(57)【要約】【課題】スピーカ出力の短絡を確実に検出し、かつ電源パンピング現象によるアンプの破壊を防止する。【解決手段】デジタルアンプの保護回路は、スピーカ出力端子ＳＰＯＵＴに発生した直流電圧を検出する直流電圧検出回路ＤＣＤＴと、直流電圧検出回路ＤＣＤＴから検出信号が出力されたときに保護動作を行う制御回路ＣＴＬと、正の電源電圧＋Ｖと負の電源電圧−Ｖの中点電位のずれを検出する中点電位検出回路ＣＶＤＴとを有し、中点電位検出回路ＣＶＤＴの出力を直流電圧検出回路ＤＣＤＴの入力に接続して、中点電位のずれが検出されたときに直流電圧検出回路ＤＣＤＴから検出信号を出力させるようにしている。【選択図】  図１
2006060278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピーカ出力端子に発生した直流電圧を検出する直流電圧検出回路と、
この直流電圧検出回路から検出信号が出力されたときに保護動作を行う制御回路と、
正の電源電圧と負の電源電圧の中点電位のずれを検出する中点電位検出回路とを有し、
前記中点電位検出回路の出力を前記直流電圧検出回路の入力に接続して、前記中点電位のずれが検出されたときに前記直流電圧検出回路から検出信号を出力させるようにしたことを特徴とするデジタルアンプの保護回路。
【請求項２】
請求項１記載のデジタルアンプの保護回路において、
前記中点電位検出回路は、一端に前記正の電源電圧が入力された第１の抵抗と、一端に前記負の電源電圧が入力され、他端が前記第１の抵抗の他端と接続された第２の抵抗とからなり、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の接続点が前記直流電圧検出回路の入力に接続されることを特徴とするデジタルアンプの保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルアンプに係り、特に出力短絡時の保護回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２は、従来のデジタルアンプの構成例を示す回路図である。図２において、Ｔはトランス、Ｄ３，Ｄ４は整流素子（ダイオード）、Ｃ１，Ｃ２は平滑コンデンサであり、トランスＴと整流素子Ｄ３，Ｄ４と平滑コンデンサＣ１，Ｃ２によりコンデンサインプット型の正負電源が構成されている。一方、デジタルアンプ部において、ＳＷ１，ＳＷ２は図示しないＰＷＭ変調回路の出力により駆動されるＭＯＳＦＥＴなどのスイッチングトランジスタ、Ｄ１，Ｄ２はスイッチングトランジスタＳＷ１，ＳＷ２にそれぞれ並列に接続されたダイオード（フライホイールダイオード）、ＬＦはコイル、ＣＦはコンデンサ、ＲＬは負荷（スピーカ）、ＳＰＯＵＴはスピーカ出力端子である。
【０００３】
図２のデジタルアンプにおいては、入力信号をＰＷＭ変調した信号によりスイッチングトランジスタＳＷ１とＳＷ２が相補的に駆動され、コイルＬＦとコンデンサＣＦとからなるローパスフィルタを介して、負荷ＲＬが駆動される。すなわち、スイッチングトランジスタＳＷ１の導通（ＳＷ２は非導通）により図２のように正電源から電流Ｉ＋が流れ、スイッチングトランジスタＳＷ２の導通（ＳＷ１は非導通）により負電源へ電流Ｉ−が流れることにより負荷ＲＬが駆動される。このようなデジタルアンプは、非常に高効率な増幅器として知られている。
【０００４】
ところで、スピーカ出力の短絡という異常状態に対して、製品が破壊されるのを防止するためにアンプに保護回路が設けられるが、デジタルアンプの保護回路は、図３に示すように負電源側（以下、ローサイドと呼ぶ）の過電流検出回路ＬＤＴと正電源側（以下、ハイサイドと呼ぶ）の過電流検出回路ＨＤＴとから構成されるのが一般的である。過電流検出回路ＬＤＴは、抵抗Ｒ１，Ｒ２とＮＰＮトランジスタＱ１とからなり、ローサイドのスイッチングトランジスタＳＷ２に対して直列に挿入した抵抗Ｒ１の電圧を観測することにより、スピーカ出力短絡時の過電流を検出して、過電流検出時にトランジスタＱ１をオンさせるようにしたものである。同様に、過電流検出回路ＨＤＴは、抵抗Ｒ３〜Ｒ５とＰＮＰトランジスタＱ２とからなり、ハイサイドのスイッチングトランジスタＳＷ１に対して直列に挿入した抵抗Ｒ３の電圧を観測して、過電流検出時にトランジスタＱ２をオンさせ、このＱ２のオンによりトランジスタＱ１をオンさせるようにしたものである。図示しない制御回路は、トランジスタＱ１がオンすると、スイッチング動作の停止や電源オフ等の保護動作を行う。
【０００５】
しかしながら、図３のような保護回路では、正常な状態である瞬間的な大出力時の電流を過電流として誤検出しないようにすることが必要であり、一方、スピーカ出力の短絡に起因する過電流発生時には過電流を速やかに検出することが要求されるので、動作点の設定が難しいという問題点があった。
また、図２、図３のようなハーフブリッジのデジタルアンプでは、正電源と負電源の電圧が不均衡となる電源パンピング現象が発生することが知られている。以下、この電源パンピング現象について、図４を用いて説明する。図４は、図２のデジタルアンプにおいて負荷ＲＬに正の電圧ＶＲＬを供給する場合における各部の電圧及び電流を示す図である。
【０００６】
図４（Ａ）に示すように、正の電圧ＶＲＬが負荷ＲＬに印加されるときには、スイッチングトランジスタＳＷ１が導通する期間Ｔ１が、スイッチングトランジスタＳＷ２が導通する期間Ｔ２よりも長くなる。時刻ｔ１からｔ２までの期間Ｔ１では、正電源からスイッチングトランジスタＳＷ１、コイルＬＦ、負荷ＲＬ、グランドの経路で電流Ｉ１が流れる（図４（Ｃ））。次に、時刻ｔ２となり、スイッチングトランジスタＳＷ１が非導通となり、ＳＷ２が導通する。これにより、スイッチングトランジスタＳＷ１とＳＷ２の接続点の電圧Ｖｏは＋Ｖから−Ｖに変化する。一方、誘導性負荷であるコイルＬＦが存在するため、電流は電圧の変化よりも遅れて変化することになり、ある時間、電流は電圧の方向とは反対の方向に流れる。すなわち、ダイオードＤ２、コイルＬＦ、負荷ＲＬ、コンデンサＣ２という経路を通って、電流Ｉ２が流れ続ける（図４（Ｄ））。スイッチングトランジスタＳＷ１，ＳＷ２を駆動するＰＷＭ変調回路のスイッチング周波数は例えば数百ｋＨｚと非常に高い周波数であるため、スイッチングトランジスタＳＷ２を通って負電源へ電流Ｉ−が流れるようになる前に時刻ｔ３となって、スイッチングトランジスタＳＷ１が導通、ＳＷ２が非導通となり、再び電流Ｉ１が流れる。このようにして、負荷ＲＬには、図４（Ｂ）に示す負荷電流ＩＬが流れることとなる。
【０００７】
ここで、電流Ｉ２の向きは、スイッチングトランジスタＳＷ２の導通時に本来流れるはずの電流Ｉ−の向きと逆であり、ローサイドのコンデンサＣ２に電荷がチャージされることとなる。このため、コンデンサＣ２にチャージされる電圧Ｖ２は、ハイサイドのコンデンサＣ１の両端の電圧Ｖ１よりも高くなる（Ｖ２＞Ｖ１）。
また、逆に負の電圧が負荷ＲＬに印加される場合には、上記と逆の動作となり、ハイサイドのコンデンサＣ１にチャージされる電圧Ｖ１がローサイドのコンデンサＣ２の両端の電圧Ｖ２よりも高くなる（Ｖ１＞Ｖ２）。
【０００８】
以上のような電源パンピング現象により正電源と負電源の電圧が不均衡となって動作効率が低下すると共に、過電圧のためにアンプが破壊される可能性があった。この電源パンピング現象は、スピーカ出力の短絡時に、より顕著な問題となる。従来のデジタルアンプでは、図３に示した保護回路が作動すれば、スピーカ出力の短絡に起因する過電流を検出することができ、結果として電源パンピング現象によるアンプの破壊も防止できる。しかし、前述のとおり保護回路の動作点の設定が難しいため、過電流の発生を速やかに発見できない場合があり、その結果、電源パンピング現象による過電圧のためにアンプが破壊される可能性があった。
【０００９】
一方、保護回路の他の例として、スピーカ出力のローパスフィルタに電流検出用コイルを設けることにより、ローパスフィルタのコイルに流れる過電流を検出する保護回路が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図５は、特許文献１に開示された保護回路の構成を示す回路図であり、図２と同様の構成には同一の符号を付してある。この保護回路は、電流検出用コイル１と、整流器２と、減衰器３と、コンデンサ４と、Ｒ／Ｓラッチ回路５とから構成される。ローパスフィルタのコイルＬＦに巻き付けられた電流検出用コイル１は、相互誘導作用によってコイルＬＦを流れる電流を検出し、検出信号として出力する。検出信号は整流器２によって半波または全波整流された後、減衰器３によってレベルが減衰される。Ｒ／Ｓラッチ回路５は、入力された検出信号のレベルが所定値以上となった場合、過電流の発生を示すラッチ信号を出力する。こうして、この保護回路は、スピーカ出力短絡時の過電流を検出する。
【００１０】
しかしながら、図５の保護回路は、構成が複雑でコストがかかるという問題点があった。また、ローパスフィルタのコイルＬＦを流れる電流を電流検出用コイル１を用いて精度良く検出するためには、コイルＬＦの両端電圧を大きくすることが望ましく、コイルＬＦの抵抗成分を大きくする必要があるが、負荷ＲＬと直列に挿入される抵抗成分を大きくすることは負荷ＲＬ（スピーカ）の駆動という観点では好ましくない。このため、図５の保護回路では、電流検出の精度を高くすることができず、過電流の発生を速やかに発見できない場合があり、電源パンピング現象による過電圧のためにアンプが破壊される可能性があった。
【００１１】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】特開平５−１６０６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のように、図３、図５に示した従来の保護回路では、スピーカ出力の短絡に起因する過電流の発生を速やかに発見できない可能性があり、またスピーカ出力の短絡によって顕著となる電源パンピング現象のためにアンプが破壊される可能性があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、スピーカ出力の短絡を確実に検出することができ、かつ電源パンピング現象によるアンプの破壊を防止することができるデジタルアンプの保護回路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】
【００１３】
本発明のデジタルアンプの保護回路は、スピーカ出力端子に発生した直流電圧を検出する直流電圧検出回路と、この直流電圧検出回路から検出信号が出力されたときに保護動作を行う制御回路と、正の電源電圧と負の電源電圧の中点電位のずれを検出する中点電位検出回路とを有し、前記中点電位検出回路の出力を前記直流電圧検出回路の入力に接続して、前記中点電位のずれが検出されたときに前記直流電圧検出回路から検出信号を出力させるようにしたものである。
また、本発明のデジタルアンプの保護回路の１構成例において、前記中点電位検出回路は、一端に前記正の電源電圧が入力された第１の抵抗と、一端に前記負の電源電圧が入力され、他端が前記第１の抵抗の他端と接続された第２の抵抗とからなり、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の接続点を前記直流電圧検出回路の入力に接続するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、正の電源電圧と負の電源電圧の中点電位のずれを検出する中点電位検出回路を設け、この中点電位検出回路の出力を直流電圧検出回路の入力に接続するようにしたことにより、スピーカ出力の短絡を確実に検出することができ、かつ電源パンピング現象によるアンプの破壊を防止することができる。また、直流電圧検出回路や制御回路といった構成は従来からデジタルアンプに設けられているものなので、簡単な構成の中点電位検出回路を追加するだけで、スピーカ出力短絡の保護回路を実現することができる。また、ハイサイドの過電流検出回路とローサイドの過電流検出回路の両方を設ける必要がなくなり、どちらか一方のみを設ければよいので、過電流保護のための構成を簡単にしてコストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態に係るデジタルアンプの構成例を示す回路図であり、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。トランスＴ、ダイオードＤ３および平滑コンデンサＣ１は、正の電源電圧＋Ｖを出力する正電源を構成し、トランスＴ、ダイオードＤ４および平滑コンデンサＣ２は、負の電源電圧−Ｖを出力する負電源を構成している。図１のデジタルアンプにおいては、入力音声信号に基づいてＰＷＭ変調回路（不図示）によりスイッチングトランジスタＳＷ１とＳＷ２が相補的に駆動され、コイルＬＦとコンデンサＣＦとからなるローパスフィルタを介して、負荷ＲＬが駆動される。
【００１６】
本実施の形態は、図２に示した従来のデジタルアンプに対して、正の電源電圧＋Ｖと負の電源電圧−Ｖの中点電位のずれを検出する中点電位検出回路ＣＶＤＴを追加し、この中点電位検出回路ＣＶＤＴの出力を、従来からデジタルアンプに具備されている直流電圧検出回路ＤＣＤＴの入力に接続して、中点電位のずれが検出されたときに直流電圧検出回路ＤＣＤＴから検出信号を出力させるようにしたものである。
【００１７】
直流電圧検出回路ＤＣＤＴは、スピーカにとって不適切な直流電圧出力を検出するためのもので、抵抗Ｒ１３，Ｒ１４と、コンデンサＣ１１と、ＮＰＮトランジスタＱ１１，Ｑ１２とから構成される。この直流電圧検出回路ＤＣＤＴでは、スピーカ出力端子ＳＰＯＵＴに所定値以上の直流電圧が発生すると、トランジスタＱ１１またはＱ１２がオンして、検出信号Ｅｒｒｏｒが出力されるようになっている。
【００１８】
中点電位検出回路ＣＶＤＴは、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２から構成される。電源パンピング現象が生じていない場合、正の電源電圧＋Ｖと負の電源電圧−Ｖの大きさは等しく（Ｖ１＝Ｖ２）、電圧＋Ｖと−Ｖの中点電位は零（グランド電位）である。これに対して、電源パンピング現象が発生すると、電圧＋Ｖと−Ｖに不均衡が生じ（Ｖ１≠Ｖ２）、中点電位は正側または負側のどちらかにずれる。中点電位検出回路ＣＶＤＴは、この中点電位のずれを検出するものである。中点電位検出回路ＣＶＤＴの出力端子（抵抗Ｒ１１とＲ１２の接続点）を直流電圧検出回路ＤＣＤＴの入力端子に接続することにより、中点電位のずれが所定値以上の場合に直流電圧検出回路ＤＣＤＴのトランジスタＱ１１またはＱ１２をオンさせることができる。
【００１９】
このように、本実施の形態では、スピーカ出力の短絡時に電源パンピング現象による過電圧が顕著になることに着目し、正の電源電圧＋Ｖと負の電源電圧−Ｖの中点電位のずれにより電源パンピング現象を検出し、これによりスピーカ出力の短絡を検出するようにしたものである。制御回路ＣＴＬは、直流電圧検出回路ＤＣＤＴのトランジスタＱ１１またはＱ１２がオンして、検出信号Ｅｒｒｏｒが発生すると、例えばデジタルアンプの電源オン／オフのためのリレー（不図示）を制御してアンプの電源をオフにする、あるいはＰＷＭ変調回路を制御してスイッチングトランジスタＳＷ１，ＳＷ２のスイッチング動作を停止するといった保護動作を行う。
【００２０】
スピーカ出力の短絡時に電源パンピング現象による過電圧は明確に現れるので、スピーカ出力の短絡を確実に検出することができ、電源パンピング現象によるアンプの破壊を防止することができる。また、電源パンピング現象は、スピーカ出力の短絡時だけでなく、例えば低周波出力時等においても問題になるが、本実施の形態では、その発生原因によらずに電源パンピング現象を検出してアンプの破壊を防止できることは言うまでもない。
【００２１】
直流電圧検出回路ＤＣＤＴや、制御回路ＣＴＬ、電源オン／オフのためのリレー、あるいはＰＷＭ変調回路といった構成は従来からデジタルアンプに設けられているものなので、抵抗Ｒ１１とＲ１２を追加するだけで、スピーカ出力短絡の保護回路を実現することができる。
【００２２】
また、図２１に示した従来の保護回路では、過電流検出をハイサイドまたはローサイドの一方だけで行うと、電源パンピング現象により検出側の電流が逆方向になった場合に（図２０のＩ２）、異常を検出できない。したがって、図２１の構成では、過電流検出回路ＨＤＴとＬＤＴの両方を設ける必要がある。これに対して、本実施の形態では、過電流検出回路でスピーカ出力の短絡や電源パンピング現象を検出する必要はなく、他の原因による瞬間的な過電流の発生のみを検出すればよいので、過電流検出回路ＨＤＴ又はＬＤＴのどちらか一方のみを設ければよく、過電流保護のための構成を簡単にしてコストを低減することができる。
【００２３】
なお、本実施の形態の保護回路の動作点の設定は、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１４の値によって容易に設定することができる。抵抗Ｒ１４は既存の抵抗であるから、実際には抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の値によって設定することになる。
また、正の電源電圧＋Ｖと負の電源電圧−Ｖには、スイッチングノイズ等が重畳している可能性があり、このノイズにより本実施の形態の保護回路が誤動作してしまう恐れがあるが、直流電圧検出回路ＤＣＤＴに設けられたコンデンサＣ１１によりノイズの影響を軽減することができるので、保護回路の誤動作を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、ハーフブリッジのデジタルアンプに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係るデジタルアンプの構成例を示す回路図である。
【図２】従来のデジタルアンプの構成例を示す回路図である。
【図３】保護回路を備えた従来のデジタルアンプの構成例を示す回路図である。
【図４】従来のデジタルアンプにおける電源パンピング現象を説明するための図である。
【図５】保護回路を備えた従来のデジタルアンプの他の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００２６】
Ｔ…トランス、ＳＷ１、ＳＷ２…スイッチングトランジスタ、Ｑ１１、Ｑ１２…トランジスタ、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、Ｒ１１〜Ｒ１４…抵抗、ＲＬ…負荷、Ｃ１、Ｃ２、ＣＦ、Ｃ１１…コンデンサ、ＬＦ…コイル、ＳＰＯＵＴ…スピーカ出力端子、ＣＶＤＴ…中点電位検出回路、ＤＣＤＴ…直流電圧検出回路、ＣＴＬ…制御回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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