(57)【要約】【課題】増幅器の短絡保護において、増幅器の短絡状態を確実に検出して電源供給を停止（サスペンド）し、短絡状態が除去されるまではサスペンド状態を維持すること。【解決手段】増幅器の出力電位を電源電位から所定値だけ偏らせた検出電位と比較し、その出力電位が検出電位に達したときに比較出力を発生する。この比較出力が所定時間以上に亙って発生されるときに、増幅器の動作電源を停止させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅器の出力電位を、第１電源電位から第１所定値だけ偏らせた第１検出電位及び第２電源電位から第２所定値だけ偏らせた第２検出電位と比較し、
前記出力電位が前記第１検出電位或いは前記第２検出電位に達したときに比較出力を発生し、
前記比較出力が所定時間以上に亙って発生されるときに、前記増幅器の動作電源を停止させることを特徴とする、増幅器の短絡保護方法。
【請求項２】
動作電源が制御信号に応じて停止される増幅器と、
前記増幅器の出力電位と、第１電源電位から第１所定値だけ偏らせた第１検出電位及び第２電源電位から第２所定値だけ偏らせた第２検出電位とを比較し、前記出力電位が前記第１検出電位或いは前記第２検出電位に達したときに比較出力を発生する比較手段と、
前記比較出力が発生されている間のみ、接続端子を介して外付けコンデンサを充電するための充電手段と、
前記接続端子の電位が所定閾値に達した時点で前記制御信号を発生する停止制御手段と、を有することを特徴とする、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力増幅器等の増幅器の出力側の短絡故障時の保護方法及び、短絡保護回路付き増幅回路を備えた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パソコン、ＰＤＡ、ＰＤＣ、携帯電話などの電子機器では、その出力側にスピーカアンプやヘッドホンアンプが設けられている。これらの電子機器の外部或いは内部でその出力端が電源電位点やグランド電位点に短絡した場合には、過電流が流れ、出力用のパワートランジスタなどが過熱し、破壊してしまうことになる。
【０００３】
このような短絡故障を検出し、電子装置を保護するために、種々の保護方法がある。例えば、温度検出保護方法は、保護されるべき素子の近傍に温度検出素子を設けて、過電流に伴う温度上昇を検出し、所定値以上の温度に達したときに、その電子装置の電源を切断する等して保護を行う。また、電流検出保護方法は、保護すべき電流経路にフューズのような保護素子（例、ＩＣプロテクタ）を設けて、過電流によりその保護素子を溶断する方法や、電流を検出して、所定値以上の電流が流れたときにその電子装置の電源を切断する等して保護する方法（特許文献１参照）がある。また、電圧検出保護方法は、保護すべき個所の電位を検出し、通常状態では発生しない電位状態を検出して短絡故障と判定し、その電子装置の電源を切断する等して保護する方法（特許文献２参照）がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３３３５２８号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３９２８９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の温度検出保護方法は、出力トランジスタなどの被保護素子の温度が異常な高温状態になった場合にその電源供給を停止（サスペンド）して保護するものであるから、短絡による過電流が発生してから実際に保護されるまでに時間を要する。この時間内に出力トランジスタが破壊することも少なくない。また、サスペンドが掛かると温度が低下し、サスペンドが解除されると、再び過電流が流れてしまう。このサスペンドとその解除が、異常となった原因が除去されるまで繰り返し行われて、その繰り返しストレスにより被保護素子が最終的には破壊に至るものも発生するようになる。
【０００６】
また、電流検出保護方法のうち、ＩＣプロテクタなどの保護素子を使用するものでは、一旦過電流が流れて溶断してしまうと再度使用することができないし、その価格も比較的高価である。一方、特許文献１のような、所定値以上の電流が流れたときにスイッチ手段をオフ状態にしてサスペンドするものでは、保護部品（ＩＣプロテクタなど）を交換することなく何度でも使用することができるが、サスペンドにより過電流がなくなりサスペンドが解除され再び過電流が流れてしまう。このような状態を避けるためには、一旦サスペンドしたときはその状態を維持しておき、別途にサスペンド解除指令を与えて解除するように構成する必要がある。
【０００７】
また、従来の特許文献２のような電圧検出保護方法は、通常状態では発生しない電位状態を検出して短絡故障と判定するから、電力増幅器等の増幅器のように出力信号が電源電位点やグランド電位点の近傍まで達するものの短絡保護には適用することができない。
【０００８】
そこで、本発明は、増幅器の短絡状態を確実に検出して電源供給を停止（サスペンド）し、短絡状態が除去されるまではサスペンド状態を維持する増幅器の短絡保護方法及び、短絡保護回路付き増幅回路を備えた半導体装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の増幅器の短絡保護方法は、増幅器の出力電位を第１電源電位から第１所定値だけ偏らせた第１検出電位及び第２電源電位から第２所定値だけ偏らせた第２検出電位と比較し、前記出力電位が前記第１検出電位或いは前記第２検出電位に達したときに比較出力を発生し、前記比較出力が所定時間以上に亙って発生されるときに、前記増幅器の動作電源を停止させることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の半導体装置は、動作電源が制御信号に応じて停止される増幅器と、前記増幅器の出力電位と第１電源電位から第１所定値だけ偏らせた第１検出電位及び第２電源電位から第２所定値だけ偏らせた第２検出電位とを比較し、前記出力電位が前記第１検出電位或いは前記第２検出電位に達したときに比較出力を発生する比較手段と、前記比較出力が発生されている間のみ、接続端子を介して外付けコンデンサを充電するための充電手段と、前記接続端子の電位が所定閾値に達した時点で前記制御信号を発生する停止制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の増幅器の短絡保護方法及び短絡保護回路付き増幅回路を備えた半導体装置の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る短絡保護回路付き増幅回路を備えた半導体装置１０の構成を示す図である。図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の動作を説明する図である。
【００１３】
図１において、電力増幅器（以下、パワーアンプ）１１は、第１電源電位（以下、単に電源電位）Ｖｃｃと、第２電源電位（以下、グランド電位）Ｖｇｎｄ間の電圧により動作し、入力信号Ｖｉｎを増幅して出力信号Ｖｏｕｔを出力する。
なお、ＳＰは、スピーカであり、電位Ｖｃｃ／２を基準として、出力信号Ｖｏｕｔにより駆動される。
【００１４】
パワーアンプ１１の出力部は、電源電位Ｖｃｃとグランド電位Ｖｇｎｄとの間に直列に接続され、プッシュプルに駆動される２つのトランジスタを有しており、その直列接続点から出力信号Ｖｏｕｔが取り出される。したがって、出力信号Ｖｏｕｔは、トランジスタのオン抵抗と流れる電流とによる電圧降下はあるが、ほぼ電源電位Ｖｃｃや、グランド電位Ｖｇｎｄに近い値まで振られる。
【００１５】
第１比較器１２−１は、出力信号Ｖｏｕｔを電源電位Ｖｃｃから偏位電圧Ｖｔｈだけ低い第１閾値電位（Ｖｃｃ−Ｖｔｈ）と比較し、出力信号Ｖｏｕｔが第１閾値電圧より高くなると比較出力を発生する。第２比較器１２−２は、出力信号Ｖｏｕｔをグランド電位Ｖｇｎｄより偏位電圧Ｖｔｈだけ高い第２閾値電位（Ｖｔｈ＋Ｖｇｎｄ）と比較し、出力信号Ｖｏｕｔが第２閾値電圧より低くなると比較出力を発生する。偏位電圧Ｖｔｈは、電源電位Ｖｃｃ点やグランド電位Ｖｇｎｄ点と出力信号Ｖｏｕｔ点とが短絡故障した場合（例、図１のＦ）に、その短絡インピーダンスによる電圧降下を見込んで、その大きさが設定される。
【００１６】
統合回路１３は、第１比較器１２−１或いは第２比較器１２−２のいずれかに比較出力が発生されると、充電回路１４に起動信号を出力する。充電回路１４は、スイッチと電流源を有しており、統合回路１３からの起動信号がある間、外付けコンデンサＣｔを充電する。Ｒｔは、放電抵抗である。なお、充電回路１４にコンデンサＣｔの電荷を速やかに放電するための放電回路を設けてもよく、この場合には抵抗Ｒｔは省略できる。
【００１７】
サスペンド制御回路１５は、コンデンサＣｔの充電電位が所定閾値に達すると出力信号を発生して、スイッチ回路１６をオフする。スイッチ回路１６は、パワーアンプ１１を動作させるための動作電源をオン／オフするためのもので、サスペンド制御回路１５の出力信号がある間はオフを継続する。定電流源１９は、パワーアンプ１１の動作上の基準電流源である。
【００１８】
サーマルシャットダウン回路１７は、パワーアンプ１１の出力部の近傍に配置され、パワーアンプ１１の出力部の温度を表す検出信号を発生してサスペンド制御回路１８に供給する。サスペンド制御回路１８は、供給される検出信号が所定閾値に達すると出力信号を発生して、やはりスイッチ回路１６をオフする。このサーマルシャットダウン回路１７、サスペンド制御回路１８は、その検出の動作は電位検出によるものよりも遅いが、バックアップ保護用として設けられている。
【００１９】
この図１の短絡保護回路付き増幅回路の動作を、図２（ａ）、（ｂ）も参照して説明する。
【００２０】
図２（ａ）、（ｂ）は、パワーアンプ１１から最大出力振幅で出力信号Ｖｏｕｔが出力されている状態を示す図である。同図（ａ）は、負荷が重いとき、即ち出力電流が大きいときの特性図であり、この場合にはパワーアンプ１１のトランジスタのオン抵抗と出力電流との積による電圧降下が大きくなる。したがって、この電圧降下が偏位電圧Ｖｔｈよりも大きくなるので、第１比較器１２−１及び第２比較器１２−２からは、比較出力は発生しない。
【００２１】
一方、同図（ｂ）は、負荷が軽いとき、即ち出力電流が小さいときの特性図であり、この場合にはパワーアンプ１１のトランジスタのオン抵抗と出力電流との積による電圧降下が小さい。したがって、この電圧降下が偏位電圧Ｖｔｈよりも小さいので、出力信号Ｖｏｕｔは第１閾値電位（Ｖｃｃ−Ｖｔｈ）より高く、第２閾値電位（Ｖｔｈ＋Ｖｇｎｄ）より低くなる時間が生じる。これらの時間の間は、第１比較器１２−１及び第２比較器１２−２から比較出力が発生される。
【００２２】
これらの第１比較器１２−１及び第２比較器１２−２からの比較出力の継続時間は、パワーアンプ１１で使用される周波数帯域中の最も低い周波数の半周期よりも必ず短い。したがって、コンデンサＣｔの充電が開始されてから、その充電電位がサスペンド制御回路１５の所定閾値に達するまでの時間を、最も低い周波数の半周期、即ち比較出力の継続時間よりも長く設定する。この時間設定を行うことにより、出力信号Ｖｏｕｔが最大出力振幅の場合に、第１比較器１２−１及び第２比較器１２−２からの比較出力が発生しても、サスペンド制御回路１５は出力信号を発生することはなく、したがってスイッチ回路１６はオフしない。よって、短絡故障と誤って判断することは避けられる。
【００２３】
さて、出力信号Ｖｏｕｔ点が、電源電位Ｖｃｃ点との間で、図１のＦに示されるように、短絡故障が発生した場合を想定する。この場合には、電源電位Ｖｃｃ点から出力信号Ｖｏｕｔ点を経由してパワーアンプ１１の出力部のトランジスタを介して大きな短絡電流が流れる。
【００２４】
偏位電圧Ｖｔｈは、短絡故障時の短絡インピーダンスによる電圧降下を見込んで、その大きさが設定されている。したがって、出力信号Ｖｏｕｔ点の電位は、第１閾値電位（Ｖｃｃ−Ｖｔｈ）よりも高くなる。
【００２５】
そして、第１比較器１２−１から比較出力が発生され、統合回路１３を介して充電回路１４が起動される。コンデンサＣｔが充電されて、その充電電位がサスペンド制御回路１５の所定閾値に達すると、スイッチ回路１６はオフされ、パワーアンプ１１の動作は停止される。これにより、パワーアンプ１１の出力部のトランジスタはオフされて、短絡電流は遮断される。したがって、パワーアンプ１１の出力部のトランジスタを含めて、回路素子が短絡故障によって破壊することが防止できる。
【００２６】
また、本発明では、パワーアンプ１１の出力部のトランジスタはオフされて、短絡電流は遮断されても、出力信号Ｖｏｕｔ点の電位は依然として第１閾値電位（Ｖｃｃ−Ｖｔｈ）よりも高い値にあるから、スイッチ回路１６はオフを継続する。そして、短絡故障を取り除いたときに、自動的に通常の動作状態に復帰する。
【００２７】
出力信号Ｖｏｕｔ点とグランド電位Ｖｇｎｄ点との間で、短絡故障が発生した場合も同様に動作する。
【００２８】
このような短絡故障は、ノートパソコンなど折り畳み型電子機器の修理や調整の際などに、スピーカＳＰなどへの配線をボディケースの折り畳み部分で挟み込むことにより、しばしば発生する。この場合、本発明では、修理中に仮に短絡故障が発生しても適切に保護できるから、致命的な損傷を惹起することがない。したがって、本発明は、そのような折り畳み型電子機器に好適である。
【００２９】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る短絡保護回路付き増幅回路を備えた半導体装置２０の構成を示す図である。この第２の実施の形態では、スピーカＳＰを２つの反転型増幅器２１−１、２１−２を用いて、バランスド・タイド・ロード（ＢＴＬ）駆動するようにしている。
【００３０】
この図３では、第１パワーアンプ２１−１は、入力信号Ｖｉｎを反転増幅して第１出力信号Ｖｏｕｔ１を出力する。第２パワーアンプ２１−２は、入力信号として第１出力信号Ｖｏｕｔ１を入力し反転増幅して第２出力信号Ｖｏｕｔ２を出力する。したがって、第１出力信号Ｖｏｕｔ１，第２出力信号Ｖｏｕｔ２は互いに逆位相の関係にあり、スピーカＳＰはより大振幅で駆動される。なお、抵抗器Ｒ１、Ｒ３は入力抵抗であり、抵抗器Ｒ２、Ｒ４は帰還抵抗である。
【００３１】
また、第１出力信号Ｖｏｕｔ１点の電位を検出するために、第１比較器２２−１、第２比較器２２−２が設けられており、第２出力信号Ｖｏｕｔ２点の電位を検出するために、第３比較器２２−３、第４比較器２２−４が設けられている。
これら第１〜第４比較器２２−１〜２２−４の比較出力が統合回路２３に供給される。
【００３２】
この図３の統合回路２３、充電回路２４、サスペンド制御回路２５、スイッチ回路２６−１，２６−２、サーマルシャットダウン回路２７，サスペンド制御回路２８、定電流源２９−１，２９−２は、それぞれ図１の統合回路１３、充電回路１４、サスペンド制御回路１５、スイッチ回路１６、サーマルシャットダウン回路１７，サスペンド制御回路１８、定電流源１９に相当し、同様の作用を行う。また、図１におけると同一のものには、同じ記号を付している。
【００３３】
この図３の、スピーカＳＰをＢＴＬ駆動する半導体装置２０においても、第１出力信号Ｖｏｕｔ１点、第２出力信号Ｖｏｕｔ２点での、電源電位Ｖｃｃ点或いはグランド電位Ｖｇｎｄ点への短絡故障に対して、第１の実施の形態と同様に、適切に保護を行うことができる。
【００３４】
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る短絡保護回路付き増幅回路を備えた半導体装置３０の構成を示す図である。この第３の実施の形態では、２つのスピーカＳＰ１、ＳＰ２を、それぞれＢＴＬ駆動するようにしている。このために、この図４では、図３と比較して、さらに第３パワーアンプ３１−３、第４パワーアンプ３１−４を設けている。
【００３５】
第３パワーアンプ３１−３は、第２入力信号Ｖｉｎ２を反転増幅して第３出力信号Ｖｏｕｔ３を出力する。第４パワーアンプ３１−４は、入力信号として第３出力信号Ｖｏｕｔ３を入力し反転増幅して第４出力信号Ｖｏｕｔ４を出力する。したがって、第３出力信号Ｖｏｕｔ３，第４出力信号Ｖｏｕｔ４は互いに逆位相の関係にあり、スピーカＳＰはより大振幅で駆動される。なお、抵抗器Ｒ５、Ｒ７は入力抵抗であり、抵抗器Ｒ６、Ｒ８は帰還抵抗である。
【００３６】
第１出力信号Ｖｏｕｔ１点〜第４出力信号Ｖｏｕｔ４点の電位を検出するために、第１の多入力比較器３２−１及び第２の多入力比較器３２−２を設けている。
【００３７】
第１の多入力比較器３２−１は、第１出力信号Ｖｏｕｔ１〜第４出力信号Ｖｏｕｔ４をそれぞれ正入力端子に入力し、第１閾値電圧（Ｖｃｃ−Ｖｔｈ）を負入力端子に入力している。この第１の多入力比較器３２−１は、第１出力信号Ｖｏｕｔ１〜第４出力信号Ｖｏｕｔ４のいずれか１つでも第１閾値電圧（Ｖｃｃ−Ｖｔｈ）を越えたとき、比較出力を発生する。
第２の多入力比較器３２−２は、第１出力信号Ｖｏｕｔ１〜第４出力信号Ｖｏｕｔ４をそれぞれ負入力端子に入力し、第２閾値電圧（Ｖｔｈ＋Ｖｇｎｄ）を正入力端子に入力している。この第２の多入力比較器３２−２は、第１出力信号Ｖｏｕｔ１〜第４出力信号Ｖｏｕｔ４のいずれか１つでも第２閾値電圧（Ｖｔｈ＋Ｖｇｎｄ）を下回ったとき、比較出力を発生する。これら第１、第２の多入力比較器３２−１、３２−２は、図１、図３における比較器及び結合回路の機能を兼ねている。
【００３８】
これら第１、第２の多入力比較器３２−１、３２−２の比較出力が充電回路３４に供給される。
【００３９】
この図４の充電回路３４、サスペンド制御回路３５、それぞれ図３の充電回路２４、サスペンド制御回路２５に相当し、同様の作用を行う。また、図１におけると同一のものには、同じ記号を付している。
【００４０】
また、図４では、第１〜第４パワーアンプ３１−１〜３１−４をオン／オフ制御するスイッチ回路を具体的に示している。
【００４１】
即ち、電源電位Ｖｃｃとグランド電位Ｖｇｎｄとの間に、定電流源３９−４とＮＰＮトランジスタ（以下、ＮＰＮ）３９−２と抵抗器Ｒ９とを直列に接続し、またＮＰＮ３９−３と抵抗器Ｒ１０を直列接続する。ＮＰＮ３９−２のベースとＮＰＮ３９−３のエミッタとを接続し、ＮＰＮ３９−２のコレクタとＮＰＮ３９−３のベースとを接続する。また、ＮＰＮ３９−２のコレクタとグランド電位Ｖｇｎｄとの間にスイッチ用のＮＰＮ３９−１を接続し、そのＮＰＮ３９−１のベースにサスペンド制御回路３５の出力信号を供給する。
【００４２】
また、各パワーアンプ３１−１〜３１−４をオン／オフ制御するためのＮＰＮ３６−１〜３６−４と抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４とを直列に各パワーアンプとグランド間に設ける。これらＮＰＮ３６−１〜３６−４のベースに抵抗器Ｒ１０の電位を供給する。
【００４３】
このようにスイッチ回路が構成されるから、ＮＰＮ３６−１〜３６−４は、常時はオンしている。短絡故障が発生したときに、ＮＰＮ３６−１〜３６−４は全てオフし、全パワーアンプ３１−１〜３１−４は動作を停止する。
【００４４】
したがって、この図４の第３の実施の形態においても、第１、第２のの実施の形態と同様に、適切に短絡故障を保護することができる。また、多数のパワーアンプを備えるものにおいても、その短絡保護を共通して行うことができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、増幅器の短絡故障を、出力電位と時間との併用により上下の電源電位近傍まで振れる出力信号と明確に区別して検出する。したがって、電源電位近傍まで振れる出力信号を発生する増幅器の短絡保護を、従来は困難であった電位検出により、行うことができる。
【００４６】
また、短絡故障を出力電位で判別しているから、異常となった原因が除去されるまで、増幅器の動作電源は継続して停止される。したがって、従来のような、停止とその解除が繰り返されることはない。さらに、異常となった原因が除去されれば、増幅器は自動的に動作状態に復帰する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る増幅回路を備えた半導体装置１０の構成図。
【図２】本発明の動作を説明する図。
【図３】第２の実施の形態に係る増幅回路を備えた半導体装置２０の構成図。
【図４】第３の実施の形態に係る増幅回路を備えた半導体装置３０の構成図。
【符号の説明】
１０、２０、３０  増幅回路を備えた半導体装置
１１、２１−１、２１−２、３１−１〜３１−４  パワーアンプ
１２−１、１２−２、２２−１〜２２−４  比較器
３２−１、３２−２  多入力比較器
１３、２３  統合回路
１４、２４、３４  充電回路
１５、１８、２５、２８、３５  サスペンド制御回路
１６、２６−１、２６−２  スイッチ回路
１７、２７  サーマルシャットダウン回路
ＳＰ、ＳＰ１、ＳＰ２  スピーカ
Ｃｔ  コンデンサ
Ｒｔ  抵抗
Ｖｉｎ、Ｖｉｎ１、Ｖｉｎ２  入力信号
Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔ１〜Ｖｏｕｔ４  出力信号
Ｖｃｃ  電源電位
Ｖｇｎｄ  グランド電位
Ｖｔｈ  偏位電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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