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JP2008199731A - 電源装置 - Google Patents

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JP2008199731A
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Hiroki Watanabe
宏樹 渡辺
Shigeji Yamashita
茂治 山下
Toru Okuma
徹 大熊
Kazuomi Watanabe
和臣 渡辺
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Fujitsu Telecom Networks Ltd
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Abstract

【課題】スイッチング負荷に動作電力を供給する電源装置に関し、電源装置と並列的に接続された照明機器のフリッカを防止する。
【解決手段】スイッチング負荷20に電力を供給する電源装置1であって、交流電圧を整流する整流回路2と、この整流回路2の整流出力電圧をスイッチング制御により第1のコンデンサC1に充電する第1のブーストコンバータ6と、整流回路2の整流出力電圧をスイッチング制御により第2のコンデンサC2に充電する第2のブーストコンバータ3と、第1のコンデンサC1の充電電圧をスイッチング負荷20に供給する直流電圧となるように制御するDC/DCコンバータ5とを含み、第2のブーストコンバータ3は、スイッチング負荷20の動作オフ期間に第2のコンデンサC2を充電した充電電荷を、スイッチング負荷20の動作オン期間にDC/DCコンバータ5に入力する放電回路を備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、間欠的に大電流を必要とする負荷による電源電圧変動を抑圧するスイッチング制御手段を含む電源装置に関する。
商用交流電源から電力を供給する配電線には、照明機器と共に各種の機器が接続されている。この各種の機器に於いては、断続的に大きな電流が流れる特性の機器も含まれる。例えば、図8に示すように、配電線に、断続する比較的大きな電流を必要とするスイッチング負荷101と、電球や蛍光灯等の照明機器102とが接続され、スイッチング負荷101がON,OFF動作を繰り返すと、配電線に流れる電流もそれに対応して変動するから、配電線のインピーダンスによる電圧降下が変動する。それにより、照明機器102に対する印加電圧も変動する。スイッチング負荷101として、例えば、ページプリンタは、転写,定着時に、大きな電力を必要とし、この状態が紙送り毎に行われ、プリント速度に対応した周期で、電流のオン,オフが繰り返される。
図9は、3相交流電圧を全波整流した前述のスイッチング負荷101に対して入力電圧と、全波整流前の交流電源側の電流と、スイッチング負荷101の休止及び動作の状態とを示し、スイッチング負荷101の動作状態に於ける交流入力電流は、全波整流電圧が所定値以上のタイミングに於いて流れることになり、又休止状態に於ける交流入力電流は殆ど零となる。従って、スイッチング負荷101及び照明機器102の入力電圧は、スイッチング負荷101の休止状態に於いて上昇する。このような電圧変動が、スイッチング負荷101の動作と休止との繰り返しにより発生し、蛍光灯等の照明機器102に対する入力電圧の変動により、照明のちらつき(フリッカ)が発生する。
この照明のちらつきに対する規制が行われようとしている。例えば、IEC(International Electrotechnical Commission;国際電気標準会議)1000−3−3及びIEC1000−3−11によるフリッカ規格が知られている。
又プリンタ装置は、複写したトナー像を用紙に転写して加熱により定着させる構成が一般的であり、その場合の定着処理をフラッシュランプの発光による熱によって行う構成も知られている。その場合のフラッシュランプは放電発光するものであり、そのフラッシュランプの放電電流を、予め充電しているコンデンサから供給する構成が適用されている。その場合のコンデンサに対して、直流電圧で充電する為の電源装置が必要であり、商用交流電源からの交流電圧を整流し、所定値の直流電圧となるようにスイッチング制御して、コンデンサを充電する構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。
又スイッチング負荷にコンデンサの充電電圧を印加し、そのコンデンサを電源装置から充電する場合、スイッチング負荷の休止期間ではコンデンサの放電が行われないので、電源装置から供給する電流は僅かなものとなり、又スイッチング負荷の動作期間では、コンデンサの放電が周期的に行われることになり、電源装置からコンデンサの充電電流が供給される。その為に、前述の図9に示すように、スイッチング負荷の休止期間と動作期間とに於ける入力電圧の変動が発生し、同一の交流電源に接続されている照明機器のちらつき発生原因となるから、スイッチング負荷の休止期間にも電源装置に交流電源からの電流が流れる制御構成を設けることにより、交流電源側の電圧変動を抑制する手段が提案された(例えば、特許文献2参照)。
特開2004−129345号公報 特開2005−261061号公報
商用交流電源に接続された配電線は、単相100V又は200V、単相3線式100V又は200V、3相3線式200V等の各種の構成が適用されており、又配電線に接続される機器の種類や特性はそれぞれ異なる場合が多いものである。その場合、照明機器は、点灯時は一定負荷と見做すことができるものであるが、他の機器は、変動負荷の場合が多いものである。特に、前述の図8に示すようなスイッチング負荷101の場合、負荷電流が断続的に変化し、その変化に対応して配電線のインピーダンスにより電圧が変化する。従って、配電線に接続された照明機器102に対する印加電圧が変動してフリッカが発生する問題がある。
この配電線のインピーダンスを無視できる程度の小さい値とすれば、電流変動による電圧変動を低減できるが、その為には、直径の大きい配電線を用い、且つ大容量のトランスを設ける必要がある。従って、経済的にも配置スペース的にも現実的な解決手段ではない。又出力電圧を一定に維持できるスイッチング電源装置は、交流電源(配電線)側の電圧変動を抑圧する構成は備えていないのが一般的である。又前述の特許文献2による技術は、スイッチング負荷による交流電源側の電圧変動を、スイッチング負荷の休止期間に、第2のコンデンサに充電電流が流れる構成として抑制するものである。しかし、スイッチング負荷は、既に各種の構成が実用化されており、種別対応に印加電圧も相違する場合が一般的である。その為に、スイッチング負荷に印加する為の電圧に対応した構成のスイッチング電源装置を用意する必要があり、多品種生産によるコストアップとなる問題がある。
本発明は、スイッチング負荷に動作電力を供給し、且つ負荷電流の変動による照明機器のフリッカを防止することを目的とする。
本発明の電源装置は、スイッチング負荷に電力を供給する電源装置であって、交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路の整流出力電圧を昇圧して第1のコンデンサに充電する第1のブーストコンバータと、前記整流回路の整流出力電圧を昇圧して第2のコンデンサに充電する第2のブーストコンバータと、前記第1のコンデンサの充電電圧を前記スイッチング負荷に供給する直流電圧となるように制御するDC/DCコンバータとを含み、前記第2のブーストコンバータは、前記スイッチング負荷のスイッチング動作に同期して、前記スイッチング負荷の動作オフ期間に前記第2のコンデンサを充電した充電電荷を、前記スイッチング負荷の動作オン期間に前記DC/DCコンバータに入力する放電回路を備えている。
又前記第2のブーストコンバータは、前記スイッチング負荷の動作オフの情報により前記第2のコンデンサの充電電流を制御し、前記スイッチング負荷の動作オンの情報により前記第2のコンデンサの充電を停止する駆動回路と、前記スイッチング負荷の動作オンの情報により前記第2のコンデンサの充電電荷を前記DC/DCコンバータに印加し、前記スイッチング負荷機器の動作オフの情報により前記コンデンサの放電動作を停止する制御を行う放電回路とを備えている。
又前記整流回路の整流出力電圧を入力する前記第1のブーストコンバータと、該第1のブーストコンバータの出力電圧を入力する前記第2のブーストコンバータと、前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの充電電荷を入力するDC/DCコンバータとを含む構成を備えている。
又スイッチング負荷に電力を供給する電源装置に於いて、交流電圧を整流する整流回路と、該整流回路の整流出力電圧をスイッチングトランジスタのオン、オフ制御により昇圧してコンデンサを充電するブーストコンバータと、前記コンデンサの充電電圧を前記スイッチング負荷に供給する直流電圧となるように制御するDC/DCコンバータとを含み、前記ブーストコンバータは、前記スイッチング負荷の動作オンの情報により、出力基準電圧を順次低下させ、動作オフの情報により、出力基準電圧を順次上昇させる基準電圧出力部と、該基準電圧出力部の出力基準電圧と前記コンデンサの端子電圧を検出した検出電圧とを比較する比較器と、該比較器の比較出力信号と前記DC/DCコンバータを介して前記スイッチング負荷に供給する電流を検出した検出電流値とを入力する誤差増幅器と、該誤差増幅器の出力信号に従って前記スイッチングトランジスタのオン期間を制御する駆動回路とを備えている。
第1及び第2のブーストコンバータは、それぞれスイッチング制御により、設定した所望の電圧を出力できるものであり、従って、スイッチング負荷の種別対応の所望の電圧でコンデンサを充電することができる。又第1のブーストコンバータにより第1のコンデンサを充電して、その充電電荷をスイッチング負荷に供給し、スイッチング負荷の休止期間に、第2のブーストコンバータにより第2のコンデンサを充電することにより、交流電源からの電流を継続して流れるようにし、且つ、第2のコンデンサの充電電荷を、第1のコンデンサの充電電荷と共に、動作期間のスイッチング負荷に供給し、交流電源から供給される電流の変化を少なくして、電圧変動を抑制し、それにより、照明機器のフリッカを防止することができる。
本発明の電源装置は、図1を参照すると、スイッチング負荷20に電力を供給する電源装置1であって、交流電圧を整流する整流回路2と、この整流回路2の整流出力電圧を昇圧して第1のコンデンサC1に充電する第1のブーストコンバータ6と、整流回路2の整流出力電圧を昇圧して第2のコンデンサC2に充電する第2のブーストコンバータ3と、第1のコンデンサC1の充電電圧をスイッチング負荷20に供給する直流電圧となるように制御するDC/DCコンバータ5とを含み、第2のブーストコンバータ3は、スイッチング負荷20のスイッチング動作に同期して、スイッチング負荷20の動作オフ期間に第2のコンデンサC2を充電した充電電荷を、スイッチング負荷20の動作オン期間にDC/DCコンバータ5に入力する放電回路を備えている。
本発明の実施例1の要部説明図であり、配電線を3相3線式とした場合を示し、1は電源装置、2は整流回路、3は第2のブーストコンバータ、4は放電回路、5はDC/DCコンバータ、6は第1のブーストコンバータ、C1,C2は第1及び第2のコンデンサ、Q1、Q2はトランジスタ、Rは抵抗を示し、第1のブーストコンバータ6と第2のブーストコンバータ3とは、下側の枠内に示すように、チョークコイルL1と、ダイオードD1と、トランジスタQ1とを含む構成を有し、図示を省略した制御手段により、トランジスタQ1のオン、オフ動作が制御される。
整流回路2により、三相200Vの交流電圧を全波整流して、第1のブーストコンバータ6と、第2のブーストコンバータ3とに供給し、第1のブーストコンバータ6により所望の出力電圧を第1のコンデンサC1に印加して充電し、その第1のコンデンサC1の充電電圧をDC/DCコンバータ5に入力し、DC/DCコンバータ5に於けるスイッチング動作により、スイッチング負荷20の種別対応により定まる所望の出力電圧を発生するもので、その出力電圧をスイッチング負荷20に印加する。又第2のブーストコンバータ3は、スイッチング負荷20の休止期間にスイッチング動作して、第2のコンデンサC2を充電し、この第2のコンデンサC2の充電電荷を、スイッチング負荷20の動作期間に、トランジスタQ2をオンとして、DC/DCコンバータ5に供給する。従って、第1のブーストコンバータ6とDC/DCコンバータ5とは連続的にスイッチング制御を行って、スイッチング負荷20に動作電力を供給するが、第2のブーストコンバータ3は、スイッチング負荷20の休止期間に於いてスイッチング制御を行って、第2のコンデンサC2の充電を行うものである。
図2は、本発明の実施例1の動作説明図であり、電源装置1の整流回路2の三相全波整流出力電圧を入力電圧として示し、三相交流電圧側の電流を入力電流として示し、スイッチング負荷20の休止期間と動作期間とを負荷として示している。スイッチング負荷20の動作期間に於いては、三相交流電流は、スイッチング動作に対応して、主として、第1のコンデンサC1の充電電圧による電流が流れ、スイッチング負荷20の休止期間に於いては、第2のブーストコンバータ3による第2のコンデンサC2の充電電流が流れるから、整流回路2に流れる三相交流電流は、休止期間に於いても流れることになり、三相交流電流は、ほぼ連続的に流れるものとなる。従って、三相交流電圧は、殆ど変動しないものとなり、照明機器が電源装置1と並列的に接続されている場合の照明のちらつきを防止することができる。
図3は、本発明の実施例1の説明図であり、図1と同一符号は同一部分を示し、7はON/OFF制御部、8は電流検出部、9は基準電圧、10は誤差増幅器、11はPWM制御部、12は駆動回路、13は基準電圧、14は比較器、15,16は抵抗、17は電流フィードバック回路を示す。なお、第1のブーストコンバータ6は、第2のブーストコンバータ3と同様な構成とすることができるもので、その場合に、ON/OFF制御部7から制御される構成を含まないものである。又商用交流電源からの三相200Vの交流電圧を整流回路2により全波整流して、第1のブーストコンバータ6と第2のブーストコンバータ3とに入力し、第1のブーストコンバータ6により第1のコンデンサC1を充電し、第2のブーストコンバータ3により第2のコンデンサC2を充電する。但し、第1のブーストコンバータ6は、継続してスイッチング動作により所定の電圧を出力して第1のコンデンサC1を充電するものであるが、第2のブーストコンバータ3は、スイッチング負荷20の休止期間に於いてスイッチング動作して、第2のコンデンサC2を充電する。又放電回路4は、第2のコンデンサC2の充電電荷を、トランジスタQ2と抵抗16とを介してDC/DCコンバータ5に、第1のコンデンサC1の充電電荷と共に入力する。その為に、スイッチング負荷20の動作期間と休止期間とを示すon/off制御信号を、ON/OFF制御部7に入力する。
ON/OFF制御部7は、第2のブーストコンバータ3と放電回路4との動作をon/off制御信号に従って制御するもので、スイッチング負荷20に負荷電流が流れる動作期間に、放電回路4の基準電圧13を所定の値に制御し、比較器14によりトランジスタQ2のエミッタ電位と比較し、このエミッタ電位が基準電圧13より低い時にトランジスタQ2をオンとし、第2のコンデンサC2の充電電荷を、トランジスタQ2と抵抗16とを介してDC/DCコンバータ5に入力する。なお、基準電圧13の電圧を零又はそれに近い値とすると、比較器14からの比較出力は零となり、トランジスタQ2はオフ状態となり、第2のコンデンサC2からDC/DCコンバータ5側への放電は停止する。
又電流フィードバック回路17は、第1のブーストコンバータ6からDC/DCコンバータ5を介してスイッチング負荷20に流れる電流を、電流検出部8により検出し、誤差増幅器10により基準電圧9と比較し、その比較誤差分をPWM制御部11に入力する。PWM制御部11は、駆動回路12を介してトランジスタQ1のオン期間を制御し、ダイオードD1を介して第2のコンデンサC2に流れる電流を、基準電圧9に対応した所定の値に制御する。従って、スイッチング負荷20の休止期間に於いては、第2のコンデンサC2の充電を行うことにより、交流電源から電源装置1には、連続的に電流が流れることになる。なお、スイッチング負荷20の休止期間は、ON/OFF制御部7から駆動回路12の動作停止が制御され、第2のコンデンサC2の充電動作は停止される。
第1のブーストコンバータ6と第2のブーストコンバータ3とは、第1のコンデンサC1と第2のコンデンサC2との耐圧等を考慮した出力電圧に設定し、DC/DCコンバータ5により、スイッチング負荷20で必要とする電圧となるように制御することにより、各種のスイッチング負荷20に動作電圧を供給し、且つ交流電源側に流れる電流の変動を抑制し、照明機器のフリッカ発生を抑制することができる。
図4は、本発明の実施例2の要部説明図であり、図1と同一符号は同一部分を示す。この実施例2は、第1のブーストコンバータ6から第1のコンデンサC1を充電する出力電圧を第2のブーストコンバータ3に入力し、スイッチング負荷20の休止期間に、第2のブーストコンバータ3から第2のコンデンサC2の充電を行う場合を示す。この実施例2に於いては、スイッチング負荷20の休止期間のみスイッチング制御を行う第2のブーストコンバータ3の構成を、前述の実施例1の構成に比較して簡単化できる。
図5は、本発明の実施例2の説明図であり、図3と同一符号は同一部分を示す。又第1のブーストコンバータ6は、第2のブーストコンバータ3と略同様な構成を有するものであるが、ON/OFF制御部7から制御される構成を含まないものである。又スイッチング負荷20のon/off制御信号をON/OFF制御部7に入力し、スイッチング負荷20の休止期間に於いて、ON/OFF制御部7から駆動回路12の動作を開始させて、第2のコンデンサC2の充電を開始させ、且つ放電回路4の放電動作を停止させる。それにより、第1のブーストコンバータ6から第1のコンデンサC1の充電電流が減少しても、第2のコンデンサC2に対する充電電流が流れる。従って、交流電源側の電流変動は殆どなく、照明機器が電源装置1と並列的に配電線に接続されている場合の照明ちらつきを回避することができる。
又前述の実施例1及び実施例2に於ける整流回路2は、三相200V交流電圧を全波整流する構成の場合を示すが、単相100Vの交流電圧を整流する構成とすることも可能であり、又単相200Vの交流電圧を整流する構成とすることも可能である。又スイッチング負荷20は、放電発光による定着処理を行うプリンタのみでなく、動作期間と休止期間とを含む構成とすることも可能である。
図6は、本発明の実施例3の説明図であり、図5と同一符号は同一部分を示し、21はブーストコンバータ、22は比較器、23は基準電圧出力部、R1,R2は分圧用の抵抗を示す。ブーストコンバータ21は、前述の第1のブーストコンバータ6に相当し、第1のコンデンサC1を充電し、この第1のコンデンサC1の端子電圧を、DC/DCコンバータ5を介してスイッチング負荷20に供給する。このスイッチング負荷20のon/off制御信号をON/OFF制御部7に入力し、このON/OFF制御部7から基準電圧出力部23を制御して、比較器22に入力する基準電圧を変更する。この基準電圧を、スイッチング負荷20の動作オフ期間には徐々に上昇させ、動作オン期間には徐々に下降させる。
又第1のコンデンサC1の端子電圧を抵抗R1,R2により分圧した電圧を、ブーストコンバータ21の出力電圧(コンデンサC1の端子電圧)を検出して比較器22に入力する。この比較器22の比較出力信号を誤差増幅器10に入力し、DC/DCコンバータ5を介してスイッチング負荷20に供給する電流を電流検出部8により検出し、この検出電流値を誤差増幅器10に入力する。誤差増幅器10の出力信号をPWM制御部11に入力して、駆動回路12によるスイッチングトランジスタQ1のオン期間を制御する。
スイッチング負荷20の動作オフ期間にブーストコンバータ21とDC/DCコンバータ5とを介して供給する電流は減少するものであるが、基準電圧出力部23の出力基準電圧を上昇させることにより、スイッチングトランジスタQ1のオン期間を長くすることができ、それにより、交流電源から整流回路2を介してコンデンサC1に流れる電流は上昇することになり、交流電源から供給を受ける電流の変化を抑制することができる。従って、電源装置1と並列的に照明器具が接続されている場合の照明のちらつきを防止することができる。又図3又は図5に示す実施例の構成に比較して簡単な構成により、交流電圧の変動抑制の作用を行うことができる。
図7は、動作説明図であり、(a)は基準電圧出力部23の出力基準電圧、(b)はスイッチング負荷20に流れる電流、(c)はブーストコンバータ21の出力電圧を示す。即ち、スイッチング負荷20の休止期間では、電流は(b)に示すように零又はそれに近い値となり、動作期間では連続的に流れる。しかし、ブーストコンバータ21の出力電圧は、(c)に示すように、休止期間では上昇するから、それによるコンデンサC1への充電電流が増加し、動作期間では徐々に出力電圧が低下するが、DC/DCコンバータ5により維持された所定の電圧をスイッチング負荷20に供給することができる。
本発明の実施例1の要部説明図である。 本発明の実施例1の動作説明図である。 本発明の実施例1の説明図である。 本発明の実施例2の要部説明図である。 本発明の実施例2の説明図である。 本発明の実施例3の説明図である。 本発明の実施例3の動作説明図である。 従来例の説明図である。 従来例の動作説明図である。
符号の説明
1 電源装置
2 整流回路
3 第2のブーストコンバータ
4 放電回路
5 DC/DCコンバータ
6 第1のブーストコンバータ
7 ON/OFF制御部
8 電流検出部
9 基準電圧
10 誤差増幅器
11 PWM制御部
12 駆動回路
13 基準電圧
14 比較器
15,16 抵抗
17 電流フィードバック回路
20 スイッチング負荷
21 ブーストコンバータ
22 比較器
23 基準電圧出力部
C1,C2 第1、第2のコンデンサ
Q1,Q2 トランジスタ
D1 ダイオード
L1 チョークコイル

Claims (4)

  1. スイッチング負荷に電力を供給する電源装置に於いて、
    交流電圧を整流する整流回路と、
    該整流回路の整流出力電圧を昇圧して第1のコンデンサを充電する第1のブーストコンバータと、
    前記整流回路の整流出力電圧を昇圧して第2のコンデンサを充電する第2のブーストコンバータと、
    前記第1のコンデンサの充電電圧を前記スイッチング負荷に供給する直流電圧となるように制御するDC/DCコンバータとを含み、
    前記第2のブーストコンバータは、前記スイッチング負荷のスイッチング動作に同期して、前記スイッチング負荷の動作オフ期間に前記第2のコンデンサを充電した充電電荷を、前記スイッチング負荷の動作オン期間に前記DC/DCコンバータに入力する放電回路を備えた
    ことを特徴とする電源装置。
  2. 前記第2のブーストコンバータは、前記スイッチング負荷の動作オフの情報により前記第2のコンデンサの充電電流を制御し、前記スイッチング負荷の動作オンの情報により前記第2のコンデンサの充電を停止する駆動回路と、前記スイッチング負荷の動作オンの情報により前記第2のコンデンサの充電電荷を前記DC/DCコンバータに印加し、前記スイッチング負荷の動作オフの情報により前記コンデンサの放電動作を停止する制御を行う放電回路とを備えたことを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  3. 前記整流回路の整流出力電圧を入力する前記第1のブーストコンバータと、該第1のブーストコンバータの出力電圧を入力する前記第2のブーストコンバータと、前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの充電電荷を入力するDC/DCコンバータとを含む構成を備えたことを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  4. スイッチング負荷に電力を供給する電源装置に於いて、
    交流電圧を整流する整流回路と、
    該整流回路の整流出力電圧をスイッチングトランジスタのオン、オフ制御により昇圧してコンデンサを充電するブーストコンバータと、
    前記コンデンサの充電電圧を前記スイッチング負荷に供給する直流電圧となるように制御するDC/DCコンバータとを含み、
    前記ブーストコンバータは、前記スイッチング負荷の動作オンの情報により、出力基準電圧を順次低下させ、動作オフの情報により、出力基準電圧を順次上昇させる基準電圧出力部と、該基準電圧出力部の出力基準電圧と前記コンデンサの端子電圧を検出した検出電圧とを比較する比較器と、該比較器の比較出力信号と前記DC/DCコンバータを介して前記スイッチング負荷に供給する電流を検出した検出電流値とを入力する誤差増幅器と、該誤差増幅器の出力信号に従って前記スイッチングトランジスタのオン期間を制御する駆動回路とを備えている
    ことを特徴とする電源装置。
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