JPH0767329A - スイッチング電源装置 - Google Patents

スイッチング電源装置

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Publication number
JPH0767329A
JPH0767329A JP5213653A JP21365393A JPH0767329A JP H0767329 A JPH0767329 A JP H0767329A JP 5213653 A JP5213653 A JP 5213653A JP 21365393 A JP21365393 A JP 21365393A JP H0767329 A JPH0767329 A JP H0767329A
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JP
Japan
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voltage
switching means
turned
winding
switching
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JP5213653A
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English (en)
Inventor
Takuya Ishii
卓也 石井
Nobuyoshi Osagata
信義 長潟
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 全動作領域においてゼロクロスターンオン可
能で、かつ軽負荷状態における効率の低下を少なくす
る。 【構成】 第2のスイッチング手段4がオフした後、第
1のスイッチング手段2をオンし、電圧検出手段7から
の情報を受け出力直流電圧を安定化させるように第1の
スイッチング手段2のオン期間を決定する第1の制御回
路9と、第1のスイッチング手段2がオフした後、第2
のスイッチング手段4をオンし、電流検出手段8からの
情報を受け該電流値が所定値に達すると第2のスイッチ
ング手段4をオフさせる機能を有する第2の制御回路1
0をもうけることにより、トランス3の逆励磁エネルギ
ーは、全動作条件においてゼロクロスターンオン達成の
必要量に調整できるので、軽負荷状態においては動作電
流の変化幅が小さくなり、効率の低下を防ぐことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は産業用や民生用の各種電
子機器に直流安定化電圧を供給するスイッチング電源装
置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、スイッチング電源装置はその高効
率なエネルギー変換特性から、産業用や民生用の各種電
子機器への直流安定化電源として多用されているが、さ
らなる小型化・低ノイズ化のため、共振あるいは部分共
振型電源と呼ばれるコンバータ方式が提案されてきてい
る。
【0003】従来このようなスイッチング電源装置に
は、例えば図6に示すような特開平2−261053に
開示されているスイッチング電源装置がある。図6にお
いて、1は入力直流電圧源であり、入力直流電圧Viと
する。2は第1のスイッチング手段で、第1のスイッチ
ング素子21と第1のダイオード22から構成される。
3はトランスであり、1次巻線31と2次巻線32と制
御巻線39を有し、入力直流電圧Viはスイッチング手
段2により、高周波交流電圧としてトランス3の1次巻
線31へ入力される。4は第2のスイッチング手段で、
第2のスイッチング素子41と第2のダイオード42か
ら構成される。5は出力コンデンサ、6は負荷であり、
トランスの2次巻線32に発生するフライバック電圧は
第2のスイッチング手段4と出力コンデンサ5を介し
て、出力直流電圧Voとして負荷6へ供給される。11
は2次側制御回路であり、第1のスイッチング手段2が
オフした後、第2のスイッチング手段4をオンし、出力
直流電圧を検出し安定化すべく第2のスイッチング素子
41のオン期間を決定する。12は1次側制御回路であ
り、第2のスイッチング手段4がオフした後、制御巻線
39の電圧反転を検出して所定のオン期間第1のスイッ
チング素子21をオンする。
【0004】図7はこのスイッチング電源装置の動作波
形図であり、1次巻線31の電圧V1と電流I1、2次
巻線32の電流I2を示す。図7を参照しながら以上の
ように構成されたスイッチング電源装置について、以下
その動作を説明する。まず、第1のスイッチング手段2
がオンしている時、入力直流電圧Viは1次巻線31へ
入力され、1次電流I1は直線的に増加しながらトラン
ス3を励磁する。スイッチング手段2がオフするとトラ
ンス3の各巻線電圧は反転し、励磁エネルギーは2次巻
線32から第2のダイオード41を介して出力コンデン
サ5へ放出され、2次電流I2は直線的に減少する。こ
の時第2のスイッチング素子41も2次側制御回路11
によりオンされる。出力コンデンサ5への励磁エネルギ
ーを放出し切っても第2のスイッチング素子41がオン
していると、出力コンデンサ5から2次巻線32へ逆向
きに2次電流I2が流れ、トランス7を逆励磁する。第
2のスイッチング素子41が所定のオン期間後2次側制
御回路11によってオフされると、逆励磁されたトラン
ス3の各巻線電圧は反転し、逆励磁エネルギーは1次巻
線31から第1のダイオード22を介して入力直流電圧
源1へ回生される。この時第1のスイッチング素子21
も1次側制御回路12によりオンされる。この動作の繰
返しを通じ、第1のスイッチング手段2のオン期間をT
1、第2のスイッチング手段4のオン期間をT2、1次
巻線31と2次巻線32の巻数比をNとすると、入出力
直流電圧の関係は、 Vo=N・(T1/T2)・Vi で表され、T1とT2の比即ちオンオフ比を調整するこ
とで、出力直流電圧Voが安定化される。本例のように
T1を固定し、T2を調整することでも出力直流電圧V
oを安定化できる。また、伝達される電力は、トランス
3の励磁エネルギーと逆励磁エネルギーの差と、スイッ
チング周波数との積となるので、出力電力の変動はトラ
ンス3の励磁エネルギーと逆励磁エネルギーの差の変動
となる。図7のI1とI2の破線は無負荷状態での動作
波形を表す。このスイッチング電源装置の特徴は、第1
のスイッチング手段2と第2のスイッチング手段4は、
それぞれ他方のスイッチング手段がオフする際に、トラ
ンス3の励磁エネルギー又は逆励磁エネルギーによって
各巻線電圧が反転するため、ゼロクロスターンオンでき
ることである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、負荷条件に依らず動作電流の変化幅が一
定であるため、スイッチング周波数はほとんど変化しな
いが、軽負荷状態においても動作電流による導通損失が
大きくなり、軽負荷時での効率が低下する。また、過負
荷状態においては逆励磁エネルギーがゼロになるため、
第1のスイッチング手段2はゼロクロスターンオンでき
なくなるという問題点を有していた。
【0006】本発明は上記問題点を解決するもので、全
動作領域においてゼロクロスターンオン可能という特徴
を維持しながら、軽負荷状態における効率の低下の少な
いスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のスイッチング電源装置は、入力直流電圧を受
電し、少なくとも1次巻線と2次巻線を有するトランス
と、前記1次巻線に接続され、オンオフすることにより
前記入力直流電圧を高周波交流電圧に変換して前記1次
巻線に入力する第1のスイッチング手段と、前記2次巻
線に接続され、前記2次巻線に発生するフライバック電
圧を整流する第2のスイッチング手段と、前記第2のス
イッチング手段によって整流されたフライバック電圧を
平滑し、負荷へ出力直流電圧を供給する出力コンデンサ
と、前記出力直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記
2次巻線又は前記第2のスイッチング手段に流れる電流
を検出する電流検出手段と、前記第2のスイッチング手
段がオフした後、前記第1のスイッチング手段をオン
し、前記電圧検出手段からの情報を受け前記出力直流電
圧を安定化させるように前記第1のスイッチング手段の
オン期間を決定する第1の制御回路と、前記第1のスイ
ッチング手段がオフした後、前記第2のスイッチング手
段をオンし、前記電流検出手段からの情報を受け該電流
値が所定値に達すると前記第2のスイッチング手段をオ
フさせる機能を有する第2の制御回路とからなる構成を
有している。
【0008】
【作用】この構成によって、トランスの逆励磁エネルギ
ーは、全動作条件においてゼロクロスターンオン達成の
必要量に調整できるので、軽負荷状態においては動作電
流の変化幅が小さくなり、効率の低下を防ぐことができ
る。
【0009】
【実施例】(実施例1)以下本発明の一実施例につい
て、図面を参照しながら説明する。図1は本発明の第1
の実施例におけるスイッチング電源装置の回路構成図で
ある。図1において、1は入力直流電圧源であり、入力
直流電圧Viとする。2は第1のスイッチング手段で、
第1のスイッチング素子21と第1のダイオード22か
ら構成される。3はトランスであり、1次巻線31と2
次巻線32を有し、入力直流電圧Viはスイッチング手
段2により、高周波交流電圧としてトランス3の1次巻
線31へ入力される。4は第2のスイッチング手段で、
第2のスイッチング素子41と第2のダイオード42か
ら構成される。5は出力コンデンサ、6は負荷であり、
トランスの2次巻線32に発生するフライバック電圧は
第2のスイッチング手段4と出力コンデンサ5を介し
て、出力直流電圧Voとして負荷6へ供給される。7は
電圧検出手段であり、出力直流電圧を検出する。8は電
流検出手段であり、2次巻線32に流れる電流を検出す
る。9は第1の制御回路であり、第2のスイッチング手
段4がオフした後、第1のスイッチング素子21をオン
し、電圧検出手段7からの情報を受け出力直流電圧Vo
を安定化させるように第1のスイッチング素子21のオ
ン期間を決定する。10は第2の制御回路であり、第1
のスイッチング手段2がオフした後、第2のスイッチン
グ素子41をオンし、電流検出手段8からの情報を受け
該電流値I2が所定値I2thに達すると第2のスイッ
チング素子41をオフさせる機能を有する。
【0010】図2はこのスイッチング電源装置の動作波
形図であり、1次巻線31の電圧V1と電流I1、2次
巻線電流I2を示す。以上のように構成されたスイッチ
ング電源装置について、図2を用いてその動作を説明す
る。まず、第1のスイッチング手段2がオンしている
時、入力直流電圧Viは1次巻線31へ入力され、1次
電流I1は直線的に増加しながらトランス3を励磁す
る。スイッチング手段2がオフするとトランス3の各巻
線電圧は反転し、励磁エネルギーは2次巻線32から第
2のダイオード42を介して出力コンデンサ5へ放出さ
れ、2次電流I2は直線的に減少する。この時第2のス
イッチング素子41もオンされる。出力コンデンサ5へ
の励磁エネルギーを放出し切っても第2のスイッチング
素子41がオンしていると、出力コンデンサ5から2次
巻線32へ逆向きに2次電流I2が流れ、トランス7を
逆励磁する。電流検出手段8は2次電流I2を検出し、
第2の制御回路10は2次電流I2が所定値I2thに
達すると第2のスイッチング素子41をオフさせる。逆
励磁されたトランス3の各巻線電圧は反転し、逆励磁エ
ネルギーは1次巻線31から第1のダイオード22を介
して入力直流電圧源1へ回生される。この時第1のスイ
ッチング素子21も第1の制御回路9によりオンされ
る。この動作の繰返しを通じ、第1のスイッチング手段
2のオン期間をT1、第2のスイッチング手段4のオン
期間をT2、1次巻線31と2次巻線32のの巻数比を
Nとすると、入出力直流電圧の関係は、 Vo=N・(T1/T2)・Vi で表され、第1の制御回路9によって、第1のスイッチ
ング素子21のオン期間T1を調整することにより、出
力直流電圧Voは安定化できる。また、伝達される電力
は、トランス3の励磁エネルギーと逆励磁エネルギーの
差と、スイッチング周波数との積となるので、出力電力
の変動はトランス3の励磁エネルギーと逆励磁エネルギ
ーの差の変動となる。しかし電流検出手段8と第2の制
御回路11によって、トランス3を逆励磁させる2次電
流I2は所定値I2thに設定されるため、軽負荷状態
になるとT1,T2が短くなり、スイッチング周波数は
高くなるが、動作電流変化幅は小さくなる。図2の破線
は無負荷状態での動作波形を表す。また過負荷状態にお
いては、トランス3を逆励磁させる2次電流I2は所定
値I2thに設定されるため、T2が長くなることでス
イッチング周波数は低くなるが、逆励磁エネルギーが確
保され、ゼロクロスターンオンも維持される。
【0011】図3は第1の実施例をより具体的に表した
回路図である。図3において、1は入力直流電圧源、2
は第1のスイッチング手段としてのMOSFET、3は
トランスで、1次巻線31・2次巻線32・第1の駆動
巻線33・第2の駆動巻線34を有する。4は第2のス
イッチング手段としてのMOSFET、5は出力コンデ
ンサ、6は負荷である。70〜72は抵抗、73はシャ
ントレギュレータ、74はフォトカプラであり、70〜
74で電圧検出手段7を構成する。80〜84は抵抗、
85はコンパレータであり、80〜85で電流検出手段
8を構成する。90〜94は抵抗、95・96はダイオ
ード、97はコンデンサ、98はトランジスタであり、
90〜98及び第1の駆動巻線33で第1の制御回路9
を構成する。100〜102は抵抗、103はダイオー
ド、104はトランジスタであり、100〜103及び
第2の駆動巻線34で第2の制御回路10を構成する。
起動抵抗91で第1のスイッチング手段2が駆動された
後は、それぞれトランス3に設けた第1及び第2の駆動
巻線33、34によって交互にオンオフされる。電圧検
出手段7は出力直流電圧を抵抗70と71で分割し、シ
ャントレギュレータ73はこの分割電圧を入力され、所
定の電圧となるように抵抗72とフォトカプラ74の発
光ダイオードに流れる電流を調整する。第1の制御回路
9は、第2のスイッチング手段4がオフしてトランス3
の各巻線が反転し、第1の駆動巻線33に発生するフォ
ワード電圧により、ダイオード95及び抵抗92を介し
て第1のスイッチング手段2をドライブする。尚、第1
のスイッチング手段2はトランス3の各巻線が反転後、
そのボディダイオードが導通しており、ゼロ電圧ターン
オンする。第1のスイッチング手段2のオン期間は抵抗
94又はフォトカプラ74の受光トランジスタを流れる
電流がコンデンサ97を充電し、トランジスタ98をオ
ンするまでの時間である。従って第1のスイッチング手
段2のオン期間はフォトカプラ74の受光トランジスタ
を流れる電流、即ち電圧検出手段7からの情報により、
出力直流電圧を安定化すべく制御される。電流検出手段
8は2次電流を抵抗80に流し、その電圧降下を抵抗8
1〜84でコンパレータ85に入力する。出力直流電圧
をVo、抵抗80〜84の抵抗値をR0〜R4とする
と、Vo・R2/(R1+R2)=(Vo+I2th・
R0)R4/(R3+R4)を満足するようにR0〜R
4を設定すれば、出力コンデンサ5から抵抗80を介し
て2次巻線32へ流れる電流がI2thになるとコンパ
レータ85の出力は”L”から”H”に反転する。第2
の制御回路10は、第1のスイッチング手段2がオフし
てトランス3の各巻線が反転し、第1の駆動巻線34に
発生するフライバック電圧により、ダイオード103及
び抵抗101を介して第2のスイッチング手段4をドラ
イブする。尚、第2のスイッチング手段4はトランス3
の各巻線が反転後、そのボディダイオードが導通してお
り、ゼロ電圧ターンオンする。第2のスイッチング手段
4のオン期間は電流検出手段8のコンパレータ85の出
力が”H”となり、抵抗102を介してトランジスタ1
04がオンするまでの時間である。従って第2のスイッ
チング手段4は第1のスイッチング手段2がオフしてト
ランス3の各巻線電圧が反転し、トランス3の励磁エネ
ルギーを出力コンデンサ5へ放出後、トランス3を逆励
磁するする2次電流がI2thになるまでオンするよう
に制御される。以上の動作を繰り返すことにより、第1
の実施例で説明した動作が実現できる。
【0012】(実施例2)以下本発明の第2の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。図4は本発明の第
2の実施例を示すスイッチング電源装置のうち、トラン
ス3の2次巻線32と第2のスイッチング手段4として
のMOSFET、及び電流検出手段8と第2の制御回路
10に相当する部分の回路構成図である。他の部分は第
1の実施例と同様なので省略する。図4において、50
はダイオード、51〜54は抵抗、55はコンパレー
タ、56は直流電圧源である。直流電圧源56は出力直
流電圧、あるいはトランス3に適当な別巻線を設けその
発生電圧を整流平滑すること等により得る。直流電圧源
56の電圧をEとする。
【0013】以下に本実施例によって第2のスイッチン
グ手段4が、第1のスイッチング手段2がオフしてトラ
ンス3の各巻線電圧が反転し、トランス3の励磁エネル
ギーを出力コンデンサ5へ放出後、トランス3を逆励磁
する2次電流がI2thになるまでオンするように制御
される動作を説明する。第1のスイッチング手段2がオ
フしてトランス3の各巻線電圧が反転すると、第2のス
イッチング手段4のボディダイオードが導通し、トラン
ス3の励磁エネルギーを出力コンデンサ5へ放出する。
この時第2のスイッチング手段4の両端電圧はボディダ
イオードの順方向電圧に低下するので、コンパレータ5
5の負極入力端子の電圧も低下し、コンパレータ55の
出力は”H”となり、第2のスイッチング手段4をオン
する。トランス3の励磁エネルギーを放出後も、2次電
流はトランス3を逆励磁する方向に第2のスイッチング
手段4を流れる。第2のスイッチング手段4のオン抵抗
値をRon、ダイオード50の順方向電圧をVf、抵抗
51〜54の抵抗値をR5〜R8とすると、 E・R8/(R7+R8) ={E・R6+(Vf+I2th・Ron)・R5}/(R5+R6) を満足するようにR5〜R8を設定すれば、2次電流が
I2thになるとコンパレータ55の出力は”H”か
ら”L”に反転し、第2のスイッチング手段4をオフす
る。
【0014】以上のように、第2のスイッチング手段4
にMOSFETのようなオン時に低抵抗となるような素
子を用いる場合に、そのオン時抵抗値を利用して2次電
流を検出することにより本発明の目的は達成され、電流
検出手段8を簡略化することができる。
【0015】(実施例3)以下本発明の第3の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。図5は本発明の第
3の実施例を示すスイッチング電源装置のうち、トラン
ス3の2次巻線32と第2のスイッチング手段4として
のMOSFET、及び電流検出手段8と第2の制御回路
10に相当する部分の回路構成図である。他の部分は第
1の実施例と同様なので省略する。図5において、34
は駆動巻線である。35は検出巻線であり、2次巻線3
2と同一巻数で密結合とする。60〜64は抵抗、65
はコンパレータである。
【0016】以下に本実施例によって第2のスイッチン
グ手段4が、第1のスイッチング手段2がオフしてトラ
ンス3の各巻線電圧が反転し、トランス3の励磁エネル
ギーを出力コンデンサ5へ放出後、トランス3を逆励磁
する2次電流がI2thになるまでオンするように制御
される動作を説明する。第1のスイッチング手段2がオ
フしてトランス3の各巻線電圧が反転すると、第2のス
イッチング手段4のボディダイオードが導通し、トラン
ス3の励磁エネルギーを出力コンデンサ5へ放出する。
この時第2のスイッチング手段4は駆動巻線34から抵
抗60を介してドライブされオンする。トランス3の励
磁エネルギーを放出後も、2次電流はトランス3を逆励
磁する方向に流れる。2次巻線32と検出巻線35は密
結合同一巻数なので、同じ誘起電圧が発生しているが、
電流の流れている2次巻線32には巻線抵抗による電圧
降下がある。出力直流電圧をVo、2次巻線32の巻線
抵抗値をRs、抵抗61〜64の抵抗値をR9〜R12
とすると、 Vo・R10/(R9+R10) =(Vo−I2th・Rs)・R12/(R11+R12) を満足するようにR9〜R12を設定すれば、2次電流
がI2thになるとコンパレータ65の出力は”H”か
ら”L”に反転し、第2のスイッチング手段4をオフす
る。
【0017】以上のように、2次巻線32と密結合同一
巻数な検出巻線35を設け、その電位差を検出すること
により、2次巻線32に流れる電流を2次巻線の巻線抵
抗の電圧降下として検出でき、本発明の目的は達成さ
れ、電流検出手段8を簡略化することができる。
【0018】尚、電流検出手段として第1の実施例の具
体例である図3では検出抵抗80、第2の実施例ではス
イッチング手段4のオン時抵抗、第3の実施例では2次
巻線32の巻線抵抗を用いる手段を示したが、これら単
独ではなく組合せる方法や、これら以外の手段、例え
ば、電流検出機能を内蔵したスイッチング手段を用いる
などが考えられる。いずれにおいても、本発明の目的を
達成できることは言うまでもない。
【0019】
【発明の効果】以上のように本発明は、入力直流電圧を
受電し、少なくとも1次巻線と2次巻線を有するトラン
スと、前記1次巻線に接続される第1のスイッチング手
段と、前記2次巻線に接続される第2のスイッチング手
段と、負荷へ出力直流電圧を供給する出力コンデンサ
と、前記出力直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記
2次巻線又は前記第2のスイッチング手段に流れる電流
を検出する電流検出手段と、前記第2のスイッチング手
段がオフした後、前記第1のスイッチング手段をオン
し、前記電圧検出手段からの情報を受け、前記出力直流
電圧を安定化させるように前記第1のスイッチング手段
のオン期間を決定する第1の制御回路と、前記第1のス
イッチング手段がオフした後、前記第2のスイッチング
手段をオンし、前記電流検出手段からの情報を受け、該
電流値が所定値に達すると前記第2のスイッチング手段
をオフさせる機能を有する第2の制御回路とを設けるこ
とにより、ゼロ電圧ターンオンに必要な逆励磁エネルギ
ーを常に確保し、全動作領域でゼロ電圧ターンオン動作
でき、また、軽負荷における損失の低減を可能とした優
れたスイッチング電源装置を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例におけるスイッチング電
源装置の回路構成図
【図2】本発明の第1の実施例におけるスイッチング電
源装置の動作説明のための動作波形図
【図3】本発明の第1の実施例におけるスイッチング電
源装置の具体的回路図
【図4】本発明の第2の実施例におけるスイッチング電
源装置の回路構成図
【図5】本発明の第3の実施例におけるスイッチング電
源装置の回路構成図
【図6】従来のスイッチング電源装置の回路構成図
【図7】従来のスイッチング電源装置の動作説明のため
の動作波形図
【符号の説明】
1 入力直流電圧源 2 第1のスイッチング手段 3 トランス 4 第2のスイッチング手段 5 出力コンデンサ 6 負荷 7 電圧検出手段 8 電流検出手段 9 第1の制御回路 10 第2の制御回路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入力直流電圧を受電し、少なくとも1次巻
    線と2次巻線を有するトランスと、前記1次巻線に接続
    され、オンオフすることにより前記入力直流電圧を高周
    波交流電圧に変換して前記1次巻線に入力する第1のス
    イッチング手段と、前記2次巻線に接続され、前記2次
    巻線に発生するフライバック電圧を整流する第2のスイ
    ッチング手段と、前記第2のスイッチング手段によって
    整流されたフライバック電圧を平滑し、負荷へ出力直流
    電圧を供給する出力コンデンサと、前記出力直流電圧を
    検出する電圧検出手段と、前記2次巻線又は前記第2の
    スイッチング手段に流れる電流を検出する電流検出手段
    と、前記第2のスイッチング手段がオフした後、前記第
    1のスイッチング手段をオンし、前記電圧検出手段から
    の情報を受け、前記出力直流電圧を安定化させるように
    前記第1のスイッチング手段のオン期間を決定する第1
    の制御回路と、前記第1のスイッチング手段がオフした
    後、前記第2のスイッチング手段をオンし、前記電流検
    出手段からの情報を受け、該電流値が所定値に達すると
    前記第2のスイッチング手段をオフさせる機能を有する
    第2の制御回路とからなるスイッチング電源装置。
  2. 【請求項2】前記第2のスイッチング手段にはオン時に
    低抵抗となるようなスイッチング素子を用い、前記電流
    検出手段は前記オン時抵抗の電圧降下を検出することを
    特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。
  3. 【請求項3】前記トランスに前記2次巻線と同一巻数で
    密結合な検出巻線を設け、前記検出巻線の一端を前記2
    次巻線の一端に極性が一致するように接続し、前記電流
    検出手段は前記検出巻線の他端と前記2次巻線の他端と
    の電位差を検出することを特徴とする請求項1記載のス
    イッチング電源装置。
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