JPH0295165A - Dc−dcコンバータ - Google Patents

Dc−dcコンバータ

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JPH0295165A
JPH0295165A JP24341988A JP24341988A JPH0295165A JP H0295165 A JPH0295165 A JP H0295165A JP 24341988 A JP24341988 A JP 24341988A JP 24341988 A JP24341988 A JP 24341988A JP H0295165 A JPH0295165 A JP H0295165A
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JP
Japan
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voltage
switches
capacitor
switch
input
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Application number
JP24341988A
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English (en)
Inventor
Hisatsugu Ishizu
石津 久嗣
Katsuhiko Naka
仲 勝彦
Yuko Oshino
押野 有功
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は直流電源で充電される直列接続の整数個のコン
デンサを、複数個のスイッチでその接続を切り換え、切
り換える都度コンデンサの充、放電を行わせて直流出力
電圧を得るスイソチトキャバシタ形のDC−DCコンバ
ータに関するものである。
〔従来の技術〕
最近はDC−DCコンバータとしてスイッチングレギュ
レータが、小型軽量であり、しかも高効率であることを
特長として広く用いられており、今後も可搬形装置への
需要が益々増大するものと思われる。しかし、現在主と
して用いられているスイッチングレギュレータは、スイ
ッチングトランジスタ、整流器、ダイオード、変圧器、
チョークコイル等の回路部品から構成されていて、磁性
部品が存在することからIC(集積)化が困難であり、
小型化に限界があるという問題がある。
このような問題に対し、特開昭58−58863号公報
にはスイッチトキャパシタ変成器が提案されている。こ
のスインチトキャパシタ変成器は複数のスイッチングト
ランジスタと整数個のコンデンサとにより構成しており
、IC(集積)化を容易にし、また出力電圧のリップル
含有率を低下させている。
しかも出力電圧の昇、降圧及び極性変換を容易にする等
の工夫がなされている。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで前述したスイソチトキャパシタ変成器は、変成
比が原理的に整数比となり、例えば入力電圧12■、出
力電圧5Vに設計すると、変成比は2:1となる。それ
故、原理的には出力電圧5■に対して入力電圧はIOV
以上を必要とする。そして過大な入力電圧に対してはス
イッチングのデユーティ比で制御できる。しかし、スイ
ッチングトランジスタのオン抵抗による電圧降下が生じ
るために、実際には許容最低入力電圧をIOV以上にす
る必要がある。また、その電圧降下は、スイッチングト
ランジスタのオン抵抗と、そのスイッチングトランジス
タに流れる負荷電流との積で定まるから、負荷電流が大
きくなるにともなって、入力電圧の下限値を高くする必
要がある。即ち、DCDCコンバータの使用条件を考え
ると、入力電圧の変動に対応できるように通常の定格入
力に対して許容入力電圧範囲を広くすることが望まれる
が、この変成器では入力電圧範囲が限定されるという問
題がある。
それ故、本願発明者は、直流電源と平滑コンデンサとを
直結するブースタ用スイッチを設けて、入力電圧がIO
V以下になった場合には、そのブースタ用スイッチのみ
をスイッチング動作させて、平滑コンデンサの電圧の低
下を防止することを提案している。
しかし、そのような構成にすると、ブースタ用スイッチ
を付加することにより回路が複雑になる。
また入力電圧が所定値にある場合の複数のスイッチのス
イッチングモードと、ブースタ用スイッチのスイッチン
グモードとが異なって、複雑なスイッチング制御を行う
必要があるという問題がある。
更に直流電源の電圧が低下すると電力伝送効率が低下す
るという問題がある。
本発明は斯かる問題に鑑み、複雑なスイッチング制御を
行わずに広い許容入力電圧範囲が得られ、また電力伝送
効率が低下しないDC−DCコンバータを提供すること
を目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
第1発明は、DC電源に接続される直列接続の整数個の
コンデンサと、該コンデンサの直列順序を切換える複数
のスイッチと、前記コンデンサにより充電され負荷が接
続される平滑コンデンサとを備え、前記スイッチをスイ
ッチング動作させて前記直列順序を切換える都度、放電
状態のコンデンサを充電し、充電状態のコンデンサを放
電させて前記平滑コンデンサを充電せしめるスイッチト
キャパシタ形のDC−DCコンバータにおいて、前記コ
ンデンサ夫々の一端に前記複数のスイッチのうちの2個
のスイッチが接続され、他端に前記複数のスイッチのう
ちの1個のスイッチ及びダイオードの各一端が接続され
ていて、該スイッチ及びダイオードの各他端が前記平滑
コンデンサの一端及び他端と各接続されており、すべて
のスイッチのスイッチング動作のデユーティ比を変更し
て前記平滑コンデンサの充電電圧を制御し、前記DC電
源の電圧が所定値以下にある場合番よ、すべてのスイッ
チを導通すべく構成してあることを特徴とする。
第2発明は、前記DC電源からスイッチに至る回路途中
にインダクタンスが介装され、DC電源にコンデンサを
並列接続すべく構成してあることを特徴とする。
〔作用〕
第1発明では、複数のスイッチのスイッチング動作によ
りコンデンサの直列接続状態が切換わる。
コンデンサの直列接続状態が切換わる都度、放電してい
るコンデンサがDC電源で充電され、充電しているコン
デンサが放電して平滑コンデンサが充電される。平滑コ
ンデンサの充電電圧を負荷へ与える。DC電源の電圧が
高い場合はすべてのスイッチが同時にオンしない範囲で
スイッチング動作のデユーティ比を制御する。DC電源
の電圧が所定値以下の場合はすべてのスイッチを同時に
オンさせる。
これによりDC電源の電圧が低下すると、DC電源の電
圧を負荷へ直接与え得る。
第2発明では、複数のスイッチのスイッチング動作によ
りコンデンサの接続状態が切換わる。コンデンサの接続
状態が切換わる都度、放電しているコンデンサがDC電
源で充電され、充電しているコンデンサが放電して平滑
コンデンサが充電される。平滑コンデンサの充電電圧を
負荷へ与える。
DC電源の電圧が高い場合はすべてのスイッチが同時に
オンしない範囲でスイッチング動作のデユーティ比を制
御する。DC電源の電圧が所定値以下の場合はすべての
スイッチを同時にオンさせる。インダクタンスはスイッ
チの入力電圧を低下させる。
これにより、DC電源の電圧が低下すると、DC電源の
電圧を負荷へ直接与え得、またスイッチのスイッチング
損失が低下する。
〔実施例〕
以下本発明をその実施例を示す図面によって詳述する。
第1図は本発明に係るDC−DCコンバータの回路図で
ある。電圧入力端子jl+  t2間には例えばバッテ
リからなる入力電源たるDC(直流)電源10が接続さ
れている。−側型圧入力端子1.は半導体スイッチから
なるスイッチ1,2の直列回路を介して一側電圧出力端
子tooと接続されており、他側電圧入力端子t2は他
側電圧出力端子t2゜と直接接続されている。前記スイ
ッチ2にはコンデンサC1とダイオード4との直列回路
が並列接続されており、コンデンサCI とダイオード
4との接続中間点は半導体スイッチからなるスイッチ3
を介して他側入力端子t2と接続されている。他側電圧
入力端子t2は半導体スイッチからなるスイッチ7とダ
イオード8との直列回路を介して前記−制電圧出力端子
t、。と接続されており、ダイオード8にはコンデンサ
C2と半導体スイッチからなるスイッチ6との直列回路
が並列接続されている。そしてスイッチ6とコンデンサ
C2との接続中間点は、半導体スイッチからなるスイッ
チ5を介して前記−側型圧入力端子1.と接続されてい
る。また−制電圧出力端子t、。と他側電圧出力端子t
2゜との間に平滑コンデンサC3が接続されており、更
にこの両電圧出力端子t1゜、t2゜間には出力側イン
ダクタンスL0と負荷11との直列回路を介装させてお
り、負荷11に出力側コンデンサC0が並列接続されて
いる。
前記スイッチ1,5には例えばPチャネルMO3PET
を使用しており、スイッチ2,3.6.7には例えばN
チャネルMO3−FETを使用している。
スイッチ1,6.7にはそれをスイッチングさせるため
のクロック信号φ8を、スイッチ2,35にはそれをス
イッチングさせるクロック信号φ5を夫々図示しないク
ロック信号発生部から与える。
このクロック信号φ3.φ、は第2図に示すように、互
いに位相が180 ’ずれたものとなっている。
またクロック信号φ3.φ、の時間幅は、入力電圧v8
が所定値以上にあると両クロック信号φ3゜φ、が同時
に出力されない範囲で出力電圧V。に応じて変化するよ
うになっている。
更に、入力電圧■1が低下し所定値以下に達した場合に
は、両クロック信号φ1.φ、が一時的に同時にオンす
るようになっている。そして、スイッチ1,2,3,5
.6.7の夫々のスイッチングのデユーティ比を制御す
ることにより出力電圧を定電圧になし得るようになって
いる。
次にこのように構成したDC−DCコンバータの動作を
第1図乃至第7図により説明する。
[IC−ncコンバータの仕様が入力電圧V、が12V
、出力電圧V。が5■であり、いま、要求される入力電
圧の許容範囲を7〜16Vとする。入力電圧■1がスイ
ッチ1,2,3,5.6.7の電圧降下分を無視してI
OV以上であると、スイッチ1,23.5,6.7に与
えるクロック信号φ1.φ。
の時間幅を変化させるPWM (パルス幅変調)制御を
することにより、5■の出力電圧V0が安定して得られ
るようになっている。即ち、入力電圧V。
がIOV以上である場合には、スイッチ1,67と、ス
イッチ2,3.5とが交互にスイッチング動作する。そ
してコンデンサC2が既に電位差5Vで充電されており
、コンデンサC1が放電を完了しているとして、スイッ
チ1.6.7がオン状態、スイッチ2.3.5がオフ状
態になると第3図に示す等何回路となる。そしてコンデ
ンサCへの入力電流■、はスイッチ1のオン抵抗R1、
コンデンサC1、ダイオード4、スイッチ6のオン抵抗
R4及びスイッチ7のオン抵抗R1を通って流れる。ま
たコンデンサC2の放電電流は、スイッチ6のオン抵抗
Rh、平滑コンデンサc3及びスイッチ7のオン抵抗R
7を通って流れる。それによりコンデンサC4は電位差
V、−V0 (=115=7V)で充電される一方、コ
ンデンサc2からは放電によって平滑コンデンサc3及
び負荷11ヘエネルギーが供給される。
次にスイッチI、6.7がオフ状態、スイッチ2.3.
5がオン状態になると第4図に示す等何回路となる。そ
してコンデンサc2の入力電流I。
はスイッチ5のオン抵抗R5、コンデンサc2、ダイオ
ード8、スイッチ2のオン抵抗R2、コンデンサC1及
びスイッチ3のオン抵抗R3を通って流れる。またコン
デンサc1の放電電流はスイッチ2のオン抵抗R2、平
滑コンデンサC2及びスイッチ3のオン抵抗R8を通っ
て流れる。それにより、コンデンサC2は前記同様に充
電される一方、コンデンサCIからは放電によって平滑
コンデンサC3及び負荷11ヘエネルギーを供給する。
なお、スイッチ1,2,3,5,6.7がともにオフ状
態になると第5図に示す等何回路となり、平滑コンデン
サC3のみから負荷11ヘエネルギーを供給する。この
ようなスイッチ動作が第2図に示すクロック信号φ8.
φ、の周波数で繰り返されることにより、第3図、第5
図、第4図の等何回路の順序で負荷11ヘエネルギーが
継続して供給される。
ここで、平滑コンデンサC3はコンデンサCI+02か
ら供給されるエネルギーがクロック信号の周波数あるい
はスイッチのスイッチング動作による高周波で生じる電
圧変動を平滑化する。そして出力電圧V0はスイッチ1
,2,3,5,6.7のオン時間が一定であると、負荷
11の変動に応じて変化する。
そこで、出力電圧■。を安定化するために第2図に破線
で示すようにクロック信号φ3.φ、の時間幅T。Nを
変化させて、そのデユーティ比T。N/T(TON・・
・オン状態の時間、T・・・周期)を出力電圧v0に応
じて制御するPWM制御を行っている。つまり、高負荷
時には破線で示す如くデユーティ比を大きく、低負荷時
には実線で示す如く小さくして、コンデンサC+ 、C
zの充電電圧が制御されて出力電圧V、が一定に保持さ
れる。
このように、このDC−DCコンバータはPIIM制御
により制御される電圧分は別にして、入力電圧V。
をコンデンサC,,C,で分圧して出力電圧V。
を得ているから、入出力比が2:1となっている。
さて、入力電圧v8が例えば9vになった場合は、前述
したように出力電圧V。が低下して5Vを保持できなく
なるが、出力電圧V。が所定値以下になった場合には第
7図に示すようにクロック信号φ4.φ、の時間幅T。
Nがともに広くなるように制御されて、そのクロック信
号φ□、φ、により、スイッチ1,2,3,5,6.7
が一時的に同時にオンするようにスイッチング動作する
そしてスイッチ1,2.3,5.6.7が同時にオン状
態になると第6図に示す等何回路となる。
それによりDC電源10からスイッチ1のオン抵抗R1
、コンデンサC1及びスイッチ3のオン抵抗R3を通っ
てコンデンサC1に充電電流が流れ、またスイッチ50
オン抵抗Rs、コンデンサC2及びスイッチ7のオン抵
抗R1を通ってコンデンサc2に充電電流が流れる。更
にDC電源10はスイ・7チ12のオン抵抗R+、Rz
を介して平滑コンデンサC3及び負荷11と接続される
ことになり、DC電源10からコンデンサC,,C2の
充電電流と負荷11への電流との和の入力電流■、が流
れる。
そして第7図に示す期間S−、Sb 、Sc、Saにお
いては夫々の期間の等価回路は第6図、第3図、第6図
、第4図となる。それ故、期間Sllにおける第6図の
等価回路では、DC電源10から負荷11及び平滑コン
デンサC3へ電流が流れて、出力電圧v0が5Vの状態
となる。即ちコンデンサC1゜C2の正側電圧VC++
  ■Cmは、Vc+−Vcz      −(11 =■。+R2・ (Vi−V。)/ (R+ +R2)
・・・(2)= (R6・V4 +Rs  ・Vo )
/ (Rs +Rh )>V。
=5      ・・・(3) となる。ところでスイッチ1,5に用いているPチャネ
ル半導体スイッチのオン抵抗は、スイッチ2.3.6.
7に用いているNチャネル半導体スイッチのオン抵抗に
比べて大きい。
そのため第3図の等価回路におけるコンデンサC8の正
側電圧■、はスイッチ1のオン抵抗を無視すると Vs −Vc+ + VC2> 2 VO=10> V
i  ・・・(41となる。したがって、正側電圧V、
がDC電源10の電圧より高り、DC電源10から入力
電流1.は流れない。またダイオード4によりコンデン
サC1C2からDC電源10側へ電流が阻止される。即
ち、コンデンサC2が負荷11側へ放電することによっ
てコンデンサC,,C,の直列回路の端子電圧■。
が低下して入力電圧V、より低下するまでDC電源10
から電流が流れない。このように、入力電圧V。
がIOV以上の場合は前述したように第2図に示すクロ
ック信号φ、、φ、及び第3図に示す等価回路により電
流が供給され、入力電圧V、が所定値以下に低下してい
る場合には第2図及び第3図に示す状態ではDC電源1
0側からは電流が遮断された状態となる。
第7図はクロック信号φ3.φ、と、スイッチ入力側電
圧VX、入力電流I8、出力電圧v0の関係を示すタイ
ミングチャートである。この図がら明らかなようにクロ
ック信号φ3.φ、が同時に出力されている期間S、及
びScは入力電流■。
が流れ、それにより、コンデンサC+、Cxが充電され
るとともに負荷11にDC電源10の電圧が直接に加わ
って出力電圧■。が上昇する。
そしてクロック信号φ3.φ5の前縁及び後縁の時点で
入力電圧V、及び出力電圧V。にスパイクノイズが生じ
るが、出力側インダクタンスL0と、出力側コンデンサ
C8とによる平滑回路により吸収されて、負荷11には
リップル及びスパイクノイズが少ない直流電圧が供給さ
れる。
これにより許容入力電圧範囲を拡大することができる。
また入力電圧■、が所定値以上又は所定値以下のいずれ
の場合にも、クロック信号φ3φあの時間幅を変更する
スイッチングモードで出力電圧■。の安定化を図るから
、クロック信号φ3゜φゎの制御動作が共通して簡単に
なる。更に入力電圧Viが低下したときにスイッチング
動作させる別個のブースタ用スイッチを設ける必要もな
く、スイッチの数が増加しない。
第8図は第2発明に係るDC−DCコンバータの回路図
である。電圧入力端子1..12間に入力端コンデンサ
C8を介装しており、電圧入力端子1゜とスイッチ1及
び5との間に入力側インダクタンスし、を介装させてい
る。そして、その他の回路構成は第1図に示した回路と
同様となっている。
そしてこのDC−DCコンバータは、第1図に示したD
C−DCコンバータのスイッチのスイッチング動作と同
様のスイッチング動作する。
しかし乍ら、スイッチ1,6.7または2,3゜5がオ
ンして入力電流■、が流れた場合には、入力側インダク
タンスの出力側、即ちスイッチ1及び5の入力側電圧v
gが低下する。そのため同一入力端子に対しては第9図
に示している期間S3゜Scの時間が長くなっている。
そして期間Sb。
S、から期間Sc、S、に変化する時点にDC電源10
から入力電流■、が急に流れようとするが、入力電流I
、により入力側インダクタンスL1に逆電圧VX、が発
生し、スイッチ1.5の入力側電圧v7!は、 VZ=V□−■18   ・・・(5)となる。このよ
うにスイッチの入力側電圧Vlが低下した場合にはスイ
ッチにおける電圧降下が城少しスイッチング損失が減少
することになる。
ここで、入力電圧■1を12V、出力電圧V。を5Vと
すると電力伝送効率eは、 e = 5 / (12/2) xloo =83.3
%  ・・・(6)となり、入力電圧が所定値以上にあ
る場合は高い電力伝送効率が得られる。
ところで、入力電圧■、が10V以下に低下した場合に
は、第6図に示す等価回路によりDC電源10から負荷
11ヘエネルギーが供給されるが、これはシリーズレギ
ュレータとしての回路であるから、例えば入力電圧V、
を9V、出力電圧V。を5vとすると電力伝送効率eは
、 e =5/9 X100 =55.6%   ・・・(
7)となり、入力電圧■、がIOV以下になった場合に
は電力伝送効率が低下する。
つまり、電力伝送効率eは、 e=V。/Vi X100   ・・・(8)で表し得
るから、入力側インダクタンスL1を設けたことにより
スイッチ入力側電圧vlを低下させ得て、常に高い電力
伝送効率が得られる。
第9図はこのDC−DCコンバータにおけるクロック信
号φ1.φ、とスイッチ入力側電圧■βと、充電電流I
、との関係を示すタイミングチャートである。クロック
信号φ3またはφ、が与えられてスイッチ1.6.7ま
たは2.3.5がオンすると入力電流I、が流れて、入
力側インダクタンスL1の出力側、即ちスイッチ1.5
の入力側電圧VZが低下する。一方、入力電流I、は入
力側コンデンサC8により平滑されて第7図に示すピー
ク値より低い滑らかな波形となる。このように第2発明
によれば、第1発明と同様に許容入力電圧範囲を拡大す
ることができるとともに、スイッチのスイッチング損失
を低減して、常に高い電力伝送効率を得ることができる
〔発明の効果〕
以上詳述したように、第1.第2発明によれば、入力電
圧が所定値以上又は以下のいずれの場合にもスイッチの
スイッチングモードを同様のモードで行え、スイッチン
グ制御が簡単になる。また入力電圧の低下による出力電
圧の低下を、ブースタ用スイッチ等の別個のスイッチを
設けずに、許容入力電圧範囲を拡大できる。
また第2発明では、DC電源の電圧が所定値以下になっ
た場合に電力伝送効率が低下するのを防ぎ得る等の効果
を奏し、高倍転性、高効率のDC−DCコンバータを提
供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は第1発明に係るDC−DCコンバータの回路図
、第2図はクロック信号の波形図、第3図、第4図、第
5図及び第6図はその[lC−DCコンバータの動作に
対応する等価回路図、第7図はクロック信号、スイッチ
入力側電圧、入力電流、出力電圧のタイミングチャート
、第8図は第2発明に係るDC−DCコンバータの回路
図、第9図はそのDCDCコンバークのクロック信号、
スイッチ入力側電圧、入力電流のタイミングチャートで
ある。 1 2.3,5,6.7・・・スイッチ4.8・・・ダ
イオード 10・・・DC電源 11・・・負荷C+、
Cw・・・コンデンサ C3・・・平滑コンデンサL、
・・・入力側インダクタンス C8・・・入力側コンデンサ Lo・・・出力側インダ
クタンス C0・・・出力側コンデンサ 特 許 出願人

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、DC電源に接続される直列接続の整数個のコンデン
    サと、該コンデンサの直列順序を切換える複数のスイッ
    チと、前記コンデンサにより充電され負荷が接続される
    平滑コンデンサとを備え、前記スイッチをスイッチング
    動作させて前記直列順序を切換える都度、放電状態のコ
    ンデンサを充電し、充電状態のコンデンサを放電させて
    前記平滑コンデンサを充電せしめるスイッチトキャパシ
    タ形のDC−DCコンバータにおいて、 前記コンデンサ夫々の一端に前記複数のスイッチのうち
    の2個のスイッチが接続され、他端に前記複数のスイッ
    チのうちの1個のスイッチ及びダイオードの各一端が接
    続されていて、該スイッチ及びダイオードの各他端が前
    記平滑コンデンサの一端及び他端と各接続されており、
    すべてのスイッチのスイッチング動作のデューティ比を
    変更して前記平滑コンデンサの充電電圧を制御し、前記
    DC電源の電圧が所定値以下にある場合は、すべてのス
    イッチを導通すべく構成してあることを特徴とするDC
    −DCコンバータ。 2、前記DC電源からスイッチに至る回路途中にインダ
    クタンスが介装され、DC電源にコンデンサを並列接続
    すべく構成してあることを特徴とする請求項1記載のD
    C−DCコンバータ。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003528558A (ja) * 2000-03-22 2003-09-24 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ イリノイ ウルトラキャパシタによる動的調整チャージポンプ式電力コンバータ
JP2003528560A (ja) * 2000-03-22 2003-09-24 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ イリノイ 動的に制御され固有に調整されるチャージポンプ電力コンバータ
JP2007305407A (ja) * 2006-05-11 2007-11-22 Nec Saitama Ltd コの字金具嵌合構造及び電子機器

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