JPS5838797Y2 - 自励型スイツチングレギユレ−タ直流電源装置 - Google Patents

自励型スイツチングレギユレ−タ直流電源装置

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JPS5838797Y2
JPS5838797Y2 JP6526578U JP6526578U JPS5838797Y2 JP S5838797 Y2 JPS5838797 Y2 JP S5838797Y2 JP 6526578 U JP6526578 U JP 6526578U JP 6526578 U JP6526578 U JP 6526578U JP S5838797 Y2 JPS5838797 Y2 JP S5838797Y2
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JP
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transistor
circuit
voltage
switching
collector
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JP6526578U
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孝夫 守友
千広 川口
道寛 鳥居
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富士電気化学株式会社
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Description

【考案の詳細な説明】 本考案は自励型スイッチングレギュレータ直流電源装置
の改良に関し、更に詳しくは、出力電圧を検出する誤差
増幅回路とそれにより得られた出力信号の帰還回路を用
いずに出力を安定化することのできる電源装置に関する
スイッチングレギュレータ直流電源には様々な方式のも
のがあるが、その多くは出力電圧を検出して基準電圧と
比較し、その差分を増幅する誤差増幅回路と、得られた
出力信号によってパルス幅を制御するパルス幅変調回路
や周波数を制御する周波数変調回路等の信号帰還回路を
用いることにより出力電圧を安定化させるものであった
その極めて簡略化した形の一例を第1図に示す。
交流入力電源Eはスイッチswを介して整流ダイオード
ブリッジD1および平滑コンテ゛ンサC1からなる整流
回路に接続され、スイッチングトランジスタQ1を介し
て、フライホイルダイオードD6.チョークコイルL、
出力平滑コンデンサC3からなる平滑回路に接続される
平滑出力はコンパレータ12の正入力端子に供給され、
また、該コンパレータ12の負入力端子には基準電圧源
13が抵抗R16を介して接続される。
コンパレータ12の比較結果はスイッチングトランジス
タQ1のベースに供給され、それを制御する。
なお、Roはダミー抵抗である。この装置では、出力電
圧の制御はスイッチングトランジスタQ1とこれを駆動
するコンパレータ12によって行われる。
つまり、コンパレータ12は、出力電圧と基準電圧とを
比較すると共に、帰還抵抗R15によって自励発振を起
こし、入力電圧の変動に応じて発振周波数を変え、直流
出力電圧の安定化を図っているのである。
そして、この安定化出力をDC−DCコンバータ5に入
力し、任意の直流電圧に変換して負荷R14に直流電力
を供給する。
このように、従来のスイッチングレギュレータでは、出
力電圧を検出し、それと基準電圧とを比較する誤差増幅
回路と、比較結果に応じてスイッチング素子を制御する
帰還回路が必要であり、回路構成も複雑化する欠点があ
る。
特に、比較的負荷変動の少ない装置に使用する場合、た
とえばICメモリ等のバックアップ電源等に使用するに
は、より簡単な回路構成で安定度が良く、シかも低置で
あることが肝要である。
しかるに、従来のスイッチングレギュレータではかかる
要求を十分満足しうるものとは言えなかった。
本考案は、上記のような従来技術の実情に鑑みなされた
ものであって、その目的は、出力電圧を検出する誤差増
幅回路とその出力信号を帰還するための回路を必要とせ
ず、簡単な回路構成で効率良く入力電圧変動に対する出
力電圧の安定化を図ることのできる自励型スイッチング
レギュレータ直流電源装置を提供することにある。
即ち本考案は、交流入力を整流する整流回路と、その整
流出力を断続制御するスイッチング部と、得られたスイ
ッチング出力を平滑化する平滑回路とを直列接続してな
るスイッチング直流電源装置において、スイッチング部
をスイッチング駆動する駆動用トランジスタと、該駆動
用トランジスタのバイアス回路と、前記整流回路の出力
端に接続されるパルス電圧発生回路とを備え、該パルス
電圧発生回路は、前記駆動用トランジスタのオン・オフ
によりオン・オフされるスイッチ回路と、該スイッチ回
路に直列に接続される時定数をもつ充放電回路と、該充
放電回路に接続され、その端子電圧でオン・オフ及びベ
ース電流が制御されるトランジスタ回路を有し、該トラ
ンジスタ回路のトランジスタのコレクタ電圧を前記駆動
用トランジスタのベース回路に印加してそのベース電流
を制御するよう構成され、前記充放電回路の時定数と前
記トランジスタ回路による駆動用トランジスタのストレ
ージ時間の変化によりスイッチング部のオン・オフ時間
を制御するようにした自励型スイッチングレギュレータ
直流電源装置である。
以下、図面に基づき本考案について更に詳しく説明する
第2図は本考案の一実施例を示す回路図である。
交流入力電源Eは、スイッチswを介して整流回路1に
接続される。
整流回路1は、整流ダイオード・ブリッジD1と平滑コ
ンデンサC1からなる。
平滑コンテ゛ンサC1の正極は、ダイオード・ブリッジ
D1のカソード側と、また平滑コンデンサC1の負極は
ダイオード・ブリッジD1のアノード側と接続されてお
り、交流入力を整流平滑化して直流電圧■1を得ている
この整流回路1はスイッチング回路2に接続され、整流
平滑化された直流電圧■1を供給する。
スイッチング回路2は、NPN型スイッチングトランジ
スタQ1と、PNP型トランジスタQ2を複合接続した
スイッチング部を有し、トランジスタQ2のエミッタは
スイッチングトランジスタQ1のコレクタと接続され、
またトランジスタQ2のコレクタはトランジスタQ1の
ベースと接続されている。
スイッチングトランジスタQ1のベース・エミッタ間に
は抵抗R1が接続され、トランジスタQ2のエミッタ・
ベース間に、抵抗R2が接続される。
そして、トランジスタQ2のベースは、抵抗R3を介し
て駆動用NPN型トランジスタQ3のコレクタと接続さ
れ、そのエミッタは負電源ラインに接続されて、スイッ
チングトランジスタQ1をドライブする。
駆動用トランジスタQ3はバイアス回路によって所定の
状態にバイアスされる。
このバイアス回路は、正電源ラインと負電源ライン間に
直列接続された分割抵抗R5,R7を有し、それらの接
続点に接続されたベース抵抗R6の他端はダイオードD
4.D5を介して駆動用トランジスタQ3のベースに接
続され、ベース電流を供給する。
また、前記整流回路1の出力はパルス電圧発生回路3に
も供給される。
パルス電圧発生回路3は、正電源ラインと負電源ライン
間に、レベルシフト用ツェナーダイオードZD1、PN
P型トランジスタQ4.抵抗R6,抵抗R1oとコンデ
ンサC2との並列回路を順次直列接続すると共に、トラ
ンジスタQ4のエミッタ・ベース間に抵抗R8を、トラ
ンジスタQ4のベースと駆動用トランジスタQ3のコレ
クタ間に抵抗R4をそれぞれ接続し、更に、抵抗R9と
抵抗RIOの接続点をダイオードD2.D3を介して、
NPN型トランジスタQ5のベースと接続し、トランジ
スタQ5のコレクタを、抵抗R5と抵抗R6の接続点と
トランジスタQ5のエミッタを負電源ラインとそれぞれ
接続してなる。
前記スイッチング回路2の出力電圧■2は平滑回路4に
入力され、平滑化された直流電圧■3が生じる。
平滑回路4は、フライホイルダイオードD6.チョーク
コイルL、平滑コンデンサC3,ダミー抵抗R工1から
なる。
この直流電圧v3はDC−DCコンバータ5に入力され
て、そこで任意の直流電圧に変換されて負荷抵抗R14
に供給されるのである。
なお、パルス電圧発生回路3のダイオードD2゜D3お
よびD4.D5は第3図に示す如く、ツェナーダイオー
ドZD2.ZD3に置換えてもよい。
次に、この装置の動作について説明する。
交流入力電圧Eを与え、スイッチSWを閉じると、交流
入力はダイオード・ブリッジD1によって整流されて平
滑コンデンサC0に供給され、その直流の端子電圧■1
が上昇し始める。
そして、スイッチング回路2の分割抵抗R5,R7に電
流が流れ、該抵抗R7の端子電圧も同様に上昇する。
抵抗R7の端子電圧V4が、ダイオードD4.D5にか
える順方向電圧VF4.VF5および駆動用トランジス
タQ3のベース・エミッタ間飽和電圧VBE(S)3の
総和より高くなると、トランジスタQ3のベース電流が
分割抵抗R5yベース抵抗R6,及びダイオードD4.
D5を通して流れ、駆動用トランジスタQ3が導通し、
そのコレクタ電流はトランジスタQ2のベースと抵抗R
3を通って流れるため、トランジスタQ2が導通し、該
トランジスタQ2のコレクタ電流によってスイッチング
トランジスタQ1を導通させることになる。
それ故、スイッチング回路2の出力端に電圧V2が生じ
、平滑回路4に入力され、その出力電圧v3が負荷のD
C−DCコンバータ5に供給される。
交流入力電圧Eが増加し続けると、駆動用トランジスタ
Q3のベース電流も共に増加するため、スイッチングト
ランジスタQ1のバイアスも増加するので、そのコレク
タ・エミッタ間電圧■。
Eは飽和し、スイッチング回路2の出力電圧V2も入力
交流電圧Eに比例し増加する。
逆に、駆動用トランジスタQ3のコレクタ電圧■7は減
少し、飽和電圧VCE(S)3となる。
整流回路の出力電圧v1が、Vl〉(ZDlのツェナー
電圧)+(トランジスタQ3のコレクタ電圧■7)+(
トランジスタQ4のベース・エミッタ間飽和電圧VBE
(S)4)となると、パルス電圧発生回路3のトランジ
スタQ4のベース電流が抵抗R4を通ってトランジスタ
Q3のコレクタに流れる。
その結果、トランジスタQ4が導通し、そのコレクタ電
流が抵抗Rg、Rtoを通って流れ、また、コンテ゛ン
サC2に充電電流が流れてトランジスタQ4のコレクタ
電圧V5が上昇する。
そして、抵抗R1oの端子電圧v6が、ダイオードD
2 、 D 3にかかる順方向電圧V p2 、 V
F3及びトランジスタQ5のベース・エミッタ間電圧V
BE(S)5の総和を越えるとその電圧にクランプさ
れ、トランジスタQ5のベースに抵抗R9を通ってベー
ス電流が流れることになり、トランジスタQ5のコレク
タには抵抗R5を通ってコレクタ電流が流れる。
そのために抵抗R5の電圧降下によって、抵抗R7の端
子電圧■4の値が減少し、トランジスタQ3のベース電
流が制限されることになる。
そして、さらに整流回路1の出力電圧■1が増加すると
、それとともに、トランジスタQ4のベース電流も増加
し、また、トランジスタQ5のベース電流も同様に増加
するために、トランジスタQ5のコレクタ電流が増加す
ることで、そのコレクタ電圧V4がより減少し、そして
、抵抗R7の端子電圧■4が、ダイオードD 4 、
D 5の順方向電圧VF4.VF5とトランジスタQ3
のベース・エミッタ間飽和電圧VBE(S)3の総和よ
り低くなると、該トランジスタQ3のベース電流はカッ
ト・オフされる。
そこで、駆動用トランジスタQ3はすぐにターン・オフ
しないで、該トランジスタQ3のストレージ時間によっ
ておくれる。
第4図に各部の動作波形を示す。
横軸は時刻tである。
トランジスタQ3が同図Cに示すように、時刻t。
でターン・オフすると、その立ち上り時間は抵抗R3,
R4とトランジスタQ3のコレクタ・エミッタ間静電容
量等の時定数で決まることになる。
そして、トランジスタQ3のコレクタ電圧■7の値がツ
ェナーダイオードZD1のツェナー電圧とトランジスタ
Q4のベース・エミッタ間飽和電圧VBE(S)4の和
より高くなると、トランジスタQ4がカット・オフとな
る。
そうするとトランジスタQ4のコレクタ電圧V5は同図
Bに示す如く、急速に減少する。
また、抵抗RIOの端子電圧■6は同図りに示す如く、
抵抗RIO,コンデンサC2の時定数で減少する。
一方、スイッチングトランジスタQ1は、トランジスタ
Q3のターン・オフによって時刻t1でカット・オフと
なる。
その出力電圧V2の波形は、同図Aの如くである。
ところで、コンデンサC2の放電による、端子電圧■6
の低下によって、トランジスタQ5のベース電流はカッ
ト・オフとなるために、同図Eに示す如くトランジスタ
Q5のコレクタ電圧v4は立ち上る。
そして、時刻t2で該コレクタ電圧■4がダイオードD
4.D5の順方向電圧VF4.VF5とトランジスタQ
3のベース・エミッタ間飽和電圧VBE(S)3の総和
イより、高くなるとトランジスタQ3はスイッチ・オン
し、トランジスタQ2.Q1およびQ4をスイッチ・オ
ンさせる。
トランジスタQ4のスイッチ・オンにより、コンテ゛ン
サC2には、抵抗R9゜RIOとコンテ゛ンサC2の時
定数で充電電流が流れ、抵抗RIOの端子電圧■6は上
昇してくる。
時刻t3で端子電圧■6がダイオードD2.D3の順方
向電圧VF2.VF3とトランジスタQ5のベース・エ
ミッタ間飽和電圧VBE(S)5の総和を超えると、同
図りに示す如く、電圧■6はその電圧にクランプされト
ランジスタQ5が導通状態となる。
その結果、抵抗R7の端子電圧V4は、急速に減少し、
トランジスタQ3の動作電圧レベル(同図Eのイ)より
も低下すると、トランジスタQ3のベース電流はカット
・オフとなる。
そして、トランジスタQ3のストレージ時間によるおく
れで、トランジスタQ3は時刻t4でターン・オフとな
り、再び時刻t。
の状態に戻ることにより発振状態を繰り返えすことにな
る。
その後、時刻t5では、トランジスタQ1がカット・オ
フとなる。
すなわち、パルス電圧発生回路3の発振によって、トラ
ンジスタQ5のコレクタにパルス電圧■4が生し、この
電圧■4によりスイッチング回路2か、周期’r(t1
〜ts)導通期間で(t3〜t5)のスイッチングをす
る。
そして、この出力電圧■2を平滑回路4に入力すると、
その平均化された出力電圧■3は、 V3=V2X− となる。
一度スイツチング回路2がスイッチングを開始すると、
スイッチングトランジスタQ1の休止期間は、トランジ
スタQ3がターン・オフし、トランジスタQ3がスイッ
チ・オンする期間にほぼ比例する。
またスイッチングトランジスタQ1の導通期間τは、ト
ランジスタQ5のコレクタ電圧■4の振幅の大きさとト
ランジスタQ3をバイアスする期間、すなわち、抵抗R
9,RIO,コンデンサC2の充電時定数、クランプ電
圧の値、およびトランジスタQ3のストレージ時間によ
り決まる。
入力交流電圧Eが大きくなり、整流回路1の出力電圧■
1がパルス電圧発生回路3の発振開始電圧■よりJVだ
け増加したときの動作状態の変化について、第5図に基
づき説明する。
同図において実線は整流出力電圧v1が発振開始電圧■
に等しい場合(■1−■)、破線は整流出力電圧v1が
発振開始電圧■よすJ V増加した場合(V、=V−+
−J■)の動作波形である。
なお、同図Hのイは、トランジスタQ3がスイッチ・オ
ンする電圧レベルを示す。
また、同図において、FはトランジスタQ3のコレクタ
電圧■7の波形、Gは充放電回路の端子電圧V6の波形
、HはトランジスタQ5のコレクタ電圧■4の波形、■
はスイッチング部の出力■2の電圧波形である。
発振開始電圧■では、トランジスタQ5のベース・バイ
アス量は比較的少なく設定しであるために、トランジス
タQ5のコレクタ電流が少なくコレクタ電圧■4の値は
高い状態にある。
ところで、時刻t。
でトランジスタQ3がターン・オフし、順次トランジス
タQ4がターン・オフし、そしてスイッチングトランジ
スタQ1か゛カット・オフとなるとすると、トランジス
タQ4のターン・オフによって、コンデンサC2の電荷
が放電し、端子電圧■6の低下によってトランジスタQ
5のベース・電流がカット・オフされるため、該トラン
ジスタQ5はターン・オフする。
そして、このコレクタ電圧v4の電圧が立ち上り、レベ
ルイになるまでの期間t2は同図Hに示す如く短い。
また、時刻t2でトランジスタQ3゜Ql、及びQ4は
スイッチ・オンするがI・ランジスタQ3のバイアス電
圧V4は高いため、該トランジスタQ3のバイアス量が
増える。
そして、その後、トランジスタQ5がスイッチ・オンし
、トランジスタQ3のベース・バイアスをカット・オフ
しても、トランジスタQ3のストレージ時間は必然的に
長くなり、トランジスタQ3のターン・オフがおくれる
ことになり、スイッチングトランジスタQ1の導通期間
で1も同様に長く、時刻t5でカット・オフとなる。
すなわち、トランジスタQ1の休止期間が短く、導通期
間τ1が長いため、τ1/T1の値も大きいので、平均
化された出力電圧■3はあまり減少しない。
次に、整流出力電圧v1が増大し、V+JVになったと
すると、それに比例してトランジスタQ4のベース電流
も増加するとともに、トランジスタQ4のコレクタ電圧
■5も増加し、トランジスタQ5のベース電流が増え、
そのために、トランジスタQ5のコレクタ電流が増える
ことで、そのコレクタ電圧■4が減少する。
同図においての時刻t。でトランジスタQ3がターン・
オフすると、トランジスタQ4もターン・オフするので
、コンテ゛ンサC2が放電し、電圧■6が低下するため
に、トランジスタQ5はターン・オフとなるがトランジ
スタQ5のコレクタ電圧■4の値が低いため、同図Hに
示す如く、トランジスタQ5のコレクタ電圧v4が立ち
上り、トランジスタQ3のスイッチ・オンするレベルイ
になるまでの時間t2′が長くなる。
そして、そのためスイッチングトランジスタQ1の休止
期間も長くなる。
時刻t2′でトランジスタQ3がスイッチ・オンするが
、hランジスタQ5のコレクタ電圧■4の値が低いため
にトランジスタQ3のバイアス量も少なく、ベース領域
での蓄積電荷が少ない。
そしてトランジスタQ3がスイッチ・オンすると前述と
同様にトランジスタQ4.Q1がスイッチ・オンし、そ
の後、トランジスタQ5が導通し、トランジスタQ3の
ベース・バイアスをカット・オフすることになる。
しかし、トランジスタQ3のバイアス量が少ないため、
必然的にストレージ時間が短くなり、該トランジスタQ
3が早くターン・オフすることで、スイッチングトラン
ジスタQ1の導通期間τ1′も短くなり、時間t5′で
゛トランジスタQ工はカット・オフとなる。
すなわち、トランジスタQ1の休止期間が長く、導通期
間τ2が短くなるので、τ2/T2の値が小さくなり、
出力電圧■3はJVの入力電圧の増加をより打ち消す方
向となる。
また発振周期もT1からT2と変化する。
第6図に入力交流電圧Eとパルス電圧v4の平均値及び
出力電圧v3の関係を示した。
入力電圧Eの増加とともに電圧v4の値が低下し、出力
電圧■3は安定化していることがわかる。
また、この装置の電気特性を第7図に示した。
このようにして出力電圧■3を検出し、帰還しなくとも
、出力電圧の安定化を図ることができるのである。
即ち、上記のように入力電圧Eがある電圧になると、パ
ルス電圧発生回路3の抵抗R9,RIOとコンデンサC
2の充放電時定数によってトランジスタQ5で作られる
パルス電圧v4でレベルシフトダイオードを介してトラ
ンジスタQ3を駆動し、トランジスタQ4に正帰還する
とともに、トランジスタQ3のストレージ時間を利用し
たオン・オフの時間おくれでもって、パルス電圧発生回
路3を発振させると同時に、スイッチング回路2をスイ
ッチングさせる。
また、入力電圧Eの増加に伴い、[・ランジスタQ5の
コレクタ電圧が増加するのを利用し、トランジスタQ3
のバイアス回路にかかるパルス電圧を、自ら調整し、ス
イッチング回路2のトランジスタQ1の導通期間を調整
して、出力電圧V3の安定化を計っているのである。
本考案は、上記のように構成された自励型スイッチング
レギュレータ直流電源装置であるから出力電圧■3を検
出する誤差増幅回路と、その出力信号を帰還する回路が
なくとも、パルス電圧発生回路の発振開始入力電圧以上
の電圧において、効率よく入力電圧の変動に対して、出
力電圧V3の安定化を図ることができ、しかも抵抗R9
,RIOとコンテ゛ンサC2の時定数とレベルシフト用
ツェナーダイオードZDIの値及びトランジスタの特性
を適当に選ぶことにより、図7に示す如く良い特性を示
す。
出力電圧■3のリップルを1/10〜1/20程度に抑
圧できるなど、極めて良好な特性を呈しうるちのである
また、本考案に係る装置は、回路が簡単でありながらも
、数%以下という良い安定度があるため、特に多重出力
を有するDC−DCコンバータの入力電源の安定化に使
用するが、比較的負荷変動の少ない、ICメモリーのバ
ック・アップ電源のDC−DCコンバータ等の入力電源
の安定化に使用すると、価格的にも有利である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のスイッチングレギュレータ直流電源の回
路図、第2図は本考案に係る自励型スイッチングレギュ
レータ直流電源の一実施例の回路図、第3図は第2図の
一部分の他の実施例を示す回路図、第4図は第3図の回
路の各部の動作波形説明図、第5図は入力電圧がlV変
動した場合の動作波形説明図、第6図は入力電圧とトラ
ンジスタQ5のコレクタ電圧V4の平均値の関係を示す
図、第7図は入力電圧と効率、出力電圧、出力電力の関
係を示す図である。 1・・・・・・整流回路、2・・・・・・スイッチング
回路、3・・・・・・パルス電圧発生回路、4・・・・
・・平滑回路、5・・・・・・DC−DCコンバータ。

Claims (1)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 交流入力を整流する整流回路と、その整流出力を断続制
    御するスイッチング部と、得られたスイッチング出力を
    平滑化する平滑回路とを直列接続してなるスイッチング
    直流電源装置において、スイッチング部をスイッチング
    駆動する駆動用トランジスタと、該駆動用トランジスタ
    のバイアス回路と、前記整流回路の出力端に接続される
    パルス電圧発生回路とを備え、該パルス電圧発生回路は
    、前記駆動用トランジスタのオン・オフによF)オン・
    オフされるスイッチ回路と、該スイッチ回路に直列に接
    続される時定数をもつ充放電回路と、該充放電回路に接
    続され、その端子電圧でオン・オフ及びベース電流が制
    御されるトランジスタ回路を有し、該トランジスタ回路
    のトランジスタのコレクタ電圧を前記駆動用トランジス
    タのベース回路に印加してそのベース電流を制御するよ
    う構成され、前記充放電回路の時定数と前記トランジス
    タ回路による駆動用トランジスタのストレージ時間の変
    化によりスイッチング部のオン・オフ時間を制御するこ
    とを特徴とする自励型スイッチングレギュレータ直流電
    源装置。
JP6526578U 1978-05-16 1978-05-16 自励型スイツチングレギユレ−タ直流電源装置 Expired JPS5838797Y2 (ja)

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