(57)【要約】【課題】スイッチング素子の過大な発熱や過大な発熱による素子の破壊を防止して、良好なオーディオ特性を得る。【解決手段】対とされたスイッチング素子を駆動して、パルス増幅したスイッチング信号を生成するスイッチング増幅部２０に、スイッチング素子の動作状態を検出する検出部を設ける。スイッチング素子を駆動するためのパルス幅変調信号を生成する信号生成部１０には、ロジックデバイスの伝搬遅延時間を利用してパルス幅変調信号を遅延させることでデッドタイムを設けるデッドタイム設定部１２と、検出部の検出結果に基づいてデッドタイム設定部１２を制御し、スイッチング素子での損失が増加する動作状態となって検出結果が予め設定した閾値に達したときにはデッドタイムを長くし、損失が減少する動作状態となって検出結果が予め設定した閾値に達したときにはデッドタイムを短くする制御部１４を設ける。【選択図】        図１
2006033499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対とされているスイッチング素子を駆動して、パルス増幅したスイッチング信号を生成するスイッチング増幅手段と、
前記スイッチング素子を駆動するためのパルス幅変調信号を生成して前記スイッチング増幅手段に供給する信号生成手段とを有するＤ級増幅器において、
前記スイッチング増幅手段には、前記スイッチング素子の動作状態を検出する検出手段を設け、
前記信号生成手段には、ロジックデバイスの伝搬遅延時間を利用して前記パルス幅変調信号を遅延させることにより、前記スイッチング素子に対してデッドタイムを設定するデッドタイム設定手段と、前記検出手段での検出結果に基づき前記デッドタイム設定手段を制御して、前記デッドタイムを前記スイッチング素子の動作状態に応じて可変させる制御手段を設けた
ことを特徴とするＤ級増幅器。
【請求項２】
前記制御手段は、前記検出手段での検出結果に基づき、前記スイッチング素子での損失が増加する動作状態となり該検出結果が予め設定した閾値に達したときには前記デッドタイムを長くし、前記スイッチング素子での損失が減少する動作状態となり該検出結果が予め設定した閾値に達したときには前記デッドタイムを短くする
ことを特徴とする請求項１記載のＤ級増幅器。
【請求項３】
前記デッドタイム設定手段は、プログラム可能なロジックデバイスを用いて構成し、
前記制御手段は、前記検出手段での検出結果に基づいてプログラムを生成して前記デッドタイム設定手段に供給し、前記デッドタイムを可変させる
ことを特徴とする請求項１記載のＤ級増幅器。
【請求項４】
前記デッドタイム設定手段は、ロジックデバイスを用いて構成された伝搬遅延時間の異なる複数の遅延回路を有し、
前記制御手段は、前記検出手段での検出結果に基づいて前記遅延回路の選択を行うことで前記デッドタイムを可変させる
ことを特徴とする請求項１記載のＤ級増幅器。
【請求項５】
前記検出手段は、前記スイッチング素子の動作状態として前記スイッチング素子の温度を検出する
ことを特徴とする請求項１記載のＤ級増幅器。
【請求項６】
前記検出手段は、前記スイッチング素子の動作状態として前記スイッチング素子に流れる電流を検出する
ことを特徴とする請求項１記載のＤ級増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はＤ級増幅器に関する。詳しくは、ロジックデバイスの伝搬遅延時間を利用してパルス幅変調信号を遅延させることにより、対とされたスイッチング素子に対してデッドタイムを設定して、このデッドタイムをスイッチング素子の動作状態に応じて可変させることにより、スイッチング素子の過大な発熱や過大な発熱による素子の破壊を防止して、良好なオーディオ特性を得るものである。
【背景技術】
【０００２】
オーディオ機器では、高効率化や小型・軽量化のためＤ級増幅器が使用されている。Ｄ級増幅器は、特許文献１に開示されているように、１対のスイッチング素子から成るハーフブリッジ方式のスイッチング増幅部又は２対のスイッチング素子から成るブリッジ方式のスイッチング増幅部と、これらのスイッチング増幅部を駆動するためのドライバ部とから成る。ドライバ部には、アナログ信号をＰＷＭ変調（パルス幅変調）して得られたパルス幅変調信号又はアナログ信号を１ビットＡ／Ｄ変換した信号から成るパルス幅変調信号が入力される。ドライバ部はスイッチング増幅部において対とされているスイッチング素子の一方を、入力されたパルス幅変調信号と同相にオン・オフ制御し、他方のスイッチング素子を逆相にオン・オフ制御する。このスイッチング素子のオン・オフによってパルス増幅されたスイッチング信号を低域フィルタによって帯域制限することにより、増幅されたアナログ信号を得ることができる。
【０００３】
また、対とされているスイッチング素子をドライバ部からの駆動信号に基づいて駆動するとき、ハイサイドとローサイドのスイッチング素子が同時にオン状態とされると、大きな貫通電流が流れて過大な発熱や素子の破壊を招くおそれがある。このため、Ｄ級増幅器では、デッドタイム設定部によって、例えばスイッチング素子のオンタイミングを遅延させて、ハイサイドのスイッチング素子とローサイドのスイッチング素子が同時にオフ状態とされるデッドタイムを設けることにより、大きな貫通電流が流れてしまうことが防止されている。しかし、デッドタイムを長くするとスピーカから出力される再生音声の歪みが大きくなり、音質の悪化を招いてしまう。したがって、デッドタイムの時間長は、貫通電流の発生とオーディオ特性のトレードオフによって設計されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２０４１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、デッドタイム設定部は、例えばコンデンサと抵抗器で構成された積分器を用いて信号を遅延させることでデッドタイムが生成されている。図１２は、従来のデッドタイム設定部９０の構成を示している。入力信号Ｄinは２入力ＡＮＤゲート９１の一方の入力端子と抵抗器９２の一方の端子に供給される。抵抗器９２の他方の端子はコンデンサ９３を介して接地されており、抵抗器９２とコンデンサ９３との接続点Ｐに、ＡＮＤゲート９１の他方の入力端子が接続される。
【０００６】
図１３は、従来のデッドタイム設定部９０の動作を説明するための図である。図１３Ａはデッドタイム設定部９０に供給される入力信号Ｄin、図１３Ｂは接続点Ｐの信号レベルＤp、図１３ＣはＡＮＤゲート９１から出力される出力信号Ｄoutを示している。
【０００７】
時点ｔ11で入力信号Ｄinがハイレベル「Ｈ」となると、接続点Ｐの信号レベルＤpは、抵抗器９２の抵抗値とコンデンサ９３の静電容量によって決定される時定数で信号レベルが上昇する。
【０００８】
時点ｔ12で信号レベルＤpがＡＮＤゲート９１のしきい値Ｖthを超えると、ＡＮＤゲート９１に入力される信号は、共にハイレベル「Ｈ」となるため、ＡＮＤゲート９１からの出力信号Ｄoutは、ローレベル「Ｌ」からハイレベル「Ｈ」に切り換えられる。
【０００９】
時点ｔ13で入力信号Ｄinがローレベル「Ｌ」となると、ＡＮＤゲート９１に入力される信号は、一方がローレベル「Ｌ」となるので出力信号Ｄoutは、ハイレベル「Ｈ」からローレベル「Ｌ」に切り換えられる。このように、ＡＮＤゲート９１に入力される信号の一方を抵抗器９２とコンデンサ９３によって積分することで、デッドタイム設定部９０では、入力信号Ｄinの立ち上がりのタイミングを時点ｔ11から時点ｔ12に遅延させることができる。
【００１０】
しかし、このような方法を用いた場合、抵抗器９２の抵抗値やコンデンサ９３の静電容量がばらつきを生じたり温度変化を生じると、デッドタイムが所望値とならなくなってしまう。
【００１１】
また、特許文献１のように、温度変化が生じた場合であっても、入力信号に対して忠実にスイッチング素子をオン・オフさせるため、インバータ部に供給する電圧を温度変化に応じて制御すると、電源部の構成が複雑となってしまう。さらに、特許文献１ではオン・オフのタイミング調整範囲がインバータ部に供給する電圧の可変範囲で決定されてしまうため、タイミング調整範囲を自由に設定することができない。
【００１２】
そこで、この発明では、スイッチング素子の過大な発熱や過大な発熱による素子の破壊を防止して、良好なオーディオ特性を得ることができるＤ級増幅器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係るＤ級増幅器は、対とされているスイッチング素子を駆動して、パルス増幅したスイッチング信号を生成するスイッチング増幅手段と、スイッチング素子を駆動するためのパルス幅変調信号を生成してスイッチング増幅手段に供給する信号生成手段とを有するＤ級増幅器において、スイッチング増幅手段には、スイッチング素子の動作状態を検出する検出手段を設け、信号生成手段には、ロジックデバイスの伝搬遅延時間を利用してパルス幅変調信号を遅延させることにより、スイッチング素子に対してデッドタイムを設定するデッドタイム設定手段と、検出手段での検出結果に基づきデッドタイム設定手段を制御して、デッドタイムをスイッチング素子の動作状態に応じて可変させる制御手段を設けたものである。
【００１４】
この発明においては、スイッチング素子の動作状態として、スイッチング素子の温度やスイッチング素子に流れる電流が検出される。ここで、スイッチング素子での損失が増加する動作状態となり検出結果が予め設定した閾値に達したとき、すなわちスイッチング素子の温度が上昇しあるいはスイッチング素子に流れる電流が増加して閾値に達したときには、ロジックデバイスの伝搬遅延時間が長くなるようにプログラムが生成されて、あるいは伝搬遅延時間の長い遅延回路が選択されて、デッドタイムが長くされる。また、スイッチング素子での損失が減少する動作状態となり検出結果が予め設定した閾値に達したとき、すなわちスイッチング素子の温度が下降しあるいはスイッチング素子に流れる電流が減少して閾値に達したときには、ロジックデバイスの伝搬遅延時間が短くなるようにプログラムが生成されて、あるいは伝搬遅延時間の短い遅延回路が選択されて、デッドタイムが短くされる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、ロジックデバイスの伝搬遅延時間を利用してパルス幅変調信号を遅延させることにより、スイッチング素子に対してデッドタイムが設定されて、このデッドタイムは、スイッチング素子の動作状態に応じて可変される。このように、ロジックデバイスの伝搬遅延時間を利用してデッドタイムを設定することから、デッドタイムのばらつきが少なくなり、スイッチング素子の動作状態に応じてデッドタイムを精度良く可変できる。
【００１６】
また、スイッチング素子での損失が増加する動作状態となって検出結果が予め設定した閾値に達したときにはデッドタイムが長くされ、スイッチング素子での損失が減少する動作状態となって検出結果が予め設定した閾値に達したときにはデッドタイムが短くされる。このため、スイッチング素子の温度が上昇したときはデッドタイムが長くされて、スイッチング素子の過大な発熱や過大な発熱による素子の破壊を防止できる。また、スイッチング素子の発熱が大きくないときはデッドタイムが短くされて、オーディオ特性を良好なものにできる。さらに、スイッチング素子の発熱を低く抑えることができるので、ヒートシンクが不要または、ヒートシンクのサイズを小さくでき、Ｄ級増幅器を安価に提供できる。
【００１７】
また、プログラム可能なロジックデバイスを用いてデッドタイムの設定を行い、スイッチング素子の動作状態に応じてプログラムを生成して、このプログラム可能なロジックデバイスを制御することによりデッドタイムが可変される。このため、デッドタイムを自由に可変することができる。
【００１８】
また、ロジックデバイスを用いて構成された伝搬遅延時間の異なる複数の遅延回路を設けて、スイッチング素子の動作状態に応じて遅延回路の選択を行うことでデッドタイムが可変される。このため、デッドタイムを容易に可変できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図を参照しながら、この発明の実施の一形態について説明する。図１はＤ級増幅器の構成を示すブロックである。なお、図１において、スイッチング増幅部２０は、２対のスイッチング素子からなるフルブリッジ方式のスイッチング増幅部である場合を示している。
【００２０】
信号生成部１０の変調処理部１１は、供給されたアナログの音声信号Ｓaに基づいたＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号を生成してデッドタイム設定部１２に供給する。例えば、音声信号Ｓaの振幅と三角波の振幅をコンパレータで比較することにより音声信号Ｓaの二値化を行い、ＰＷＭ信号を生成してデッドタイム設定部１２に供給する。また、ＰＷＭ信号の生成は、ΔΣ変調を用いて行うものとしても良い。ΔΣ変調では、音声信号Ｓaを積分器に入力して、この積分器の出力をＡ−Ｄ変換することでビット・ストリーム信号を生成する。さらに、生成されたビット・ストリーム信号をＤ−Ａ変換することにより得られたアナログ信号を積分器に供給して負帰還をかけることにより、音声信号Ｓaに応じたビット・ストリーム信号を生成する。このようにして生成したビット・ストリーム信号は、音声信号Ｓaの信号レベルに応じたビット間隔を有するものであり、このビット・ストリーム信号に基づいたＰＷＭ信号を生成してデッドタイム設定部１２に供給する。また、変調処理部１１は、ディジタルの音声信号に基づいてＰＷＭ信号を生成してデッドタイム設定部１２に供給するものとしても良い。この場合、変調処理部１１は、入力されたディジタルの音声信号をΔΣ変調し、さらにパルス幅変調を行うことでＰＷＭ信号を生成できる。
【００２１】
デッドタイム設定部１２は、変調処理部１１で生成されたＰＷＭ信号ＰＡ-1h，ＰＡ-1l，ＰＡ-2h，ＰＡ-2lのタイミングを調整して、ハイサイドのスイッチング素子とローサイドのスイッチング素子が同時にオフ状態とされるデッドタイムを設ける。
【００２２】
デッドタイム設定部１２は、変調処理部１１で生成されたＰＷＭ信号ＰＡ-1h，ＰＡ-1l，ＰＡ-2h，ＰＡ-2lのタイミングを調整して、ハイサイドのスイッチング素子とローサイドのスイッチング素子が同時にオフ状態とされるデッドタイムを設ける。
【００２３】
図２は、デッドタイム設定部１２の構成を示している。このデッドタイム設定部１２は、プログラム可能なハードウェアロジックデバイス、例えばＰＬＤ(Programmable Logic Device)を用いて構成されており、変調処理部１１で生成されたＰＷＭ信号毎に、等しい回路構成のタイミング調整回路１２-1h，１２-1l，１２-2h，１２-2lが設けられている。
【００２４】
タイミング調整回路１２-1hに入力されたＰＷＭ信号ＰＡ-1hは、ＡＮＤゲート１２１の一方の入力端子と遅延発生回路１２２に供給される。遅延発生回路１２２は、制御部１４から供給されたデッドタイム制御情報ＤＰに基づいてロジックデバイスを縦続接続して構成されており、ＰＷＭ信号ＰＡ-1hに対して所望の遅延量を生じたＰＷＭ信号ＰＡ-1hdを生成して、ＡＮＤゲート１２１の他方の入力端子に供給する。ここで、ロジックデバイスを縦続接続すると、各ロジックデバイスの伝搬遅延時間が累積される。このため、使用するロジックデバイスやロジックデバイスの縦続接続数を制御することにより、ＰＷＭ信号ＰＡ-1hに対して良好な精度で所望の遅延量を生じたＰＷＭ信号ＰＡ-1hdが遅延発生回路１２２によって生成される。なお、ロジックデバイスとしては、ゲートやフリップフロップ等を用いることが可能であり、図２の遅延発生回路１２２では、インバータの対を１あるいは複数縦続接続した場合を示している。また、ＰＬＤを用いる場合のデッドタイム制御情報ＤＰの供給は、例えばＪＴＡＧ(Joint Test Action Group)等のインタフェースを用いることで容易に行うことができる。
【００２５】
ＡＮＤゲート１２１は、供給された２つの信号の論理積信号を生成してＰＷＭ信号ＰＢ-1hとしてドライバ部１３に供給する。ここで、ＰＷＭ信号ＰＡ-1hdは、ＰＷＭ信号ＰＡ-1hに対して所望の遅延量を生じた信号であるので、論理積信号は、ＰＷＭ信号ＰＡ-1hにおける立ち上がりのタイミング、すなわちスイッチング素子がオン状態となるタイミングを所望の遅延量だけ精度良く遅延させた信号となる。このタイミング調整回路１２-1hで生成された論理積信号は、ＰＷＭ信号ＰＢ-1hとしてドライバ部１３に供給される。
【００２６】
タイミング調整回路１２-1l，１２-2h，１２-2lは、タイミング調整回路１２-1hと同様にして、ＰＷＭ信号ＰＡ-1l，ＰＡ-2h，ＰＡ-2lにおける立ち上がりのタイミングを所望の遅延量だけ精度良く遅延させた信号を生成して、この信号をＰＷＭ信号ＰＢ-1l，ＰＢ-2h，ＰＢ-2lとしてドライバ部１３に供給する。このように、デッドタイム設定部１２で生成されたＰＷＭ信号ＰＢ-1h，ＰＢ-1l，ＰＢ-2h，ＰＢ-2lは、ＰＷＭ信号ＰＡ-1h，ＰＡ-1l，ＰＡ-2h，ＰＡ-2lの立ち上がりタイミングを所望の遅延量だけ精度良く遅延させた信号であることから、ハイサイドのスイッチング素子とローサイドのスイッチング素子が同時にオフ状態とされるデッドタイムを精度良く設定することができる。また、制御部１４から供給されたデッドタイム制御情報ＤＰに基づき、遅延発生回路１２２において使用するロジックデバイスやロジックデバイスの縦続接続数を制御することで、デッドタイムの時間長を可変することができる。
【００２７】
図１に示すドライバ部１３は、デッドタイム設定部１２から供給されたＰＷＭ信号ＰＢ-1h，ＰＢ-1l，ＰＢ-2h，ＰＢ-2lに基づいて、スイッチング増幅部２０を駆動するための駆動信号ＰＣ-1h，ＰＣ-1l，ＰＣ-2h，ＰＣ-2lを生成する。
【００２８】
図３は、スイッチング増幅部２０がＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いて構成されているときのドライバ部１３の構成を示している。
【００２９】
ドライバ部１３は、ＰＷＭ信号ＰＢ-1h，ＰＢ-1lに基づき駆動信号ＰＣ-1h，ＰＣ-1lを生成する第１ドライバ部１３-1と、第１ドライバ部１３-1と同様に構成されてＰＷＭ信号ＰＢ-2h，ＰＢ-2lに基づき駆動信号ＰＣ-2h，ＰＣ-2lを生成する第２ドライバ部１３-2で構成されている。
【００３０】
第１ドライバ部１３-1におけるダイオード１３１のアノードと遅延回路１３５と増幅器１３６には、電源電圧ＶDDが印加される。ダイオード１３１のカソードは、コンデンサ１３２の一方の端子と、レベルシフト回路１３３および増幅器１３４に接続される。コンデンサ１３２の他方の端子は、後述する接続点ＴＡと接続される。また、接続点ＴＡには、レベルシフト回路１３３や増幅器１３４が接続される。
【００３１】
ダイオード１３１とコンデンサ１３２は、ブートストラップ回路を構成するものであり、このブートストラップ回路によって、レベルシフト回路１３３や増幅器１３４に供給される電源電圧ＶCCを電源電圧ＶDDよりも高電圧とする。ここで、ハイサイドのスイッチング素子としてＮチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられており、ハイサイドのＮチャネルＭＯＳＦＥＴのドレインに電源電圧ＶBBが印加される場合、このＮチャネルＭＯＳＦＥＴを正しくオン状態とするためには、接続点ＴＡの電圧より、少なくともゲートしきい値電圧ＶGS以上高い電圧でゲートを駆動しなければならない。また、接続点ＴＡの電圧は、他のＭＯＳＦＥＴの駆動状態によって変化するものであるから、他のＭＯＳＦＥＴの駆動状態に係らず増幅器１３４によってハイサイドのＮチャネルＭＯＳＦＥＴを正しくオン・オフさせることができるように、電源電圧ＶCCは、ドレインに印加される電源電圧ＶBBより、少なくともゲートしきい値電圧ＶGS以上高い電圧とする。
【００３２】
レベルシフト回路１３３は、ＰＷＭ信号ＰＢ-1hの信号レベルを増幅器１３４の入力レベルに応じた信号に変換する。また、遅延回路１３５は、レベルシフト回路１３３でＰＷＭ信号ＰＢ-1hの信号レベル変換に要する時間だけ、ＰＷＭ信号ＰＢ-1lを遅延させて増幅器１３６に供給する。
【００３３】
増幅器１３４は、レベルシフトされたＰＷＭ信号ＰＢ-1hに基づいて駆動信号ＰＣ-1hを生成して、スイッチング増幅部２０に供給する。増幅器１３６は、ＰＷＭ信号ＰＢ-1lに基づいて駆動信号ＰＣ-1lを生成して、スイッチング増幅部２０に供給する。
【００３４】
第２ドライバ部１３-2も第１ドライバ部１３-1と同様にして、ＰＷＭ信号ＰＢ-2h，ＰＢ-2lに基づき駆動信号ＰＣ-2h，ＰＣ-2lを生成してスイッチング増幅部２０に供給する。
【００３５】
制御部１４は、スイッチング増幅部２０からのセンサ信号ＳＣに基づき、デッドタイム制御情報ＤＰを生成してデッドタイム設定部１２に供給して、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２，２０３，２０４の動作状態に応じてデッドタイムを可変する。
【００３６】
図４はスイッチング増幅部２０の構成を示している。スイッチング増幅部２０は、スイッチング素子としてＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用い、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２およびＭＯＳＦＥＴ２０３，２０４をそれぞれ対とすることで、フルブリッジ方式のスイッチング増幅部とされている。
【００３７】
ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０３のドレインには、電源電圧ＶBBが印加される。ＭＯＳＦＥＴ１４１のソースはＭＯＳＦＥＴ１４２のドレインと接続されており、ＭＯＳＦＥＴ１４２のソースは接地されている。同様に、ＭＯＳＦＥＴ１４３のソースはＭＯＳＦＥＴ１４４のドレインと接続されており、ＭＯＳＦＥＴ１４４のソースは接地されている。ＭＯＳＦＥＴ１４１のゲートにはドライバ部１３から駆動信号ＰＣ-1hが供給される。また、ＭＯＳＦＥＴ１４２，１４３，１４４のゲートには、それぞれドライバ部１３から駆動信号ＰＣ-1l，ＰＣ-2h，ＰＣ-2lが供給される。
【００３８】
ＭＯＳＦＥＴ１４１のソースとＭＯＳＦＥＴ１４２のドレインの接続点ＴＡは、低域フィルタ３１を介してスピーカ２３の一方の入力端子と接続されており、ＭＯＳＦＥＴ１４３のソースとＭＯＳＦＥＴ１４４のドレインの接続点ＴＢは、低域フィルタ３２を介してスピーカ２３の他方の入力端子と接続されている。
【００３９】
また、スイッチング増幅部２０には、スイッチング素子の動作状態を検出する検出部が設けられている。例えば、検出部としてサーミスタや熱電対等の温度センサ２０５が設けられており、スイッチング素子での損失に応じて変化するスイッチング素子の温度を温度センサ２０５で検出して、検出結果を示すセンサ信号ＳＣを生成して制御部１４に供給する。
【００４０】
図５は、Ｄ級増幅器の動作を説明するため図である。図５Ａ〜図５Ｄは、変調処理部１１で生成されたＰＷＭ信号ＰＡ-1h，ＰＡ-1l，ＰＡ-2h，ＰＡ-2lを示している。上述のように、ＰＷＭ信号ＰＡ-1hはハイサイドのＭＯＳＦＥＴ２０１を駆動するために用いられる信号であり、ＰＷＭ信号ＰＡ-1lはローサイドのＭＯＳＦＥＴ２０２を駆動するために用いられる信号である。また、ＰＷＭ信号ＰＡ-2hはハイサイドのＭＯＳＦＥＴ２０３を駆動するために用いられる信号であり、ＰＷＭ信号ＰＡ-2lはローサイドのＭＯＳＦＥＴ２０４を駆動するために用いられる信号である。図５Ｅは接続点ＴＡの電圧、図５Ｆは接続点ＴＢの電圧を示している。また、ＰＷＭ信号がハイレベル「Ｈ」となるとＭＯＳＦＥＴはオン状態とされ、ＰＷＭ信号がローレベル「Ｌ」となるとＭＯＳＦＥＴはオフ状態とされる。このため、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０４がオン状態で、ＭＯＳＦＥＴ２０２，２０３がオフ状態とされる期間ＴＭaでは、図５Ｇに示すように、スピーカ２３に流れる電流Ｉspの向きは、低域フィルタ３１からスピーカ２３を介して低域フィルタ３２に流れる方向である電流方向ＦＡとなる。また、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０４がオフ状態で、ＭＯＳＦＥＴ２０２，２０３がオン状態とされる期間ＴＭbでは、低域フィルタ３２からスピーカ２３を介して低域フィルタ３１の流れる方向である電流方向ＦＢとなる。
【００４１】
図６は、制御部１４のデッドタイム制御動作を示すフローチャートである。ステップＳＴ１で制御部１４は、温度センサ２０５からのセンサ信号ＳＣに基づき、スイッチング増幅部２０の温度が上昇して閾値に達したか否かを判別する。ここで、閾値に達したときはステップＳＴ２に進み、達していないときはステップＳＴ４に進む。
【００４２】
ステップＳＴ２で制御部１４は、デッドタイムが最大となっているか否かを判別する。
上述のように、デッドタイムを設けるとスイッチング素子がオン状態となるタイミングが遅延されるので、デッドタイムが長くなると歪みが大きくなってしまう。このため、歪みが許容可能な最大値となるデッドタイムを最大デッドタイムとして設定し、デッドタイムが最大デッドタイムとなったか否かを判別する。
【００４３】
ここで、デッドタイムが最大となっていないときはステップＳＴ３に進み、デッドタイム設定部１２を制御してデッドタイムを長くしてステップＳＴ７に進む。例えばロジックデバイスの縦続接続数を増加させてデッドタイムを長くする。また、デッドタイムが最大となっているときはステップＳＴ８に進む。
【００４４】
ステップＳＴ１からステップＳＴ４に進むと、制御部１４は、温度センサ２０５からのセンサ信号ＳＣに基づき、スイッチング増幅部２０の温度が下降して閾値に達したか否かを判別する。ここで、閾値に達したときはステップＳＴ５に進み、達していないときはステップＳＴ７に進む。
【００４５】
ステップＳＴ５で制御部１４は、デッドタイムが最小となっているか否かを判別する。デッドタイムが最小となっていないときはステップＳＴ６に進み、デッドタイム設定部１２を制御してデッドタイムを短くしてステップＳＴ７に進む。例えばロジックデバイスの縦続接続数を減少させてデッドタイムを短くする。また、デッドタイムが最小となっているときはステップＳＴ７に進む。
【００４６】
ステップＳＴ７では、Ｄ級増幅器の動作終了であるか否かを判別する。ここで、動作終了操作等が行われて、Ｄ級増幅器の動作を終了するときには制御動作を終了する。Ｄ級増幅器の動作終了でないときはステップＳＴ１に戻る。
【００４７】
また、ステップＳＴ２でデッドタイムが最大であると判別されてステップＳＴ８に進むと、制御部１４は、ステップＳＴ１で温度が達したと判別した閾値が、最高温度の閾値であるか否かを判別する。ここで、最高温度の閾値でないときはステップＳＴ１に戻り、最高温度であるときはステップＳＴ９に進む。
【００４８】
ステップＳＴ９で制御部１４は、スイッチング増幅部２０の温度が最高温度の閾値に達しており、デッドタイムを更に長くすることもできないことから、過大な発熱によるスイッチング素子の破壊を防止するために動作強制停止処理を行い、スイッチング素子の動作を停止させる。例えば、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２，２０３，２０４が全てオフ状態となるように駆動信号ＰＣ-1h，ＰＣ-1l，ＰＣ-2h，ＰＣ-2lを生成させる。あるいはスイッチング素子に対しての電源電圧ＶBBの印加を停止させる。
【００４９】
図７は、デッドタイム制御動作を説明するための図である。Ｄ級増幅器の動作が開始されて、図７Ａに示すようにスイッチング増幅部２０の温度が上昇して時点ｔ1で閾値ＬＴbに達したとき、制御部１４はデッドタイム設定部１２を制御して、図７Ｂに示すようにデッドタイムをＷaからＷｂに長くする。デッドタイムを増加したことによりスイッチング増幅部２０での発熱が少なくなって温度が下降して時点ｔ2で閾値ＬＴaに達したとき、制御部１４は、デッドタイム設定部１２を制御して、デッドタイムをＷbからＷaに短くする。その後、温度が上昇して時点ｔ3で閾値ＬＴbに達したとき、制御部１４はデッドタイム設定部１２を制御して、デッドタイムをＷaからＷｂに長くする。以下同様にして、スイッチング増幅部２０の温度に応じて、デッドタイムを調整する。なお、閾値を更に多く設けるものとすれば、デッドタイムを更に詳細に制御することができる。
【００５０】
このように、信号生成部１０では、ロジックデバイスの伝搬遅延時間を利用してＰＷＭ信号を遅延させることにより、スイッチング素子に対してデッドタイムが設定される。また、スイッチング増幅部２０の温度に応じて可変される。このため、デッドタイムのばらつきが少なくなり、スイッチング増幅部２０の温度に応じてデッドタイムを精度良く可変できる。
【００５１】
また、スイッチング増幅部２０の温度が上昇して閾値に達する毎にデッドタイムが長くされ、スイッチング増幅部２０の温度が下降して閾値に達する毎にデッドタイムが短くさせる。このため、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２，２０３，２０４の過大な発熱や過大な発熱による素子の破壊を防止することができる。また、スイッチング増幅部２０の温度が低くなるとデッドタイムが短くされるので、再生音声の歪みを少なくすることが可能となり、良好なオーディオ特性を得ることができる。さらに、デッドタイムを制御してＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２，２０３，２０４の発熱を低く抑えることが可能となるで、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２，２０３，２０４が取り付けられるヒートシンクのサイズを小さくしたり、あるいはヒートシンクを不要として、Ｄ級増幅器を安価に提供できる。また、プログラム可能なロジックデバイスを用いてデッドタイムの設定を行い、スイッチング素子の動作状態に応じてプログラムを生成して、このプログラム可能なロジックデバイスが制御されるので、アンプ動作中にデッドタイムを自由に可変することができる。
【００５２】
ところで、上述の実施の形態では、プログラム可能なロジックデバイスを用いてデッドタイム設定部１２を構成するものとしたが、デッドタイム設定部１２はプログラム可能なロジックデバイスを用いるものに限られるものではない。
【００５３】
図８は、デッドタイム設定部の他の構成を示している。デッドタイム設定部１２aは、変調処理部１１で生成されたＰＷＭ信号毎に、等しい回路構成のタイミング調整回路１２a-1h，１２a-1l，１２a-2h，１２a-2lが設けられている。
【００５４】
タイミング調整回路１２a-1hは、例えばインバータを対として設けて遅延素子を構成し、この遅延素子の縦続接続数を変えた複数の遅延発生回路１２３-1〜１２３-nを有している。このタイミング調整回路１２-1hに入力されたＰＷＭ信号ＰＡ-1hは、ＡＮＤゲート１２１の一方の入力端子と遅延発生回路１２３-1〜１２３-nに供給される。遅延発生回路１２３-1〜１２３-nは、供給されたＰＷＭ信号ＰＡ-1hをそれぞれ異なる遅延量で遅延させて信号選択部１２４に供給する。信号選択部１２４は、制御部１４から供給されたデッドタイム制御情報ＤＰに基づき遅延発生回路の選択を行い、選択された遅延発生回路から供給された信号をＡＮＤゲート１２１に供給する。ＡＮＤゲート１２１は、供給された２つの信号の論理積信号を生成してＰＷＭ信号ＰＢ-1hとしてドライバ部１３に供給する。
【００５５】
タイミング調整回路１２a-1l，１２a-2h，１２a-2lは、タイミング調整回路１２a-1hと同様にして、ＰＷＭ信号ＰＡ-1l，ＰＡ-2h，ＰＡ-2lにおける立ち上がりのタイミングを所望の遅延量だけ精度良く遅延させた信号を生成して、この信号をＰＷＭ信号ＰＢ-1l，ＰＢ-2h，ＰＢ-2lとしてドライバ部１３に供給する。
【００５６】
ここで、制御部１４は、スイッチング増幅部２０の温度が上昇して閾値に達する毎に選択する遅延発生回路を切り換えて、デッドタイムを長くさせる。また、制御部１４は、スイッチング増幅部２０の温度が下降して閾値に達する毎に選択する遅延発生回路を切り換えて、デッドタイムを短くさせる。このように、スイッチング増幅部２０の温度に応じて遅延発生回路を選択して、この選択した遅延発生回路から出力される信号を用いることで、デッドタイムを容易に可変できる。
【００５７】
ところで、上述の形態では、スイッチング素子の動作状態として、スイッチング素子での損失に応じて変化するスイッチング素子の温度を検出するものとしたが、スイッチング素子に流れる電流に応じてスイッチング素子での損失が変化することから、スイッチング素子の動作状態としてスイッチング素子に流れる電流を検出して、検出結果に基づきデッドタイムを可変するものとしても良い。図９はスイッチング素子に流れる電流を検出する場合のスイッチング増幅部２０aの構成を示している。
【００５８】
電源電圧ＶBBは電流検出用の抵抗器２０７を介してＭＯＳＦＥＴ２０１，２０３のドレインに供給される。抵抗器２０７の一方の端子は演算増幅器２０８の反転入力端子、他方の端子は非反転入力端子と接続される。また、演算増幅器２０８の出力端子と反転入力端子間には帰還抵抗器２０９が設けられる。この場合、抵抗器２０７の端子間には、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０３に流れる電流に応じた電圧が生ずることから、演算増幅器２０８からの出力信号は、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０３に流れる電流に応じた信号となる。このため、演算増幅器２０８からの出力信号をセンサ信号ＳＣとして制御部１４に供給して、センサ信号ＳＣによって示された電流が閾値よりも大きくなるときにはデッドタイムが長くなるようにデッドタイム設定部１２を制御し、電流が閾値よりも小さくなるときにはデッドタイムが短くなるようにデッドタイム設定部１２を制御する。このように、スイッチング素子に流れる電流に応じてデッドタイムを制御すれば、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２，２０３，２０４の過大な発熱や過大な発熱による素子の破壊を防止できる。また、良好なオーディオ特性を得ることができる。さらに、ＭＯＳＦＥＴ２０１に流れる電流とＭＯＳＦＥＴ２０１に流れる電流を個々に検出して、ＭＯＳＦＥＴ２０１に流れる電流に応じてＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２のデッドタイムを制御し、ＭＯＳＦＥＴ２０３に流れる電流に応じて、ＭＯＳＦＥＴ２０３，２０４のデッドタイムを制御すれば、過大な発熱や過大な発熱による素子の破壊をより確実に防止できるとともに、更に良好なオーディオ特性を得ることができる。
【００５９】
さらに、制御部１４はデッドタイムの切り換え後、所定期間はデッドタイムの切り換えを禁止する不感帯を設けるものとしても良い。この場合、例えばスイッチング素子に流れる電流が激しく変化しても、流れる電流に応じてデッドタイムが頻繁に切り換えられることがなく、安定した動作を得ることができる。
【００６０】
また、上述の形態のスイッチング増幅部２０，２０aは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いてフルブリッジ方式のスイッチング増幅部を構成するものとしたが、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いてスイッチング増幅部を構成するものとしても良い。図１０は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴをハイサイドに用いたスイッチング増幅部２０bの構成を示している。
【００６１】
この場合、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１０，２１１のソースに電源電圧ＶBBが供給される。また、ＭＯＳＦＥＴ２１０のドレインは、ＭＯＳＦＥＴ２０２のドレインと接続され、ＭＯＳＦＥＴ２１１のドレインは、ＭＯＳＦＥＴ２０４のドレインと接続される。
【００６２】
ＭＯＳＦＥＴ２０２のドレインとＭＯＳＦＥＴ２１０のドレインの接続点ＴＣは、低域フィルタ３１を介してスピーカ２３の一方の入力端子と接続されており、ＭＯＳＦＥＴ２０４のドレインとＭＯＳＦＥＴ２１１のドレインの接続点ＴＤは、低域フィルタ３２を介してスピーカ２３の他方の入力端子と接続されている。
【００６３】
このように、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴをハイサイドに用いるとき、ＭＯＳＦＥＴ２１０，２１１のゲート電圧を接続点ＴＣの電圧より高くしなくとも、ＭＯＳＦＥＴ２１０，２１１を正しくオン・オフさせることができる。このため、スイッチング増幅部２０bに駆動信号を供給するドライバ部１３aには、ブートストラップ回路を設ける必要がなく、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴをハイサイドに用いる場合に比べて構成を簡単とすることができる。
【００６４】
図１１は、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴをハイサイドに用いたときのドライバ部１３aの構成を示している。ドライバ部１３aは、ＰＷＭ信号ＰＢ-1h，ＰＢ-1lに基づき駆動信号ＰＣ-1h，ＰＣ-1lを生成する第１ドライバ部１３a-1と、第１ドライバ部１３a-1と同様に構成されてＰＷＭ信号ＰＢ-2h，ＰＢ-2lに基づき駆動信号ＰＣ-2h，ＰＣ-2lを生成する第２ドライバ部１３a-2で構成されている。
【００６５】
ここで、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴをハイサイドに用いたことから、第１ドライバ部１３-1では、インバータ１３７でＰＷＭ信号ＰＢ-1hの論理レベルを反転させてレベルシフト回路１３３に供給する。また、レベルシフト回路１３３と増幅器１３４には、スイッチング増幅部２０，２０aと等しい電源電圧ＶBBを印加する。また、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴをハイサイドに用いたときの遅延回路１３５は、インバータ１３７の伝搬遅延時間とレベルシフト回路１３３でＰＷＭ信号ＰＢ-1hの信号レベルの変換に要する時間を加算した時間分だけ、ＰＷＭ信号ＰＢ-1lを遅延させて増幅器１３６に供給する。
【００６６】
第２ドライバ部１３a-2も第１ドライバ部１３a-1と同様にして、ＰＷＭ信号ＰＢ-2h，ＰＢ-2lに基づき駆動信号ＰＣ-2h，ＰＣ-2lを生成してスイッチング増幅部２０bに供給する。
【００６７】
このように、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴをハイサイドに用いた場合であっても、ハイサイドのＰＷＭ信号ＰＢ-1h，ＰＢ-2hの論理レベルを反転させる、若しくは変調処理部またはデッドタイム生成部で所望の論理反転をさせてレベル変換を行い駆動信号ＰＣ-1h，ＰＣ-2hを生成すれば、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２１０，２１１は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１，２０３と同様なタイミングでオン・オフさせることができるので、図５に示す動作と等しくなり、スイッチング素子の過大な発熱や過大な発熱による素子の破壊を防止することができる。また、再生音声の歪みを少なくして良好なオーディオ特性を得ることができる。さらに、ドライバ部の構成も簡単となる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
以上のように、本発明にかかるＤ級増幅器は、音声信号を増幅する場合に有用であり、良好なオーディオ特性を得るのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】Ｄ級増幅器の構成を示す図である。
【図２】デッドタイム設定部の構成を示す図である。
【図３】ドライバ部の構成を示す図である。
【図４】スイッチング増幅部の構成を示す図である。
【図５】Ｄ級増幅器の動作を説明するための図である。
【図６】デッドタイム制御動作を示すフローチャートである。
【図７】デッドタイム制御動作を説明するための図である。
【図８】デッドタイム設定部の他の構成を示す図である。
【図９】スイッチング増幅部の他の構成を示す図である。
【図１０】ＰチャネルＭＯＳＦＥＴをハイサイドに用いたときのスイッチング増幅部の構成を示す図である。
【図１１】ＰチャネルＭＯＳＦＥＴをハイサイドに用いたときのドライバ部の構成を示す図である。
【図１２】従来のデッドタイム設定部の構成を示す図である。
【図１３】従来のデッドタイム設定部の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０・・・信号生成部、１１・・・変調処理部、１２，１２a，９０・・・デッドタイム設定部、１２-1h，１２-1l，１２-2h，１２-2l，１２a-1h，１２a-1l，１２a-2h，１２a-2l・・・タイミング調整回路、１３、１３a・・・ドライバ部、１３-1，１３a-1・・・第１ドライバ部、１３-2，１３a-2・・・第２ドライバ部、１４・・・制御部、２０，２０a，２０b・・・スイッチング増幅部、３１，２２・・・低域フィルタ、２３・・・スピーカ、９０・・・デッドタイム生成部、１３３・・・レベルシフト回路、１３４，１３６・・・増幅器、１３５・・・遅延回路、２０５・・・温度センサ
【図１】
2006033499.tif 000003
【図２】
2006033499.tif 000004
【図３】
2006033499.tif 000005
【図４】
2006033499.tif 000006
【図５】
2006033499.tif 000007
【図６】
2006033499.tif 000008
【図７】
2006033499.tif 000009
【図８】
2006033499.tif 000010
【図９】
2006033499.tif 000011
【図１０】
2006033499.tif 000012
【図１１】
2006033499.tif 000013
【図１２】
2006033499.tif 000014
【図１３】
2006033499.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成17年8月18日(2005.8.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０３のドレインには、電源電圧ＶBBが印加される。ＭＯＳＦＥＴ２０１のソースはＭＯＳＦＥＴ２０２のドレインと接続されており、ＭＯＳＦＥＴ２０２のソースは接地されている。同様に、ＭＯＳＦＥＴ２０３のソースはＭＯＳＦＥＴ２０４のドレインと接続されており、ＭＯＳＦＥＴ２０４のソースは接地されている。ＭＯＳＦＥＴ２０１のゲートにはドライバ部１３から駆動信号ＰＣ-1hが供給される。また、ＭＯＳＦＥＴ２０２，２０３，２０４のゲートには、それぞれドライバ部１３から駆動信号ＰＣ-1l，ＰＣ-2h，ＰＣ-2lが供給される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
ＭＯＳＦＥＴ２０１のソースとＭＯＳＦＥＴ２０２のドレインの接続点ＴＡは、図１に示す低域フィルタ３１を介してスピーカ２３の一方の入力端子と接続されており、ＭＯＳＦＥＴ２０３のソースとＭＯＳＦＥＴ２０４のドレインの接続点ＴＢは、図１に示す低域フィルタ３２を介してスピーカ２３の他方の入力端子と接続されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
電源電圧ＶBBは電流検出用の抵抗器２０７を介してＭＯＳＦＥＴ２０１，２０３のドレインに供給される。抵抗器２０７の一方の端子は演算増幅器２０８の反転入力端子、他方の端子は非反転入力端子と接続される。また、演算増幅器２０８の出力端子と反転入力端子間には帰還抵抗器２０９が設けられる。この場合、抵抗器２０７の端子間には、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０３に流れる電流に応じた電圧が生ずることから、演算増幅器２０８からの出力信号は、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０３に流れる電流に応じた信号となる。このため、演算増幅器２０８からの出力信号をセンサ信号ＳＣとして制御部１４に供給して、センサ信号ＳＣによって示された電流が閾値よりも大きくなるときにはデッドタイムが長くなるようにデッドタイム設定部１２を制御し、電流が閾値よりも小さくなるときにはデッドタイムが短くなるようにデッドタイム設定部１２を制御する。このように、スイッチング素子に流れる電流に応じてデッドタイムを制御すれば、ＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２，２０３，２０４の過大な発熱や過大な発熱による素子の破壊を防止できる。また、良好なオーディオ特性を得ることができる。さらに、ＭＯＳＦＥＴ２０１に流れる電流とＭＯＳＦＥＴ２０３に流れる電流を個々に検出して、ＭＯＳＦＥＴ２０１に流れる電流に応じてＭＯＳＦＥＴ２０１，２０２のデッドタイムを制御し、ＭＯＳＦＥＴ２０３に流れる電流に応じて、ＭＯＳＦＥＴ２０３，２０４のデッドタイムを制御すれば、過大な発熱や過大な発熱による素子の破壊をより確実に防止できるとともに、更に良好なオーディオ特性を得ることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2006033499.tif 000016
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2006033499.tif 000017