間の電位(第5電位)、例えば、70Vの電圧が供給される。また、バイポーラトランジスタQ1は、コレクタが、ドライバ回路3に接続されている。
バイポーラトランジスタQ2は、npn型、すなわち、ベース電圧がエミッタ電圧に対して高電位でオンの状態となるバイポーラトランジスタである。バイポーラトランジスタQ2は、ベースが、コンデンサC2の他端に接続され、接地電位が供給される。また、バイポーラトランジスタQ2は、エミッタが、スイッチング回路4と一次巻線51との間に接続されている。また、バイポーラトランジスタQ2は、コレクタが、抵抗R6を介して、コンデンサC1、C2の接続接点に接続され、コレクタに、電源電圧の電位と接地電位との間の電位(第5電位)、例えば、70Vの電圧が供給される。また、バイポーラトランジスタQ2は、コレクタが、ドライバ回路3に接続されている。
スイッチング回路4において、MOSトランジスタM1がオフ、MOSトランジスタM2がオンの状態から、MOSトランジスタM2がオフの状態となると、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧は、MOSトランジスタM1のボディダイオードが導通することにより、電源電圧の電位にMOSトランジスタM1のボディダイオード順方向電圧を加えた電位となる。このとき、バイポーラトランジスタQ1は、ベース電圧がエミッタ電圧に対して低電位となり、ベース電流が流れ始める。すなわち、検出回路7は、バイポーラトランジスタQ1のコレクタからの出力電流として検出信号を出力する。
また、MOSトランジスタM1がオン、MOSトランジスタM2がオフの状態から、MOSトランジスタM1がオフの状態となると、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧は、MOSトランジスタM2のボディダイオードが導通することにより、接地電位からMOSトランジスタM2のボディダイオード順方向電圧を引いた電位となる。このとき、バイポーラトランジスタQ2は、ベース電圧がエミッタ電圧に対して高電位となり、ベース電流が流れ始める。すなわち、検出回路7は、バイポーラトランジスタQ2のコレクタ電流からの出力信号として検出信号を出力する。
図3及び図4は、検出回路7の出力を例示したグラフである。横軸は、時間、縦軸は、電圧を示している。図3に示すように、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧が、電源電圧の電位(140V)にMOSトランジスタM1のボディダイオード順方向電圧を加えた電位となったときに、第1検出信号(電位がハイレベルの電圧)が出力されている。また、図4に示すように、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧が、接地電位(0V)からMOSトランジスタM2のボディダイオード順方向電圧を引いた電位となった場合に、第2検出信号(電位がローレベルの電圧)が出力されている。
ドライバ回路3は、検出回路7が第1検出信号を出力した場合に、MOSトランジスタM1をオンする。また、ドライバ回路3は、検出回路7が第2検出信号を出力した場合に、MOSトランジスタM2をオンする。図5(a)は、本実施形態のスイッチング電源1のスイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧を例示したグラフである。図5(b)は、従来のスイッチング電源のスイッチング回路が一次巻線に供給する電圧を例示したグラフである。本実施形態では、検出回路7が第1検出信号を出力した場合に、ドライバ回路3が、MOSトランジスタM1をオンし、検出回路7が第2検出信号を出力した場合に、MOSトランジスタM2をオンするため、図示するように、従来に比べて、デッドタイムが短くなっている。また、ディップも解消されている。
この結果、スイッチング電源1において、電圧降下を抑制することができる(電源レギュレーションの向上)。また、ノイズの発生源となる波形(ディップ)の発生が防止される(ノイズの低減)。また、スイッチング損失が低減される(MOSトランジスタM1、M2にかかる電圧が低い状態でのスイッチング)。また、デッドタイムを短くすることにより、スイッチング周波数を高くすることができるため、さらに、スイッチング損失が低減される。
以上説明したように、MOSトランジスタM1がオフ、MOSトランジスタM2がオンの状態から、MOSトランジスタM2がオフの状態となると、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧は、接地電位から、電源電圧の電位にMOSトランジスタM1のボディダイオード順方向電圧を加えた電位に変化する。また、MOSトランジスタM1がオン、MOSトランジスタM2がオフの状態から、MOSトランジスタM1がオフの状態になると、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧は、電源電圧の電位から、接地電位からMOSトランジスタM2のボディダイオード順方向電圧を引いた電位に変化する。接地電位から、電源電圧にMOSトランジスタM1のボディダイオード順方向電圧を加えた電位の電位への変化時間、及び、電源電圧の電位から、接地電位からMOSトランジスタM2のボディダイオード順方向電圧を引いた電位への変化時間は、負荷9が重いほど、短くなる。本実施形態では、検出回路7は、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧が、電源電圧の電位にMOSトランジスタM1のボディダイオード順方向電圧を加えた電位となった場合に、第1検出信号を出力し、接地電位からMOSトランジスタM2のボディダイオード順方向電圧を引いた電位となった場合に、第2検出信号を出力する。そして、ドライバ回路3は、検出回路7が第1検出信号を出力した場合に、MOSトランジスタM1をオンし、検出回路7が第2検出信号を出力した場合に、MOSトランジスタM2をオンする。すなわち、ドライバ回路3は、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧が、電源電圧の電位にMOSトランジスタM1のボディダイオード順方向電圧を加えた電位となった場合に、MOSトランジスタM1をオンし、接地電位からMOSトランジスタM2のボディダイオード順方向電圧を引いた電位となった場合に、MOSトランジスタM2をオンする。上記のように、接地電位から、電源電圧の電位にMOSトランジスタM1のボディダイオード順方向電圧を加えた電位への変化時間、及び、電源電圧の電位から、接地電位からMOSトランジスタM2のボディダイオード順方向電圧を引いた電位への変化時間は、負荷9が重いほど、短くなるため、負荷9が重いほど、デッドタイムが短くなる。従って、本実施形態によれば、負荷9の軽重に応じて、デッドタイムを変更することができる。
また、本実施形態では、pnp型のバイポーラトランジスタQ1は、ベースに、電源電圧が供給され、エミッタが、スイッチング回路4と一次巻線51との間に接続され、コレクタが、ドライバ回路3に接続され、コレクタに、電源電圧の電位(例えば、140V)と接地電位との間の電位(例えば、70V)の電圧が供給される。従って、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧が、電源電圧の電位にMOSトランジスタM1のボディダイオード順方向電圧を加えた電位となった場合に、バイポーラトランジスタQ1は、ベース電圧がエミッタ電圧に対して低電位となり、ベース電流が流れ始める。すなわち、検出回路7は、バイポーラトランジスタQ1のコレクタからの出力電流として検出信号を出力する。
また、本実施形態では、npn型のバイポーラトランジスタQ2は、ベースに、接地電位の電圧が供給され、エミッタが、スイッチング回路4と一次巻線51との間に接続され、コレクタが、ドライバ回路3に接続され、コレクタに、電源電圧の電位と接地電位との間の電位が供給される。従って、スイッチング回路4が一次巻線51に供給する電圧が、接地電位からMOSトランジスタM2のボディダイオード順方向電圧を引いた電位となった場合に、バイポーラトランジスタQ2は、ベース電圧がエミッタ電圧に対して高電位となり、ベース電流が流れ始める。すなわち、検出回路7は、バイポーラトランジスタQ2のコレクタからの出力電流として検出信号を出力する。
このように、本実施形態によれば、検出回路7を、バイポーラトランジスタQ1、Q2を用いた簡易な回路構成とすることができる。
また、本実施形態では、スイッチング回路4に、MOSトランジスタM1、M2を用いることで、高いスイッチング周波数を実現することができる、
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明を適用可能な形態は、上述の実施形態には限られるものではなく、以下に例示するように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることが可能である。
上述の実施形態においては、検出回路7にpnp型のバイポーラトランジスタQ1、npn型のバイポーラトランジスタQ2を用いているが、これに限らず、他のスイッチ素子を用いてもよい。
本発明は、スイッチング電源に好適に採用され得る。
1 スイッチング電源
2 整流回路
3 ドライバ回路
4 スイッチング回路
5 トランス
51 一次巻線
52 二次巻線
6 整流回路
7 検出回路
8 交流電源
9 負荷
M1 MOSトランジスタ(第1スイッチ素子)
M2 MOSトランジスタ(第2スイッチ素子)
Q1、Q2 バイポーラトランジスタ

Claims (3)

  1. 一次巻線と、二次巻線と、を有するトランスと、
    前記一次巻線に第1電位の電圧を供給する第1スイッチ素子と、前記一次巻線に第1電位よりも低い第2電位の電圧を供給する第2スイッチ素子と、を有するスイッチング回路と、
    前記スイッチング回路のスイッチングを制御するドライバ回路と、
    前記スイッチング回路が前記一次巻線に供給する電圧が、前記第1電位に対し一定の電圧を加えた値である第3電位となった場合に、第1検出信号を出力し、前記第2電位に対し一定の電圧を引いた値である第4電位となった場合に、第2検出信号を出力する検出回路と、を備え、
    前記ドライバ回路は、
    前記検出回路が前記第1検出信号を出力した場合に、前記第1スイッチ素子をオンし、
    前記検出回路が前記第2検出信号を出力した場合に、前記第2スイッチ素子をオンし、
    前記検出回路は、
    ベースに、前記第1電位の電圧が供給され、エミッタが、前記スイッチング回路と前記一次巻線との間に接続され、コレクタが、前記ドライバ回路に接続され、コレクタに、前記第1電位と前記第2電位との間の第5電位の電圧が供給される、pnp型のバイポーラトランジスタと、
    ベースに、前記第2電位の電圧が供給され、エミッタが、前記スイッチング回路と前記一次巻線との間に接続され、コレクタが、前記ドライバ回路に接続され、コレクタに、前記第5電位の電圧が供給される、npn型のバイポーラトランジスタと、
    を有することを特徴とするスイッチング電源。
  2. 前記一定の電圧は、前記第1スイッチ素子、及び、前記第2スイッチ素子に付随する整
    流素子の順方向電圧であることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源。
  3. 前記第1スイッチ素子、及び、前記第2スイッチ素子は、n型のMOSトランジスタであり、
    前記第1スイッチ素子は、ゲートが、前記ドライバ回路に接続され、ドレインに、前記第1電位の電圧が供給され、ソースが、前記一次巻線と前記第2スイッチ素子のドレインとに接続され、
    前記第2スイッチ素子は、ゲートが、前記ドライバ回路に接続され、ドレインが、前記一次巻線と前記第1スイッチ素子のソースとに接続され、ソースに前記第2電位の電圧が供給されることを特徴とする請求項1又は2に記載のスイッチング電源。
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