JP4190795B2 - 電源回路 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源回路に関し、特に、入力段に力率改善コンバータを搭載し、その後段にDC−DCコンバータを縦列に接続して、必要な直流出力電圧を得るツーコンバータ方式の電源回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の電源回路においては、図4に示すように、入力段に第一のコンバータ(力率改善コンバータ(PFC:Power Factor Controller))10を搭載し、その後段に第二のコンバータ(DC−DCコンバータ)20を縦列に接続する構成によって必要な直流出力電圧を得るツーコンバータ方式の力率改善型電源回路(力率改善型AC−DC電源回路)を採用したものがある。
【0003】
ここで、第一のコンバータ(力率改善コンバータ(PFC))10は、非絶縁型の昇圧チョッパ(図示せず)を用いて力率を改善しつつ、入力電圧を最大波高値より高い電圧に昇圧して、直流出力電圧を生成する。
この生成される直流出力電圧の電圧値は、PFC制御IC15において設定されており、このPFC制御IC15は、交流入力電圧及び負荷電流に左右されずに、直流出力電圧を設定電圧まで昇圧する制御を行っている。
なお、PFC回路を有する電源装置の例としては、特開昭53−5755号公報に電源回路として開示されている。
【0004】
また、第二のコンバータ(DC−DCコンバータ)20は、スイッチング素子(トランジスタ21及び23)でスイッチングされた直流出力電圧をトランス28の一次側へ供給し、このトランス28の二次側出力を整流平滑回路(平滑用コンデンサ30)で再び直流に変換して、負荷60に供給する。この第二のコンバータ(DC−DCコンバータ)20には、RCC方式が採用されることが多い。
これらのような構成により、力率改善型電源回路は、一定値を示す安定した直流出力電圧を、負荷に供給することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のツーコンバータ方式の電源回路においては、それら第一及び第二のコンバータが、それぞれ独立して起動/停止を行なっていた。
このため、たとえば、第一のコンバータ(力率改善コンバータ(PFC))が何らかの原因で停止した場合は、この第一のコンバータの出力が、コンデンサインプットによる平滑された電圧となり、第二のコンバータ(DC−DCコンバータ)の入力電圧にもなっていた。つまり、第一のコンバータでは力率改善が行われないものの、第二のコンバータでは、第一のコンバータからの電圧を受けながら動作し続けていた。
【0006】
そして、この場合の第二のコンバータにおいては、入力電流が高調波電流となるため、無効電力が増加して、入力コンデンサへの負担が増大するといった事態が起こり、その結果、入力コンデンサの破損や、入力電源線の焼損等が起こる可能性があった。
また、同じAC入力源に接続されている他の機器に対しては、電圧変動を生じさせるなどの悪影響を及ぼすこともあった。
【0007】
さらに、この場合の第二のコンバータにおける入力電圧は、通常時の第一のコンバータで昇圧される電圧よりも低くなるため、第二のコンバータを設計するにあたっては、低入力電圧でも動作可能なワイドレンジの設計が必要となっていた。
このことは、第二のコンバータひいては電源回路の小型化や低コスト化の妨げともなっていた。
【0008】
加えて、第二のコンバータがRCC方式のコンバータの場合は、入力電圧の低下にともなって発振周波数も低下するため、トランスの飽和を招き、電源の破損する危険性が高まることから、注意を要していた。
また、力率改善型電源回路の起動時において、第二のコンバータが第一のコンバータより先に起動した場合や、第一のコンバータ出力が安定出力になる前に第二のコンバータが起動した場合についても、上記と同様の障害が発生する可能性があった。
【0009】
さらに、近年、電力設備などに悪影響を与える高調波電流の規制が強まってきている。そして、力率改善型電源回路においては、無効電力の低減による省電力化が求められてきている。
こうした中、従来の力率改善型電源回路に用いられる各コンバータを、それぞれ独立させる場合は、起動及び停止方法に充分に考慮して設計しなければならなかった。
【0010】
本発明は、上記の事情にかんがみなされたものであり、第一及び第二のコンバータがそれぞれ独立して起動/停止していたことによる弊害を防止し、安全に各コンバータの起動/停止ができるような回路動作制御を、簡易かつシンプルな構成で可能とする電源回路の提供を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明の請求項1記載の電源回路は、第一及び第二のコンバータを有した電源回路であって、第一のコンバータが動作していることを検出する動作検出回路と、この動作検出回路からの検出信号にもとづいて、第二のコンバータを起動又は停止させる連動制御回路とを有し、第二のコンバータが、RCC方式を採用するとともに、トランスの帰還巻線に接続されてスイッチング動作を行うスイッチング素子を有し、連動制御回路が、動作検出回路からの検出信号を検出する抵抗と、この抵抗で検出信号が検出されるとONとなり、検出されないときはOFFとなる第一のトランジスタと、この第一のトランジスタがONになるとスイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、OFFになるとスイッチング素子のスイッチング動作を停止させる第二のトランジスタとを有した構成としてある。
【0012】
電源回路をこのような構成とすると、第一のコンバータの起動又は停止にもとづいて、第二のコンバータを起動又は停止することができるため、それら第一及び第二のコンバータが、それぞれ独立して起動/停止を行うときに生じていた弊害を防止できる。
たとえば、第一のコンバータが何らかの原因で動作停止した場合に、この第一のコンバータでコンデンサインプットにより平滑された電圧が、第二のコンバータで入力されることで、第一のコンバータにおける力率改善がなされないまま、第二のコンバータが動作するという弊害を防止できる。
【0013】
さらに、第一のコンバータの停止時における第二のコンバータの入力電流が高調波電流となることで、無効電力が増加し、入力コンデンサへの負担が増大するといった欠点を解消できる。そして、その結果、入力コンデンサの破損、入力電源線の焼損等の発生を回避できる。
また、同じ入力源に接続されている機器の電圧変動を防止して、悪影響をなくすことができる。
【0014】
加えて、第一のコンバータが停止すると第二のコンバータも停止するため、この第二のコンバータの入力電圧が第一のコンバータで昇圧される電圧よりも低くなることを考慮して、第二のコンバータをワイドレンジの設計にする必要がなくなる。したがって、第二のコンバータひいては電源回路の小型化・低コストが可能となる。
さらに、第二のコンバータの入力電圧及び発振周波数の低下が回避されるため、その第二のコンバータがRCC方式のコンバータの場合においても、トランスの飽和が起きず、電源が破損する危険性を抑止することができる。
【0015】
そして、第一のコンバータの起動又は停止と、第二のコンバータの起動又は停止との同期がとられるため、第二のコンバータが第一のコンバータより先に起動した場合や、第一のコンバータ出力が安定出力になる前に第二のコンバータが起動した場合に生じる障害についても、その発生をくい止めることができる。
【0016】
さらに、近年の電力設備などにおける高調波電流の規制に対処でき、また、無効電力の低減による省電力化も実現できる。
そして、電源回路に用いられる各コンバータについては、それぞれ起動及び停止方法を考慮して複雑化しなくても、簡易な回路構成で設計することができる。
【0017】
また、連動制御回路が、第二のコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、第一のコンバータの起動/停止と連動させて第二のコンバータを起動/停止することができる。したがって、第一及び第二のコンバータがそれぞれ独立して起動/停止していたことによる弊害を防止できる。
【0018】
また、請求項2記載の電源回路は、第一のコンバータが、力率改善コンバータからなる構成としてある。
電源回路をこのような構成とすれば、第一のコンバータが力率改善コンバータで構成されている場合であっても、この第一のコンバータが動作していることを検出し、この検出にもとづいて、第二のコンバータを起動/停止することができる。このため、第一及び第二のコンバータがそれぞれ独立して起動/停止を行うことで生じる弊害を防止できる。
【0019】
また、請求項3記載の電源回路は、第一のコンバータが、昇圧チョークコイル用の補助巻線を有し、動作検出回路が、補助巻線からの交流電圧を保持するコンデンサと、交流電圧を直流電圧に整流し、この直流電圧を検出信号として出力するダイオードとを有した構成としてある。
電源回路をこのような構成とすると、第一のコンバータが動作しているときに発生する、昇圧チョークコイルの補助巻線からの交流電圧を、動作検出回路において検出することができる。
【0020】
つまり、動作検出回路は、昇圧チョークコイルの補助巻線からの交流電圧を検出することで、第一のコンバータが動作していることを捉えることができる。
このため、動作検出回路からの検出信号にもとづいて、第二のコンバータを起動/停止することで、第一及び第二のコンバータがそれぞれ独立して起動/停止を行うことで生じる弊害を防止できる。
【0021】
また、請求項4記載の電源回路は、動作検出回路が、ツェナーダイオードからなり、第一のコンバータからの直流出力電圧がツェナーダイオードのツェナー電圧を超過すると、ツェナーダイオードが、検出信号を出力する構成としてある。
電源回路をこのような構成とすれば、動作検出回路として設けられたツェナーダイオードは、第一のコンバータからの直流出力電圧がツェナー電圧よりも高い値を示すときに、出力電流を検出信号として出力することができる。
【0022】
このため、ツェナーダイオードで構成される動作検出回路は、第一のコンバータから出力される直流出力電圧を検出することで、第一のコンバータが動作しているか否かを捉えることができる。
そして、この動作検出回路からの検出信号にもとづき、第二のコンバータの起動/停止を連動制御することで、第一及び第二のコンバータがそれぞれ独立して起動/停止していたことによる弊害を防止できる。
【0023】
また、請求項5記載の電源回路は、スイッチング素子が、トランジスタからなる構成としてある。
電源回路をこのような構成とすれば、スイッチング素子として設けられたトランジスタにより、第二のコンバータを起動/停止することができる。
したがって、この場合においても、第一及び第二のコンバータがそれぞれ独立して起動/停止していたことによる弊害を防止できる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
[第一実施形態]
まず、本発明の電源回路の第一の実施形態について、図1を参照して説明する。
同図は、本実施形態の電源回路の構成を示す回路構成図である。
【0025】
同図に示すように、電源回路1は、第一のコンバータ(力率改善コンバータ(PFC))10と、第二のコンバータ(DC−DCコンバータ)20と、AC入力源40と、ブリッジ整流ダイオード50と、負荷60と、動作検出回路70と、連動制御回路80とを有している。
ここで、第一のコンバータ(力率改善コンバータ(PFC))10(以下、単に、第一のコンバータ10という)は、ブリッジ整流ダイオード50からの直流入力電圧を昇圧し、直流出力電圧として第二のコンバータ(DC−DCコンバータ)20(以下、単に、第二のコンバータ20という)へ送る。
【0026】
また、第一のコンバータ10は、コンデンサ11と、昇圧チョークコイル12と、昇圧チョークコイル用補助巻線13と、抵抗14と、PFC制御IC15と、トランジスタ16と、ダイオード17と、平滑用コンデンサ18とを有している。
さらに、第一のコンバータ10は、非絶縁型の昇圧チョッパ(図示せず)を用いて力率の改善を図っている。
【0027】
PFC制御IC15は、AC入力源40からの交流入力電圧を、この交流入力電圧の最大波高値より高い電圧(設定電圧)まで昇圧して、直流出力電圧を生成する制御を行う。
また、PFC制御IC15は、ゼロ電流検出回路(図示せず)を有している。
【0028】
ゼロ電流検出回路とは、昇圧チョークコイル用補助巻線13からの交流電圧にもとづいて、昇圧チョークコイル12の電流がゼロになったことを検出する回路をいう。このゼロ電流検出回路は、第一のコンバータ10が、自励発振を応用した臨界モードでスイッチング動作を行っていることから必要とされる。
【0029】
第二のコンバータ20は、トランジスタ21と、抵抗(起動抵抗)22と、トランジスタ23と、コンデンサ24と、抵抗25と、コンデンサ26と、抵抗27と、トランス28と、トランジスタ29と、平滑用コンデンサ30とを有している。
この第二のコンバータ20は、第一のコンバータ10からの直流出力電圧を必要な電圧に変換して、負荷60に供給する。この第二のコンバータ20には、RCC方式を採用することができる。
【0030】
ところで、平滑用コンデンサ18は、第一のコンバータ10の平滑用であり、生成された直流出力電圧は、第二のコンバータ20の入力源となる。したがって、第二のコンバータ20の入力平滑用コンデンサでもある。
また、平滑用コンデンサ30は、トランス28の二次側電圧を平滑化し、直流出力電圧として負荷60へ供給する。
【0031】
出力保持時間は、これら平滑用コンデンサ18,30の容量による放電時間及び、出力負荷電流に大きく左右される。
この出力保持時間は、一般的に、平滑用コンデンサ30の放電時間よりは、負荷60に印加される出力電圧に比べ数倍に昇圧した高い電圧を平滑している平滑用コンデンサ18の放電時間が支配的で、このコンデンサの容量で必要な出力保持時間が確保されるように設定される。通常、要求される規格として定格負荷状態で20ms以上であるが、要求を満足するために平滑用コンデンサ18の容量は、充分に大きな値となる。
【0032】
ところが、無負荷状態で停止した場合は、平滑用コンデンサ18に充電された電荷の放電が緩やかなため、AC入力源40をOFFにしても、第二のコンバータ20が長い間動作し続け、出力電圧が保持された状態が長く続き、コンデンサ容量によっては数十秒となることがある。
【0033】
つまり、入力スイッチをOFFにしても出力電圧が長い間発生するため、安全性の面から取扱いに注意が必要となる。
そこで、動作検出回路70及び連動制御回路80を設けることにより、これら回路で使用しているコンデンサ71及びコンデンサ83の容量で、第一のコンバータ10及び第二のコンバータ20の起動時間及び停止時間を任意に設定できる。すなわち、出力保持時間の調整が可能かつ容易となる。したがって、軽負荷においても任意の時間に第二のコンバータ20を停止させることが可能となり、取扱いの安全性を高めることができる。
【0034】
AC入力源40には、交流の商用電源を用いることができる。
ブリッジ整流ダイオード50は、AC入力源40からの交流電圧を整流して、第一のコンバータ10へ供給する。
なお、本発明において整流とは、交流を直流に変換することをいい、これら交流及び直流には、電流及び電圧が含まれるものとする。
【0035】
動作検出回路70は、コンデンサ71と、整流用ダイオード72とを有している。
コンデンサ71は、昇圧チョークコイル12の補助巻線13で発生した交流電圧を保持する。
整流用ダイオード72は、補助巻線13に発生した交流電圧を整流する。この整流により得られた直流電圧は、連動制御回路80で検出される。
【0036】
連動制御回路80は、抵抗81及び82と、コンデンサ83と、トランジスタ84及び85と、抵抗86及び87とを有している。
抵抗(動作検出回路接続抵抗)81は、動作検出回路70と接続されており、抵抗81及び82は、動作検出回路70の整流用ダイオード72で整流された電圧(直流電圧)を検出する。
コンデンサ83は、抵抗81及び82で検出された直流電圧を保持する。
【0037】
トランジスタ84は、抵抗81及び82で直流電圧が検出されるとONとなり、検出されないとOFFとなる。
このトランジスタ84がON/OFF動作することで、第二のコンバータ20は、第一のコンバータ10の動作に同期して起動及び停止することが可能となる。
【0038】
トランジスタ85は、トランジスタ84がONになるとOFFとなる。このとき、トランジスタ21のゲートには、起動抵抗22を介して起動電圧が発生するため、第二のコンバータ20は、スイッチング動作を開始する。
一方、トランジスタ85は、トランジスタ84がOFFになるとONとなる。このとき、トランジスタ21のゲートには、起動電圧が発生しないため、第二のコンバータ20は、スイッチング動作を停止する。
【0039】
電源回路をこのような構成とすることで、昇圧チョークコイルの補助巻線における交流電圧の発生/停止にもとづいて、第二のコンバータを起動/停止させることができる。。
つまり、本実施形態によれば、第一及び第二のコンバータにおける起動/停止をそれぞれ連動させて動作させることができるため、負荷への直流出力電圧を、簡易な回路構成で、安全に供給することができる。
【0040】
次に、本実施形態の電源回路の動作について、図1及び図2を参照して説明する。
図2は、本実施形態の電源回路の昇圧チョークコイル用補助巻線で発生する交流電圧の変化を示すグラフである。
【0041】
第一のコンバータ10が動作している場合、昇圧チョークコイル12の補助巻線13においては、図2(a)に示すような交流電圧が発生する。
この交流電圧が動作検出回路70で検出され、整流用ダイオード72で整流され、この得られた直流電圧が、連動制御回路80の抵抗81と抵抗82で検出される。
【0042】
抵抗81及び82における直流電圧の検出にもとづいて、トランジスタ84がONになって、トランジスタ85がOFFとなる。
そうすると、トランジスタ21のゲートには、起動抵抗22を介して起動電圧が発生し、第二のコンバータ20は、スイッチング動作を開始して起動する。
【0043】
一方、第一のコンバータ10が停止した場合、補助巻線13においては、図2(b)に示すように、交流電圧が発生しない。
このため、動作検出回路70では、補助巻線13における交流電圧を検出することができないため、検出信号は出力されない。
【0044】
そして、連動制御回路80の抵抗81及び82においても、検出信号が検出されないことから、トランジスタ84はOFFとなって、トランジスタ21がONとなる。
すると、トランジスタ21はOFFとなって、第二のコンバータ20は、スイッチング動作を停止する。
【0045】
なお、トランジスタ84のゲート・ソース間に設けられた時定数用のコンデンサ83及びコンデンサ71の容量を変えることにより、起動時間及び停止時間を任意に設定できる。
すなわち、出力保持時間の調整が可能かつ容易となる。
【0046】
[第二実施形態]
次に、本発明の電源回路の第二の実施形態について、図3を参照して説明する。
同図は、本実施形態の電源回路の構成を示す回路構成図である。
本実施形態は、第一実施形態と比較して、動作検出回路の構成及び検出対象が相違する。すなわち、第一実施形態では、動作検出回路に整流用ダイオード及びコンデンサを用い、補助巻線で発生した交流電圧を検出対象としたのに対し、本実施形態では、動作検出回路にツェナーダイオードを用い、第一のコンバータからの直流出力電圧を検出対象とする点で異なる。他の構成要素は第一実施形態と同様である。
したがって、図3において、図1と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【0047】
図3に示すように、電源回路1は、第一のコンバータ10と、第二のコンバータ20と、AC入力源40と、ブリッジ整流ダイオード50と、負荷60と、動作検出回路70と、連動制御回路80とを有している。
ここで、動作検出回路70は、ツェナーダイオード73を有している。
ツェナーダイオード73は、第一のコンバータ10からの直流出力電圧がツェナー電圧を超過したときに、直流電流(検出信号)を出力する。また、ツェナーダイオード73は、第一のコンバータ10からの直流出力電圧がツェナー電圧を超過していないときは、直流電流(検出信号)を出力しない。
【0048】
連動制御回路80は、抵抗81及び82と、コンデンサ83と、トランジスタ84及び85と、抵抗86及び87とを有している。
抵抗(動作検出回路接続抵抗)81は、ツェナーダイオード73と接続されており、この抵抗81には、動作検出回路70(ツェナーダイオード73)からの検出信号(直流電流)が流れる。
【0049】
トランジスタ84は、抵抗81に直流電流が流れる(検出信号が検出される)ことにより、ONとなる。
また、トランジスタ84は、抵抗81に直流電流が流れていない(検出信号が検出されていない)ときには、OFFとなる。
【0050】
トランジスタ85は、トランジスタ84がONになると、OFFとなる。このとき、トランジスタ21のゲートには、起動抵抗22を介して起動電圧が発生するため、第二のコンバータ20は、スイッチング動作を開始する。
一方、トランジスタ85は、トランジスタ84がOFFになると、ONとなる。このとき、トランジスタ21のゲートには、起動電圧が発生しないため、第二のコンバータ20は、スイッチング動作を停止する。
【0051】
電源回路をこのような構成とすることで、第一実施形態における電源回路に比べ、より簡易な回路構成で、第一及び第二のコンバータのそれぞれの起動/停止動作を連動させることができる。
また、本実施形態の構成は、昇圧コイルの補助巻線を必要としないため、連続モードで動作するPFC回路など、あらゆるPFC回路においても応用可能である。
【0052】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、簡易な回路構成で、第一のコンデンサ(力率改善コンバータ(PFC))と、第二のコンバータ(DC−DCコンバータ)との起動/停止を同期させることができる。
このため、第一及び第二のコンバータがそれぞれ独立して起動/停止を行うことで生じていた弊害を防止することができる。さらに、直流出力電圧を、安全に負荷へ供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施形態の電源回路についての構成を示す回路構成図である。
【図2】昇圧チョークコイルの補助巻線で発生する交流電圧の変化を示すグラフである。
【図3】本発明の第二実施形態の電源回路についての構成を示す回路構成図である。
【図4】従来の電源回路の構成を示す回路構成図である。
【符号の説明】
1 電源回路
10 第一のコンバータ(力率改善コンバータ(PFC))
11 コンデンサ
12 昇圧チョークコイル
13 昇圧チョークコイル用補助巻線
14 抵抗
15 PFC制御IC
16 トランジスタ
17 ダイオード
18 平滑用コンデンサ
20 第二のコンバータ(DC−DCコンバータ)
21 トランジスタ
22 抵抗(起動抵抗)
23 トランジスタ
24 コンデンサ
25 抵抗
26 コンデンサ
27 抵抗
28 トランス
29 トランジスタ
30 平滑用コンデンサ
40 AC入力源
50 ブリッジ整流ダイオード
60 負荷
70 動作検出回路
71 コンデンサ
72 整流用ダイオード
73 ツェナーダイオード
80 連動制御回路
81 抵抗(動作検出回路接続抵抗)
82 抵抗
83 コンデンサ
84 トランジスタ
85 トランジスタ
86 抵抗
87 抵抗

Claims (5)

  1. 第一及び第二のコンバータを有した電源回路であって、
    前記第一のコンバータが動作していることを検出する動作検出回路と、
    この動作検出回路からの検出信号にもとづいて、前記第二のコンバータを起動又は停止させる連動制御回路とを有し
    前記第二のコンバータが、RCC方式を採用するとともに、トランスの帰還巻線に接続されてスイッチング動作を行うスイッチング素子を有し、
    前記連動制御回路が、
    前記動作検出回路からの検出信号を検出する抵抗と、
    この抵抗で前記検出信号が検出されるとONとなり、検出されないときはOFFとなる第一のトランジスタと、
    この第一のトランジスタがONになると前記スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、OFFになると前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる第二のトランジスタとを有した
    ことを特徴とする電源回路。
  2. 前記第一のコンバータが、力率改善コンバータからなる
    ことを特徴とする請求項1記載の電源回路。
  3. 前記第一のコンバータが、昇圧チョークコイル用の補助巻線を有し、
    前記動作検出回路が、
    前記補助巻線からの交流電圧を保持するコンデンサと、
    前記交流電圧を直流電圧に整流し、この直流電圧を前記検出信号として出力するダイオードとを有した
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の電源回路。
  4. 前記動作検出回路が、ツェナーダイオードからなり、
    前記第一のコンバータからの直流出力電圧が前記ツェナーダイオードのツェナー電圧を超過すると、前記ツェナーダイオードが、前記検出信号を出力する
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の電源回路。
  5. 前記スイッチング素子が、トランジスタからなる
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電源回路。
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