JPH019271Y2 - - Google Patents

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JPH019271Y2
JPH019271Y2 JP12668083U JP12668083U JPH019271Y2 JP H019271 Y2 JPH019271 Y2 JP H019271Y2 JP 12668083 U JP12668083 U JP 12668083U JP 12668083 U JP12668083 U JP 12668083U JP H019271 Y2 JPH019271 Y2 JP H019271Y2
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voltage
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differential amplifier
transistor
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Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の技術分野〕 この考案は、スイツチング方式による定電圧電
源回路として好適するパルス幅制御形DC/DCコ
ンバータに係り、特に起動を確実にするための改
良に関する。
〔考案の技術的背景とその問題点〕
近時、スイツチング方式による定電圧電源回路
にあつては、一般にパルス幅制御形DC/DCコン
バータが用いられている。このパルス幅制御形
DC/DCコンバータは、出力電圧を一定にするた
めの制御素子をスイツチとして動作させ、そのオ
ン・オフ制御のデユーテイをパルス幅変調(以下
PWMと記す)することによつて変化させて、出
力電圧を一定に制御するようにしたものである。
第1図は上記パルス幅制御形DC/DCコンバー
タを示すものである。すなわち、11は非安定直
流電圧が供給される非安定入力端子、12は安定
化された直流電圧を出力する安定出力端子であ
る。13は上記非安定直流電圧から基準電圧を生
成するツエナーダイオード、14は上記基準電圧
に対する安定化直流電圧の誤差電圧を検出する差
動増幅器、15は鋸歯状波電圧信号及びこの鋸歯
状波電圧信号の周期と同一周期のクロツクパルス
信号を発振出力する発振器、16は上記鋸歯状波
電圧信号と誤差電圧とをレベル比較してPWM信
号を生成するレベル比較器である。17はT形フ
リツプフロツプ、18,19はノアゲート回路、
20,21はバツフア用トランジスタで、これら
は上記クロツクパルス信号及びPWM信号からパ
ルス制御信号を生成するものである。以上13〜
21の回路部分は集積回路化が可能で、一般に1
チツプで納められている。
さらに、22はドライブトランジスタ、23は
ドライブトランスで、ドライブトランジスタ22
はドライブトランス23の1次巻線を駆動するも
のである。24はスイツチングトランジスタで、
上記ドライブトランス23の2次巻線に発生する
電圧によつてスイツチングするものである。25
はチヨークコイル、26はフライホイールダイオ
ード、27は出力コンデンサで、上記スイツチン
グトランジスタ24がスイツチングされることに
よりチヨークコイル25の出力端に発生するパル
ス電圧をフライホイールダイオード26及び出力
コンデンサ27によつて平滑し、出力コンデンサ
27の両端に安定化出力電圧を得るようになされ
ている。尚、28はこのDC/DCコンバータの負
荷を示し、29は上記安定化出力電圧のレベル調
整を行なうための可変抵抗器である。
ここで、上記発振器15は第2図に示すように
構成されている。すなわち、151は電源入力
端、152は鋸歯状波電圧信号出力端、153は
クロツクパルス出力端である。この発振器15の
発振周波数は抵抗RT及びコンデンサCTによるタ
イミング時定数で決まるものである。つまり、抵
抗RTはカレントミラー回路154を介してコン
デンサCTに定電流を供給してこのコンデンサCT
を充電し、トランジスタQ1のベース電位を直線
的に上昇させる。すると、このトランジスタQ1
はそのベース電位がトランジスタQ2のベース電
位より高くなると導通し、カレントミラー回路1
55を介してトランジスタQ3,Q4にそれぞれ駆
動電流を供給するようになる。このため、トラン
ジスタQ3はオン状態となつてトランジスタQ2
ベース電位を下げるようになり、またトランジス
タQ4もオン状態となつて出力端153にHレベ
ル(Highレベル)の信号を出力するようになる。
この出力端153にHレベルの信号が供給される
とトランジスタQ5,Q6がオン状態となるので、
コンデンサCTは放電してトランジスタQ1のベー
ス電位を下げる。このトランジスタQ1はそのベ
ース電位がトランジスタQ2のベース電位よりも
低くなるとオフ状態となり、上記トランジスタ
Q4の出力をLレベル(Lowレベル)に設定する。
すなわち、この発振器15は以上のような動作を
繰返して発振を継続し、第3図a,bに示すよう
な鋸歯状波電圧信号a及びクロツクパルス信号b
を出力端152,153からそれぞれ出力するよ
うになされている。
上記のように構成されたDC/DCコンバータに
おいて、以下起電時における動作について説明す
る。
すなわち、上記非安定入力端子11に非安定直
流電圧が供給された直後、つまり安定化出力端子
12にまだ電圧が発生していない状態を考える
と、差動増幅器14の比較電圧出力端(−)の電
位は基準電圧入力端(+)の電位よりも低く、差
動増幅器14の出力電圧V14のレベルは最大とな
つている。この電圧レベルV14は第3図aに示す
ように上記発振器15から出力される鋸歯状波電
圧信号aより高く、これによつてレベル比較器1
6の出力は常にLレベルに保つことになるので、
ノアゲート回路18,19の論理はそれぞれT形
フリツプフロツプ17のQ,端子出力c,d
と、発振器15から出力されるクロツクパルスb
とで決定される。この場合、上記T形フリツプフ
ロツプ17のQ,端子の各出力c,dは第3図
c,dに示すようになつているので、上記ノアゲ
ート回路18,19の各出力e,fは第3図e,
fに示すようになる。このとき、バツフア用トラ
ンジスタ20,21の共通コレクタ電圧(パルス
制御信号)gは第3図gに示すように変化するの
で、ドライブトランジスタ22は上記共通コレク
タ電圧gがHレベルでオン状態となつて導通す
る。このため、上記ドライブトランジスタ22
は、コレクタ電圧hが第3図hに示すように変化
してドライブトランス23の一次巻線を駆動する
ようになる。これに伴なつて上記ドライブトラン
ス23の二次巻線端子間には第3図iに示すよう
な端子間電圧iが発生する。そして、スイツチン
グトランジスタ24のベース電流jは第3図jに
示すようになり、結局スイツチングトランジスタ
24は上記端子間電圧iが正の期間のみオン状態
となつて導通するようになる。したがつて、チヨ
ークコイル25の出力端に上記スイツチングトラ
ンジスタ24のスイツチングに対応してパルス電
圧が生成されるようになり、フライホイールダイ
オード26及び出力コンデンサ27によつて上記
パルス電圧を平滑にして安定化直流電圧が生成さ
れるようになる。
ところで、起動時において注意を要する点は、
スイツチングトランジスタ24のオーバードライ
ブ条件である。つまり、第3図gに示すようにド
ライブトランジスタ22のオン期間は、とりもな
おさず発振器15から出力されるクロツクパルス
bがHレベルとなつた期間であり、これは起動時
には一般に非常に狭いため、結局スイツチングト
ランジスタ24を駆動するデユーテイレシオ(オ
ン期間/周期×100〔%〕)が非常に大きくなり、
以下の理由でスイツチング動作が不能となる場合
がある。
第1には、第3図iで示されるようにドライブ
トランス232次側の端子間電圧iの極性がデユ
ーテイレシオに応じて振り分けられることで、ス
イツチングトランジスタ24のベース電流jを供
給するための正の電圧が、スイツチングトランジ
スタ24のベース・エミツタ間電圧降下VBF以上
必要であるのに対し、デユーテイレシオが極端に
大きくなるとこのレベルを割つてしまうことであ
る。
さらには、ドライブトランス23の1次側およ
び2次側の直流抵抗成分により、端子間電圧iの
正の電圧とスイツチングトランジスタ24のベー
ス電流jはオン期間の前半から後半にかけて指数
関数的に減少していき、この結果として十分にス
イツチングトランジスタ24をドライブできない
ことがある。
このように、ひとたびドライブ不足をまねいて
スイツチングトランジスタ24が所定のデユーテ
イレシオでスイツチング動作を行なわなければ、
安定化出力端子12には十分な出力電圧が供給さ
れず、また差動増幅器14の比較入力端(−)の
レベルが基準入力端(+)のレベルよりも常に低
くなつてしまい、永久に起動しない状態に落ち入
る。
このようなことを防止するために、すでに次の
ような対応策が考えられている。
まず第1の案として、発振器15から出力され
るクロツクパルスbのパルス幅(以下デツドタイ
ムと記す)を十分に広くするように、上記発振器
15の出力端153に、再び第2図に示すように
パルス幅拡張回路156を付加することである。
ここで、このパルス幅拡張回路156の動作を簡
単に説明する。すなわち、出力端子153にパル
スを発生するとコンデンサCB及び抵抗RBを介し
てトランジスタQ7にベース電流が供給され、こ
のトランジスタQ7がオン状態に設定される。こ
のとき、上記トランジスタQ7によりトランジス
タQ8にもベース電流が供給されるため、このト
ランジスタQ8もオン状態となる。これにより、
トランジスタQ8がオン状態となつている間、前
記トランジスタQ5,Q6はオン状態を維持するの
で、前記コンデンサCTの充電は行なわれなくな
る。また、上記トランジスタQ7のベース回路の
時定数CB,RBによりトランジスタQ7がオフ状態
となると、上記トランジスタQ8,Q5,Q6が共に
オフ状態となつてコンデンサCTの充電が開始さ
れるようになる。したがつて、上記クロツクパル
スbのデツドタイムはコンデンサCB及び抵抗RB
によつて決まる時定数で設定されるようになり、
パルス幅が拡張されるものである。
このようにパルス幅を拡張することによつて上
記デユーテイレシオを小さくすることができるよ
うになるが、このパルス幅拡張回路156を付加
する方法は、トランジスタが2個よけいに必要に
なることや、時定撰のばらつきやトランジスタの
hFEなどによる動作点のばらつきによつてデツト
タイムが狂いやすく、またPWM動作レンジが狭
くなること等の問題が生じる。
第2の案としては、差動増幅器14の出力端に
第4図に示すようにダイオードD1、コンデンサ
C1及び抵抗R1でなるソフトスタート回路30を
付加することである。ここで、このソフトスター
ト回路30の動作について簡単に説明すると、ま
ず非安定入力端子11に非安定直流電圧が供給さ
れた直後では、コンデンサC1は充電されておら
ず、このコンデンサC1の両端電圧は0〔V〕であ
る。このため、差動増幅器14の出力電圧V14
ダイオードD1の順方向電圧降下VFでクランプさ
れ、第5図aに示すように前記鋸歯状波電圧信号
aをスライスするようになる。これにより、レベ
ル比較器16の出力には第5図bに示すように幅
の広いパルスが得られる。また、コンデンサC1
は抵抗R1によつて除々に充電されて上記レベル
比較器16の入力端のレベルを除々に持ち上げる
ようになる。このため、第5図bに示したレベル
比較器16出力のパルス幅は除々に狭くなる。
したがつて、上記ソフトスタート回路30を付
加した場合、起動時の第3図に示した各回路部の
出力a〜jは第6図a〜jのようになる。この第
6図a〜jから明らかなように、上記のようなソ
フトスタート回路30を付加すれば、非安定直流
電圧が投入されたとき、スイツチングトランジス
タ24のオン期間は十分狭い点から動作を始める
ようになり、ドライブ不足は解消できるものであ
る。
しかしながら、上記ソフトスタート回路30を
付加する方法は、供給される非安定直流電圧の立
ち上がり時間が極端に遅い場合、ソフトスタート
回路30のコンデンサC1の充電時間がこれに追
従してしまい、結局十分な効果が得られず、逆に
充電時間を速く設定してしまうと、非安定直流電
圧の入力が遮断されたときのコンデンサC1の放
電時間が長くなり、再スタートさせるまでに多少
の待ち時間が必要になる。このことは、特に供給
される非安定直流電圧が瞬断した場合には再起動
できなくなるという致命的な欠点となる。
〔考案の目的〕
この考案は上記のような問題を改善するために
なされたもので、簡易な構成で非安定直流電圧が
供給されてから所定の出力電圧を得るまでの間の
パルス制御信号に十分なデユーテイレシオが得ら
れるようにしてスイツチング制御を確実に施すこ
とができるパルス幅制御形DC/DCコンバータを
提供することを目的としている。
〔考案の概要〕
すなわち、この考案によるパルス幅制御形
DC/DCコンバータは、スイツチング駆動するこ
とによつて非安定化直流電圧を安定化して出力す
る安定化回路と、この安定化回路をスイツチング
駆動するためのパルス制御信号を生成するパルス
制御信号生成回路と、前記安定化回路の出力電圧
と基準電圧との差電圧を取り出す差動増幅器と、
この差動増幅器の出力電圧に対応して前記パルス
制御信号をパルス幅変調する手段とを有するもの
で、前記差動増幅器の出力端に接続され、その出
力電圧を所定の電圧レベルにクランプする非線形
素子と、この非線形素子に並列に接続され前記差
動増幅器のゲインを補償する抵抗とを具備してな
ることを特徴とするものである。
〔考案の実施例〕
以下、第7図〜第10図を参照してこの考案の
一実施例を説明する。但し、第7図及び第8図に
おいて第1図と同一部分には同一符号を付して示
し、ここでは異なる部分について説明する。
第6図はこの考案に係るパルス幅制御形DC/
DCコンバータを示すもので、第1図に示した従
来のパルス幅制御形DC/DCコンバータと異なる
点は、第7図にも取出して示すように、差動増幅
器14の出力端にツエナーダイオードD2及び抵
抗R2,R3からなる非線形回路31を付加したと
ころにある。
ここで、上記差動増幅器14のはトランスコン
ダクタンスタイプのもので、その具体的な回路構
成は、第8図に示すようになされている。すなわ
ち、141は基準電圧入力端(+)、142は比
較電圧入力端(−)であり、また端子143には
基準電圧が供給され、端子144にはバイアス電
圧が供給されるようになされている。そして、上
記基準電圧入力端141はトランジスタQ9のベ
ースに接続され、比較電圧入力端142はトラン
ジスタQ10のベースに接続されている。このトラ
ンジスタQ9及びQ10は差動増幅回路145を構成
し、その出力端AはトランジスタQ11,Q12,Q13
でなるカレントミラー回路146を介して出力端
147に接続されている。尚、トランジスタ
Q14,Q15及びR4,R5は定電流源として設けられ
たものである。
上記のような構成において、以下その動作につ
いて説明する。まず、上記差動増幅器14の動作
について説明する。今、上記トランジスタQ9
コレクタ電流をICとすると、カレントミラー回路
146によつてトランジスタQ13のコレクタにも
同等の電流ICが流れる。このトランジスタQ13
トランジスタQ15の定電流源で駆動されるので、
出力端147の出力インピーダンスROUTは非常に
大きい(数MΩ)ものとなる。この出力端147
のアース間インピーダンスをRLとすると、この
差動増幅器14のゲインAVは次式のように表わ
せる。
AV=gm・R=R・IC/2・q/KT (ただし、R=ROUT・RL/ROUT+RL, K:ポルツマン定数, T:絶対温度 q:電子電荷) したがつて、上記差動増幅器14の実際のゲイ
ンは、出力端147及びアース間に設けられる抵
抗で決定されることになる。この差動増幅器14
のゲインは、DC/DCコンバータのフイードバツ
クループゲインに大きく影響を与え、負荷変動に
対する追従性等の点からある程度可変できたほう
が好ましく、このため上記のようなトランスコン
ダクタンスタイプの増幅器が用いられている。
すなわち、上記非線形回路31は、抵抗R2
R3によつて通常動作時にゲイン補償用として作
用している。この場合、後述するがツエナーダイ
オードD2がカツトオフしているため、上記差動
増幅器14の出力端及びアース間の抵抗値RL
(R2+R3)の値である。
ここで、上記非線形回路31の出力電圧V31
電流I31時性は第9図に示すようになつている。
すなわち、差動増幅器14の出力電圧V14が低い
ときはツエナーダイオードD2がカツトオフして
おり、抵抗値(R2+R3)のみでその出力電圧V31
(=(R2+R3)・I31)の特性が決定され、また差動
増幅器14の出力電圧V14が高いときは、ツエナ
ーダイオードD2に電流IZが流れ、これによつてツ
エナー電圧VZが発生し、その出力電圧V31(=VZ
+R2・I31)の特性が決定される。つまり、上記
差動増幅器14の出力電圧V14が非線形回路31
によつて電圧V31の値にクランプされることにな
る。
また、上記電流I31は抵抗R2に流れる電流であ
るが、この電流I3は差動増幅器14のカレントミ
ラー回路146から供給されるものである。すな
わち、この電流I31は、差動増幅器14のトラン
ジスタQ9のコレクタ電流ICの最大値、つまりトラ
ンジスタQ14による定電流源で設定される電流値
以上にはならないものである。
以上のような条件の元における起動時の動作に
ついて説明する。この起動とは、前述したように
非安定入力端子11に非安定直流電圧が供給され
ると、確実にスイツチングトランジスタ24がス
イツチング動作し、出力端子12の出力電圧が確
実に設定値まで上昇する動作である。このように
非安定直流電圧が供給される形体には、前述した
ようにランプ関数的に除々に上昇していく場合
と、ステツプ関数的に急激に供給される場合とが
ある。いずれの場合も起動直後は出力端子12の
出力電圧値は0〔V〕であり、差動増幅器14の
出力電圧V14は発振器15から出力される鋸歯状
波電圧信号aよりも高いレベルにあり、また差動
増幅器14のトランジスタQ9のコレクタ電流IC
非常に小さいものである。
まず、非安定直流電圧が除々に高くなるように
供給された場合、第10図中Aに示すように基準
電圧が除々に高くなつてある時点tで所定値に達
する。この基準電圧は第8図に示したように差動
増幅器14の端子143に供給され、この差動増
幅器14の電源電圧として使用されている。この
ため、差動増幅器14の出力電圧V14も第10図
中Bに示すように上昇していくことになる。しか
しながら、実際には非線形回路31によつて第9
図に示した特性を満足するように動作するため、
結局上記差動増幅器14の出力電圧V14は第10
図Cに示すようになる。これは、差動増幅器14
のトランジスタQ9がオフ状態に近く、カレント
ミラー回路146から十分な電流が出力されない
ためである。このように、上記差動増幅器14の
出力電圧V14が低く設定されることにより、前述
したようにレベル比較器16の出力パルス幅を広
く設定することができ、スイツチングトランジス
タ24のドライブ条件を満足し得るようになる。
したがつて、非安定直流電圧がある値以上高く
なつてドライブトランス23の1次巻線へ供給す
る電圧が十分得られるレベルになると、スイツチ
ングトランジスタ24が確実にスイツチング動作
し、出力端子12の出力電圧が上昇していく。た
だし、非安定直流電圧が通常使用する電圧値より
もまだ低い状態にあると、スイツチングトランジ
スタ24のデユーテイレシオを大きくしようとし
て差動増幅器14の出力電圧V14はなお高い電圧
のままとなつている。ところが、この出力電圧
V14が第9図で示す通前使用する電圧領域よりも
高くなろうとすると非線形回路31のツエナーダ
イオードD2の効果により、急激に電圧レベルが
押さえられ、また差動増幅器14の出力可能な電
流値が前述したように定まつてくるため、おおむ
ね通常使用する領域内に納めることができる。こ
こでいう通常使用する領域とは、レベル比較器1
6の出力パルス幅が十分に広くとることができ、
スイツチングトランジスタ24のデユーテイレシ
オが極端に大きくならない範囲を意味している。
また、非安定直流電圧が急激に供給される場合
でも、第9図に示した基準電圧が所定の電圧レベ
ルに達するまでの基間が短かくなるのみで、その
動作は上記の場合と同様であり、安定した動作を
得ることができるものである。
したがつて、上記のようなパルス幅制形DC/
DCコンバータは、起動時のスイツチング制御を
確実に行なうことができるので、非安定直流電圧
が十分高くなり、通常使用する領域に達すれば、
PWM動作を行なつて出力電圧レベルを一定に保
つようになり、安定化直流電圧を得ることができ
るものである。
尚、上記非線形回路31の抵抗R2は、ツエナ
ーダイオードD2のツエナー電圧VZのばらつきを
吸収する作用を有している。つまり、抵抗R2
ない場合、差動増幅器14の比較電圧入力端
(−)の電圧レベルが十分低く、その出力電圧
V14が高くなるとき、この出力電圧V14はツエナ
ー電圧VZでクランプされ、前述した通常使用す
る領域がツエナー電圧VZで定まつてしまうので、
ツエナー電圧VZの選択が厳密になる。これに対
し、抵抗R2を付加すると、この抵抗R2の電圧降
下分だけ領域を広く取ることができるので、抵抗
R2の抵抗値を調整すればツエナーダイオードD2
に多少のばらつきがあつても簡単に対処し得るよ
うになる。
〔考案の効果〕
以上のようにこの考案によれば、簡易な構成で
起動時の差動増幅器の出力電圧レベルを低く設定
することができ、これによつて非安定直流電圧が
供給されてから所定の出力電圧を得るまでの間の
パルス制御信号に十分なデユーテイレシオが得ら
れ、スイツチング制御を確実に施すことができ
る、極めて良好なパルス幅制御形DC/DCコンバ
ータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のパルス幅制御形DC/DCコンバ
ータを示すブロツク回路図、第2図は上記DC/
DCコンバータに使用される発振器を示す回路図、
第3図a〜jはそれぞれ上記DC/DCコンバータ
の主要部の各出力特性を示す波形図、第4図は上
記DC/DCコンバータに付加されるソフトスター
ト回路を示すブロツク回路図、第5図a,bはそ
れぞれ上記ソフトスタート回路による動作を説明
するための波形図、第6図a〜jは上記ソフトス
タート回路を用いたDC/DCコンバータの主要部
の各出力特性を示す波形図、第7図はこの考案に
係るパルス幅制御形DC/DCコンバータの一実施
例を示すブロツク回路図、第8図は上記実施例に
おける差動増幅器の構成を示す回路図、第9図は
上記実施例における非線形回路の出力電圧−電流
特性を示す特性図、第10図は上記実施例におけ
る差動増幅器の出力電圧を説明するための特性図
である。 11……非安定入力端子、12……安定出力端
子、13……ツエナーダイオード、14……差動
増幅器、141……基準電圧入力端、142……
比較電圧入力端、145……差動増幅回路、14
6……カレントミラー回路、147……出力端、
15……発振器、152……鋸歯状波電圧信号出
力端、153……クロツクパルス出力端、156
……パルス幅拡張回路、16……レベル比較器、
17……T形フリツプフロツプ、18,19……
ノアゲート回路、20,21……バツフア用トラ
ンジスタ、22……ドライブトランジスタ、23
……ドライブトランス、24……スイツチングト
ランジスタ、25……チヨークコイル、26……
フライホイールダイオード、27……出力コンデ
ンサ、28……負荷、29……可変抵抗器、30
……ソフトスタート回路、31……非線形回路、
D2……ツエナーダイオード、R2……抵抗、R3
…抵抗。

Claims (1)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. スイツチング駆動することによつて非安定化直
    流電圧を安定化して出力するする安定化回路と、
    この安定化回路をスイツチング駆動するためのパ
    ルス制御信号を生成するパルス制御信号生成回路
    と、前記安定化回路の出力電圧と基準電圧との差
    電圧を取出す差動増幅器と、この差動増幅器の出
    力電圧に対応して前記パルス制御信号をパルス幅
    変調する手段とを有するパルス幅制御形DC/DC
    コンバータにおいて、前記差動増幅器の出力端に
    接続されその出力電圧を所定の電圧レベルにクラ
    ンプする非線形素子と、この非線形素子に並列に
    接続され前記差動増幅器のゲインを補償する抵抗
    とを具備してなることを特徴とするパルス幅制御
    形DC/DCコンバータ。
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