(57)【要約】【課題】フィルタリング要求条件およびクロスオーバ歪を低減することができるスイッチング増幅器用変調方式を実現するシステムおよび方法を得る。【解決手段】変調方式１０は各出力に対する電流の方向に無関係に一方の出力にスイッチング信号を供給し他方の出力に非スイッチング信号を供給することにより一対の出力間に接続される関連する負荷２０を駆動することができる。この動作モードにおいてスイッチングは一方の出力でしか行われないため、単一フィルタ２２を使用してスイッチング出力におけるスイッチングノイズを軽減することができる。もう一つの側面はクロスオーバ歪の低減を助けるように、ゼロクロス状態中等に、一方または両方の出力を線形動作するように制御することができるもう一つの動作モードに関連している。【選択図】      図１
2005051280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調システムの第１および第２の出力間に接続された負荷を駆動する変調システムであって、
第１の出力に接続された第１セットのスイッチングデバイスと、
第２の出力に接続された第２セットのスイッチングデバイスと、
第１セットスイッチングデバイスの少なくとも一つのスイッチングデバイスが、第１および第２の出力に対する電流の方向に無関係に第１の出力にスイッチング信号を供給するようにスイッチングデバイスの動作を制御する制御システムであって、電流の方向を制御しかつ第２の出力に非スイッチング出力を供給するように第２セットのスイッチングデバイスを制御する制御システムと、
を含む変調システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に負荷を駆動する変調方式に関し、特に、フィルタリング要求条件およびクロスオーバ歪を低減することができるスイッチング増幅器用変調方式を実現するシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
負荷を所望の電圧または電流で駆動するのに利用される２つの一般的な方法がある。これらはスイッチング増幅器すなわち線形増幅器を使用して負荷を駆動する。例えば、モータやアクチュエータ、熱電クーラおよび／またはヒータ、およびオーディオスピーカを含むさまざまなタイプの負荷をこれらの方法で駆動することができる。
【０００３】
スイッチング増幅器の方法では、応用において関心のある周波数よりも通常遥かに高い周波数で出力トランジスタがスイッチングされる、すなわちパルス幅変調される。その結果、トランジスタは電流を供給する必要がある時だけオンとされる。パルスは持続時間が変動して印加される電圧または電流の量を変える。パルスが長いほど負荷に印加されるエネルギは多くなり、パルスが短いほど負荷に印加されるエネルギは少なくなる。したがって、パルスの長さを変えれば負荷に供給される電力およびその関連する動作を制御することができる。
【０００４】
例として、典型的なＰＷＭ方法は一対のハイ側および一対のロー側トランジスタを利用し、ハイ側およびロー側の各々の一つ以上のトランジスタがパルス幅変調されて負荷を所望の方法で駆動する。トランジスタのスイッチングは負荷および周囲の回路に望ましくないノイズを導入する傾向がある。したがって、スイッチングノイズを低減するためのフィルタが必要である。さらに、従来のスイッチング増幅器方法における両側実施スイッチングでは、スイッチングノイズを低減するために負荷の各側にフィルタが必要である。このようなフィルタは著しく大型となることがあり、しばしば印刷回路板（ＰＣＢ）上の比較的大量のリアルエステートを占有する。
【０００５】
スイッチング増幅器のおもな利点は効率が高いことであり、そのためより低い熱放散が許容される。スイッチング増幅器のおもな欠点はスイッチング波形が負荷に達するのを阻止するために典型的に大型かつ／または高価な出力フィルタを必要とすることである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
スイッチング増幅器は電源電圧と負荷の間で可変抵抗のように作用して所望の電圧または電流を供給する線形増幅器すなわちレギュレータと対比される。線形増幅器は、関連する負荷の動作を制御する等の、制限された電流または電圧で負荷を制御すなわち駆動する。例えば、線形ドライバは可変ＤＣ出力等の負荷への所望信号を達成するように線形領域内の一つ以上のトランジスタを作動させる。しかしながら、この方法で動作するときにかなりの電力が消散されるため、このような動作は全く非効率的となる傾向がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のいくつかの側面を基本的に理解するために、以下に本発明の簡単な概要を述べる。この概要は本発明の広範な概観ではない。それは本発明のキーすなわち重要な要素を識別したり本発明の範囲を定めたりするものではない。その唯一の目的は後に示すより詳細な説明の序文として単純化された形で本発明のいくつかの概念を示すことである。
【０００８】
本発明は一般的に一対の出力ノード間に接続された関連する負荷を駆動するのに利用することができる変調方式に関するものである。この方式では、各出力ノードに制御された出力信号が供給される。一方の出力に供給された出力信号はスイッチング信号であり他方の出力は非スイッチングである。スイッチングは負荷の一方側でしか実施されないため、負荷への出力において単一フィルタを利用することができる。単一フィルタしか使用しない結果、対応する回路を実現するのに必要な面積を低減することができる。
【０００９】
例として、このような方式は一対の出力ノード間に接続された負荷を選択的に励起するようにブリッジ構成とされた複数のスイッチングデバイスを制御するように実現することができる。スイッチングデバイスは単一電源と接地間に接続することができる。出力ノードの一つと関連づけられる各スイッチングデバイスは電流方向に無関係にそのノードにスイッチング信号を供給するスイッチングモードで制御される（例えば、このようなスイッチングデバイスをパルシングすなわちパルス幅変調させることにより）。負荷とこの出力ノード（例えば、各スイッチングデバイス間の接合点）間にフィルタを接続することができる。他方の出力ノードと関連づけられるスイッチングデバイスは非スイッチングモードで制御され（例えば、スイッチングデバイスをオンまたはオフ等の定常状態で作動させることにより）、この動作は負荷を流れる電流の方向を制御してこのノードに非スイッチング出力信号を供給する。
【００１０】
本発明のもう一つの側面によれば、典型的にゼロクロス状態に関連づけられるクロスオーバ歪は、関連するスイッチングデバイスを線形モードで作動させることにより、一つ以上の出力ノードに一般的に線形低電圧を供給して低減することができる。線形モードで利用されるスイッチングデバイスは独立したスイッチングシステムの一部とすることができ、あるいは前記したスイッチング変調方式を実現するのと同じスイッチングデバイスを含むことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は一対の出力間に接続された関連する負荷を駆動するのに利用することができる変調方式に関する。本発明の一つの側面は、出力に対する電流の方向に無関係に一方の出力はスイッチングであり他方の出力は非スイッチングであるスイッチング変調方式に関する。この動作モードにおいてスイッチングは一方の出力でしか行われないため、単一フィルタを使用してスイッチング出力におけるスイッチングノイズを軽減することができる。別の側面によれば、ゼロクロス状態中等に、一方または両方の出力を線形に動作するように制御することができ、それはクロスオーバ歪を低減するのを助ける。これらの各側面は本発明の側面に従って独立にまたは組み合わせて実現することができる。
【００１２】
図１は本発明に従って一つ以上の変調方式を実現するのに利用することができるシステム１０を示す。システム１０は、正電圧Ｖ＋を有して例示されている、単一電源と接地間に直列接続された１対のスイッチングデバイス１２および１４を含んでいる。スイッチングデバイス１２および１４間の接合点はＯＵＴ＋に示す出力ノードに対応する。もう一組のスイッチングデバイス１６および１８もＶ＋と接地間に接続されている。スイッチングデバイス１６および１８間の接合点すなわちノードはＯＵＴ−に示すもう一つの出力ノードに対応する。負荷２０および出力フィルタ２２がＯＵＴ＋およびＯＵＴ−間に直列接続されている。負荷２０は、例えば、熱電気クーラ、モータ、またはアクチュエータ、オーディオスピーカその他の装置とすることができる。
【００１３】
本発明の側面に従って、フィルタ２２は負荷２０と一方の出力ノードＯＵＴ＋間に接続されている。図１に示す例では、フィルタ２２は負荷とＯＵＴ＋間に接続されるが、当業者ならば各スイッチングデバイス１２−１８の動作に応じてフィルタは負荷とＯＵＴ−間に接続できることが理解される。
【００１４】
システム１０は本発明の側面に従ってスイッチングデバイス１２−１８の動作を制御するようにプログラムおよび／または構成された制御システム（例えば、ドライバ回路を含む）２４も含んでいる。図１の例に示す特定の構成では、制御システム２４はスイッチング網のフィルタ側に配置されたスイッチングデバイス１２または１４の一方をスイッチング制御信号（例えば、所望の高周波数およびデューティサイクルを有する）により制御して負荷２０に加えられる電流または電圧の大きさを制御する。その結果、スイッチング出力信号がＯＵＴ＋において供給される。また、制御システム２４はスイッチ１６または１８を定常状態（例えば、オンまたはオフ）で制御して負荷に加えられる電流または電位の方向を制御する。その結果、ＯＵＴ−に非スイッチング信号が生じる。この動作モード（例えば、スイッチングモード）では、負荷に加えられる電流の方向に無関係にスイッチング信号がＯＵＴ＋に生じ、非スイッチング信号がＯＵＴ−に生じる。
【００１５】
例として、制御システム４はスイッチ１２および１４を高周波数でオンおよびオフ状態間で脈動させかつスイッチ１８をターンオンさせスイッチ１６をターンオフさせて、電流がＶ＋または接地からそれぞれスイッチ１２または１４を通り、フィルタ２２および負荷２０を通り、スイッチ１８を通って接地に流れるようにする。電流の大きさはスイッチングデバイス１２および１４に対してスイッチングが実施されるデューティサイクルによって決まる。例えば、制御システム２４がスイッチングデバイス１２および１４のスイッチングのための高いデューティサイクルを与える場合には、高い電流がＯＵＴ＋からＯＵＴ−へ負荷２０を通って流れ、低いデューティサイクルが使用される場合には、低い電流がＯＵＴ＋からＯＵＴ−ノードへ流れる。スイッチングデバイス１６がオンである間にデバイス１２および１４をオンおよびオフ状態間でスイッチングすることにより、制御システム２４は負荷２０に反対方向に電流を供給することもできる。この動作モードでは、スイッチ１８はオフ状態となりＯＵＴ＋の電圧はやはりスイッチ１２および１４のデューティサイクルによって決まる。
【００１６】
一方のスイッチ１２または１４がオンである時しか電流は流れないため、この方法は非常に効率的となる。当業者ならば、各スイッチングデバイス１２および１４の動作に応じて、電流は各スイッチに平行にダイオード（例えば、フライバックダイオード）を流れることがあることを理解できる。さらに、スイッチングモードでは、スイッチング出力信号はＯＵＴ＋にしか生じないため、単一フィルタ２２を使用して負荷２０を流れる電流の方向に無関係にスイッチングノイズを低減することができる。例えば、他方のスイッチがオフである間に一方のスイッチ１２または１４をスイッチングすることにより、ＯＵＴ＋に所望のスイッチング信号を供給する別の方法を提供することができる。
【００１７】
本発明のもう一つの側面に従って、システム１０はゼロクロスに関連する歪を低減するように動作することができる。特に、制御システム２４は一つ以上の入力信号を受信して負荷両端間の電位がゼロクロスに近いかどうかを確認することができる（例えば、出力ノード間の電位が０Ｖに近い）。入力信号は負荷電圧に関連する感知された状態に対応する（例えば、ＯＵＴ＋およびＯＵＴ−間電位に対応する）かあるいは負荷２０に加えられる所望電圧を示す制御信号に対応することができる。ゼロクロス状態は典型的に負荷に加えられる電圧または電流が正および負または負および正電流間で遷移している時の状況に対応する。大概の従来のシステムに対して一般的であるように、システム１０の正常動作が継続されるとクロスオーバ歪が生じる。
【００１８】
例えば、ゼロクロス状態は０Ｖに近い低電圧（例えば、およそ３０−５０ｍＶ）等の閾値に対する負荷両端間に加えられている（あるいは、加えられる）電位の絶対値に基づいて決定することができる。当業者ならば差動出力ＯＵＴ＋およびＯＵＴ−に関連するまたは入力制御信号に関連するゼロクロスを検出するのに他の閾値を利用できることが理解される。
【００１９】
ゼロクロス状態の検出に応答して、制御システム２４はＯＵＴ＋またはＯＵＴ−においてスイッチングが実施されないように各スイッチングデバイス１２−１８を線形モードで差動させることができる。スイッチングが実施されない間に、適切なスイッチングデバイス１２−１８を所望の線形電圧を供給するように制御したり各オンまたはオフ状態にスイッチできることが理解される。
【００２０】
例えば、スイッチングモード（前記した）において、スイッチングモードで動作するスイッチングデバイス１２および１４の動作およびオン状態のデバイス１８によりＯＵＴ＋からＯＵＴ−に正電流が流れるものとする。ゼロクロス状態を検出すると、制御システム２４はＯＵＴ＋において低電圧線形出力を供給するようにスイッチングデバイス１２および１４の動作を線形モードに変える。スイッチングデバイス１２がゆっくりターンオフする間にスイッチングデバイス１４をゆっくりターンオンさせ、次に、ＯＵＴ−において所望の実質的に低電圧線形出力を供給するようにスイッチングデバイス１６および１８に線形制御信号を加えることにより負荷を流れる電流の正から負への遷移を実現することができる。次に、制御システム２４は負荷がもはや十分にゼロには近くない（例えば、ゼロクロス状態はもはや存在しない）ことを検出するまでスイッチングデバイス１６および１８の線形制御を増すことができる。これは前記したような線形モードからスイッチングモードへ戻る遷移に対応する。したがって、制御システム２４はスイッチングデバイス１６をその完全オン状態へ制御し、スイッチングデバイス１２および１４をそのスイッチングモードで駆動して再度電流をスイッチングモードで制御する。
【００２１】
前記したように、線形モードのＯＵＴ＋およびＯＵＴ−における線形電圧はスイッチングデバイス１２および１４を線形モードで動作させて供給することができる。あるいは、制御システム２４は線形モードで動作している間にＯＵＴ＋およびＯＵＴ−に所望の線形電圧を供給するように接続された、スイッチングシステム１２−１８から独立することができる、もう一つの関連するスイッチングシステム（図示せず）を含むことができる。当業者ならばシステム１０に関して前記した動作モードを達成するのにさまざまな方法を利用できることが理解される。
【００２２】
図２および図３は本発明の側面に従った異なる動作状態におけるスイッチングシステム５０を示す。スイッチングシステム５０はＶＤＤに示す単一入力電圧と接地間にＨブリッジ構成として接続された複数のトランジスタ５２，５４，５６および５８を含んでいる。各トランジスタ５２−５８が関連する負荷６０を所望の方法で駆動する制御信号を関連する制御システムから受信する制御入力を含んでいる。さらに、各トランジスタ５２−５８はシステム５０の動作中にシュートスルー（ｓｈｏｏｔ−ｔｈｒｏｕｇｈ）電流を軽減するためのトランジスタに並列なフライバックダイオード（図示せず）を含むことができる。
【００２３】
この例では、出力フィルタ６２がＯＵＴ＋ノードと負荷６０間に接続されており、負荷はＯＵＴ−ノードにも接続されている。以下で使用されるように、トランジスタ５２および５４はフィルタ側トランジスタと呼ばれトランジスタ５６および５８は負荷側トランジスタと呼ばれる。フィルタ６２はインダクタ６４およびキャパシタ６６により形成されるＬＣフィルタ（例えば、ローパスフィルタ）として示されている。フィルタ６２はＯＵＴ＋における信号からＡＣすなわちスイッチング成分を除去し、次に、対応するＤＣ信号を負荷６０に供給するように設計されている。フィルタ６２は例えば２次ＬＣフィルタとすることができるが、他のタイプのフィルタを利用してＯＵＴ＋におけるスイッチング信号を対応する実質的なＤＣ信号に適切にフィルタリングすることができる。もう一つの信号がＤＣ信号上に変調される場合には（例えば、オーディオ応用に対して）、フィルタ６２の遮断周波数は信号が妨げられずに負荷６０に通されるように選択しなければならない。
【００２４】
この特定の例では、トランジスタ５２および５６はＰＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として例示され、トランジスタ５４および５８はＮＭＯＳ  ＦＥＴとして例示されている。当業者ならば本発明の側面に従って任意タイプのトランジスタまたは他のタイプのスイッチングデバイスを利用して（ドライバ制御回路を適切に修正して）適切な制御モードにできることが理解される。
【００２５】
図２に示すように、６８に略示するスイッチング信号はトランジスタ５２および５４のゲートに適用されるスイッチング制御によりＯＵＴ＋に加えられる。トランジスタ５６はオフ状態でありトランジスタ５８はオン状態である。その結果、トランジスタ５２がオンである時は点線７０で示すパスを電流が流れ、トランジスタ５４がオンである時は点線７１で示すパスを電流が流れる。当業者ならば各トランジスタ５２および５４の動作に応じて、電流はトランジスタ５２および５４に並列なダイオードを流れることもあることが理解される。ＯＵＴ＋における電圧の大きさはトランジスタ５２がスイッチングされるデューティサイクルによって決まる。フィルタ６２はＯＵＴ＋におけるスイッチング信号をフィルタリングして対応するＤＣ信号を負荷６０に与えるように動作する。
【００２６】
図３は図２に図示し説明したのと同一構成を有するスイッチングシステム５０を示し、図２に示した部品を示すのに同一参照番号が使用されている。しかしながら、図３の例では、電流は点線７２および７３で示すパスに沿って負荷６０を反対方向に流れる。このタイプの制御は、負荷６０両端間に所望の電圧および電流を達成するデューティサイクルでトランジスタ５２および５４のゲートにスイッチング信号を加えることで実現される。トランジスタ５８はオフでありトランジスタ５６はそのオン状態に活性化される。その結果、７４に示すスイッチング信号がＯＵＴ＋に与えられる。フィルタ６２は対応する一般的にＤＣ信号を負荷６０に与えるようにスイッチング信号７４をフィルタリングする。ＯＵＴ−ノードはトランジスタ５６を介して直接ＶＤＤに接続され、それはそのオン状態に活性化される。
【００２７】
図２および３について前記した例から、当業者ならば負荷６０に対して正および負の両方のＤＣ電流を供給するのに単一フィルタ６２しか必要としないことが理解される。それはこのような変調方式が電流方向に無関係にＯＵＴ＋においてスイッチング出力信号しか供給しないためである（例えば、トランジスタ５２および５４のスイッチング制御およびトランジスタ５６および５８の非スイッチング制御により）。その結果、本発明の側面に従った変調方式を利用する回路内のスペースを実質的に節減できる。
【００２８】
図４および５は図２および３について説明したのと構成が同一であるスイッチングシステム５０を例示しており、これらの図に関して示した同じ部品を示すのに同一参照番号が使用されている。特に、図４および５は負荷両端間に加えられる電圧が０Ｖに近く、ゼロクロス状態に対応する時にスイッチングシステム５０により実現することができる２つの可能な動作状態を例示している。前記したように、例えば、ＯＵＴ＋およびＯＵＴ−間の電位の絶対値がおよそ３０−５０ｍＶである時または制御信号がこのようなレベル内で差動出力の駆動を試みる時にゼロクロス状態が存在すると決定することができる。もちろん、他の閾値を利用してゼロクロス状態の発生を確認することができる。
【００２９】
図４の例では、スイッチングシステム５０は点線８０で示すパスを負荷電流が流れるように動作する。小さなバイアス電流もトランジスタ５４を流れることができる。関連するドライバによりそれらのゲートに加えられる低電位によりトランジスタ５２および５４はそれらの線形領域内で動作するため、負荷６０を流れる電流は低レベル電流である。したがって、ＯＵＴ＋には８２で示す一般的に線形電圧が存在する。このモード中にスイッチングデバイス５６はそのオフ状態にある。しかしながら、スイッチングデバイス５８はそのオン状態に活性化され、接地への接続によりＯＵＴ−にゼロ電圧（８４に略示する）が存在するようにされる。このモードで動作する時はフィルタ６２をスイッチングシステム５０から除去することができるすなわち出力電圧（例えば、Ｖｏｕｔ＋およびＶｏｕｔ−）を負荷６０に直接印加できることが理解される。例えば、ゼロクロス状態中に負荷６０を励起するのに利用されるスイッチングシステムはシステムがゼロクロスモードで動作していない時に使用されるものとは独立したスイッチングシステムとすることができる。
【００３０】
図５において、電流は点線８６で示すパスに沿って負荷６０を流れる。この動作を達成するために、トランジスタ５２はオフとされ、トランジスタ５４はオンとされトランジスタ５６および５８は関連するドライバからの低レベルＤＣ（例えば、非スイッチング）制御信号により線形領域内で動作する。その結果、ＯＵＴ−に低電圧が加えられ（８８に略示する）、この電圧はトランジスタ５６に与えられるゲート制御信号の関数として変動する。同様に、ＯＵＴ＋の電圧は９０に示すように低いか又は接地電位である。出力電圧がゼロクロス領域に近い時はシステム５０は線形モードで動作するため（例えば、線形ドライバからの制御に基づいて）、本発明の側面に従ってシステムのノイズ性能および全体線形性を著しく改善することができる。
【００３１】
図６は本発明のもう一つの側面に従って変調方式を実現するシステム１００を示す。この例では、システム１００はスイッチング増幅器および線形増幅器の両方を実現することができる制御システム１０２を含んでいる（例えば、ハイブリッド線形スイッチングコントローラ）。スイッチングシステム１００は所望の構成で配置されて負荷１０６に電気的エネルギを供給する複数のスイッチングデバイス（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）等のスイッチングシステム１０４を含んでいる。出力フィルタ１０８が負荷とスイッチングシステム１０４との間に接続されている。図６に示す例では、負荷１０６はスイッチングシステム１０４のＯＵＴ＋およびＯＵＴ−ノード間でフィルタ１０８に直列接続されている。より詳細には、フィルタ１０８は負荷１０６およびＯＵＴ−ノード間に接続されている。フィルタはスイッチングシステム内または負荷１０６の一部として実現できることが理解される。
【００３２】
制御システム１０２は外部回路等から一つ以上の入力を受信するモード制御ブロック１１０を含んでいる。入力は、例えば、ＯＵＴ＋およびＯＵＴ−の電圧等に基づいて負荷１０６両端間の電圧を示すことができる。あるいはまたはさらに、入力は、負荷１０６に加えられる所望の出力レベルを示す関連する制御回路（アナログおよび／またはデジタル）から得られる入力に対応することができる。この例では、モード制御ブロック１１０はＶｔｈｒｅｓｈに示す閾値電圧に対して入力を比較する比較器１１２を含んでいる。例えば、Ｖｔｈｒｅｓｈはおよそ３０−５０ｍＶまたはそれに基づいてゼロクロス状態が存在するかどうかを確認することができる他の電圧レベルとすることができる。比較器は対応する出力を制御論理１１４に与える。
【００３３】
制御論理１１４は比較器出力に基づいてゼロクロス状態が存在するかどうかを確認するようにプログラムされおよび／または構成される。制御論理１１４は、一般的に互いに排他的である、関連するスイッチングドライバシステム１１６および線形ドライバシステム１１８の動作を可能にする。したがって、モード制御ブロック１１０はスイッチングシステム１００が線形モードで動作するかスイッチングモードで動作するかを入力に基づいて制御する。線形モードはクロスオーバ歪を低減して線形性を改善するようにゼロクロス状態中に負荷に低電圧または低電流を供給するのに利用される。スイッチングモードは正規動作状態中に負荷を駆動して効率的動作を提供するための動作モードとして利用することができる。
【００３４】
スイッチングモードにおいて、例えば、モード制御ブロック１１０の制御論理１１４は、スイッチングドライバシステム１１６がスイッチングシステム１０４の一方側をスイッチングモードで駆動できてＯＵＴ−にスイッチング出力を供給するようにすることができる。スイッチングドライバはスイッチングシステム１０４内のＮスイッチングデバイス（例えば、トランジスタ）の各々を制御する出力を与えるドライバを含み、Ｎは正の整数である。ＯＵＴ−のスイッチング出力はＯＵＴ−ノード（例えば、フィルタ側スイッチ）に接続された一つ以上のスイッチングデバイスをスイッチングモードで作動させ、他のスイッチングデバイスを一般的に定常状態すなわち非スイッチング状態（例えば、オンまたはオフ状態）で作動させることにより供給される。
【００３５】
スイッチングドライバシステム１１６はＰＷＭコントローラ１２０からの一つ以上の信号も受信し、この信号はスイッチングシステム１０４内のスイッチを選択的に活性化または消勢する制御信号を発生するのに使用される。すなわち、ＰＷＭコントローラ１２０はスイッチングシステム１０４内の各スイッチを入力に基づいてどのように活性化または消勢すべきかを示す制御信号を供給する。スイッチングドライバシステム１１６は、ＰＷＭコントローラ１２０からの信号に基づいてスイッチングシステム１０４のスイッチデバイスを選択的に活性化または消勢する対応する制御信号を供給する。その結果、本発明の側面に従ってスイッチングシステム１０４はＰＷＭコントローラ１２０への入力により示される電圧に一般的に対応する電圧をＯＵＴ＋およびＯＵＴ−間に供給する。
【００３６】
線形モードでは、ＯＵＴ＋またはＯＵＴ−ノードの一方に実質的に線形電圧を供給するように、モードコントロールブロック１１０の制御論理１１４により線形ドライバシステム１１８がイネーブルされる。線形ドライバシステム１１８はＰＷＭコントローラ１２０およびモード制御ブロック１１０に供給される入力も受信することができる。線形ドライバシステム１１８は負荷両端間、すなわちＯＵＴ＋またはＯＵＴ−、に所望のＤＣ電圧を供給するために関連するスイッチングデバイスをどのように作動させるかを決定するようにプログラムおよび／または構成される。例えば、ドライバシステム１１８はＭＯＳＦＥＴトランジスタをその線形領域内で作動させることによりＯＵＴ＋またはＯＵＴ−に所望の低電圧を供給するように制御される関連するスイッチングシステム（スイッチングシステム１０４から独立した）を含むことができる。あるいは、点線１２２で示すように、線形ドライバシステム１１８はスイッチングシステム１０４をスイッチングドライバシステム１１６と共用してその中のスイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）をゼロクロス状態中にその線形領域内で作動させることができる。
【００３７】
ゼロクロス状態中にＯＵＴ＋およびＯＵＴ−において線形電圧（スイッチング電圧に比べて）を供給することにより、ノイズ性能および全体線形性を高めることができる。さらに、ゼロクロス状態中には殆ど電流が流れないため、システム１００の効率に及ぼす影響はごく小さい。さらに、スイッチングドライバ１１２はスイッチングモードにおいてフィルタ側スイッチングデバイス（例えば、フィルタ側スイッチ）しか作動させず他方の出力側の他の全てのスイッチングデバイスを電流の方向に無関係に非スイッチングモードに維持するため、スイッチングモードが実施される出力側のスイッチングノイズを軽減するのに単一フィルタ１０８しか必要としない。その結果、本発明の側面に従って実現される集積回路内のリアルエステートが実質的に節減される。
【００３８】
例として、負荷１０６は熱電クーラシステムとすることができる。したがって、他方の入力は熱電クーラが加熱または冷却するデバイスまたはその一部分の所望の温度特性を達成するのに有効な電圧に対応することができる。熱電クーラは典型的にペルチェ冷却効果を使用して作動し、それは２つの異なる材料の接合点を電流が流れると熱を吸収または発生させる。例えば、熱電クーラの熱電要素（図示せず）は所望の異なる特性を有する、テルル化ビスマス等の、半導体材料から形成することができる。負荷１０６として実現される典型的な熱電クーラは、例えば、２本のリードを有する（例えば、図６の例ではＯＵＴ＋とフィルタ１０８間に接続されている）。スイッチングシステム１０４は熱電要素が所望の加熱または冷却効果を発生するようにリード間に電位を供給する。負荷１０６が熱電クーラとして実現される場合には、本発明の側面に従って交互に加熱または冷却する任意の熱電クーラまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）や薄膜抵抗等の他の適切なデバイスを利用できることが理解される。もう一つの例として、システム１００への入力は熱電クーラまたはクーラが冷却（または加熱）しようとしている他のデバイスの所望温度を維持する温度調整信号に対応することができる。ここに記載された特定の変調方式は通常単一方向の電流により駆動される熱電クーラその他のデバイスに対して特に有用であることが理解される。それは電流方向の僅かな遷移で負荷１０６を駆動する効率的なスイッチングを実現できるためである。
【００３９】
前記した構造上および機能的特徴を考えると、本発明のさまざまな側面に従った方法が図７および８を参照してより良く理解される。説明を判り易くするために、図７および８の方法はシリアルに実行するものとして示され説明されるが、本発明に従っていくつかの側面はここに示し説明するものとは異なる順序および／または他の側面と同時に生じるため、本発明は例示されている順序に限定されないことが理解される。例えば、例示されている方法はさまざまな状態が異なる機能を示す状態図として表わすことができる。さらに、本発明の側面に従った方法を実現するのに例示された全ての特徴は必要としないことがある。当業者ならば下記の方法はハードウェア、ソフトウェアまたはハードウェアとソフトウェアの組合せとして実現できることが理解される。
【００４０】
図７に戻って、本発明の側面に従ってフィルタ要求条件を低減するスイッチング増幅器用変調方式を実現する方法に対応するフロー図が例示されている。この方法は下記の方法を実施する集積回路への電力印加等に関するステップ２００で開始する。この方法は、スイッチングシステムに接続された負荷に対して出力（例えば、差動出力信号）を供給する、スイッチングシステムに備えることができる制御に対応する。スイッチングシステムは異なる電圧間（例えば、電源および接地間）に接続され適切な方法で活性化されると各スイッチに電流を流すことができるようにする複数のスイッチを含んでいる。負荷は単一電源および接地間に接続されたフィルタ側トランジスタセットおよび負荷側トランジスタセット等の異なるトランジスタセット間に接続されている。
【００４１】
図７に戻って、ステップ２１０において、負荷に電気的エネルギを供給する制御をそれに基づいて実施することができる情報を提供する、一つ以上のセンサまたは関連する制御回路等から一つ以上の信号が受信される。次に、ステップ２２０において、関連する負荷に対して加えられる出力電流または電圧がステップ２１０の入力に基づいて決定される。さらに、帰還を利用して負荷に対する所望の電流または電圧の供給を容易にすることができる。
【００４２】
負荷に対する決定されたエネルギ要求条件に基づいて、ステップ２３０において、適切なフィルタ側スイッチに対するスイッチング制御が行われる。スイッチング制御は、負荷に所望の出力を供給するように設計された（ステップ２１０の入力に基づいて）デューティサイクルを有する一連のパルスとして提供される（例えば、オンおよびオフ状態間のスイッチング）。その結果、対応するスイッチング出力信号がフィルタ側出力において供給される。
【００４３】
ステップ２４０において、負荷側スイッチは適切なオンまたはオフ状態に活性化されて電流をステップ２２０で決定される適切な方向で負荷に通す。ステップ２４０からステップ２１０に戻りそこでプロセスを繰り返すことができる。前記した方法は電流の方法に無関係にフィルタ側スイッチをスイッチングモードで作動させるだけであることが理解される。したがって、負荷およびスイッチングモードで動作するこれらのスイッチ間に接続された単一のフィルタしか必要としない。単一のフィルタしか必要としないため、このような方法を実施する回路（例えば、ＰＣＢ）内で著しいスペース節減を実現することができる。このような方法は、熱電クーラ、オーディオスピーカ等の電流が一般的に単一方向にしか流れない応用に対して特に効率的である。
【００４４】
図８は本発明の側面に従って負荷を駆動する変調方式を実現する方法を例示するもう一つのフロー図である。この方法は各方法を実施するシステムや集積回路のパワーアップ等に関するステップ３００で開始する。ステップ３１０において、所望の出力電圧または電流に対応する一つ以上の入力信号が受信される。入力信号は負荷の一つ以上の状態または負荷に関連する状態に基づいて得ることができる。
【００４５】
ステップ３２０において、負荷両端間の出力も検出することができる。このような検出は、負荷両端間の電位や電流の実際の決定または出力電圧が特定の閾値を越えるかそれよりも低いかの単純な決定を含むことができる。あるいは、ステップ３１０で受信される入力信号は、少なくとも部分的に出力電圧に基づいて決定される電圧制御信号とすることができ、その場合負荷両端間の出力は明白に検出される必要はない。
【００４６】
ステップ３３０において、ゼロクロス状態が存在するかどうか決定される。このような決定は、例えば、入力（ステップ３１０）または出力（ステップ３２０）を閾値と比較し、負荷両端間の出力に基づいて一対のドライバ制御システムの一方を選択的にイネーブルさせて行うことができる。ゼロクロス状態が存在しなければ、ステップ３４０に進む。
【００４７】
ステップ３４０において、スイッチングシステム内の適切なスイッチに対して線形モード制御が行われる。線形モード制御は、例えば、各負荷に低電圧および実質的に線形出力を供給するように各ＭＯＳＦＥＴデバイスをそれらの線形領域内で作動させる。ステップ３５０において、他のスイッチは、ステップ３１０の入力に基づいて負荷に電流を供給するための適切な電流方向が確立されるように、適切なオンまたはオフ状態に活性化される。ステップ３５０から、ステップ３１０に戻り、前記したことはより新しい回路状態に基づいて繰り返すことができる。
【００４８】
ステップ３３０における決定が肯定的であってゼロクロス状態が存在することを示す場合には（例えば、負荷両端間の出力が閾値を超える）、ステップ３６０に進む。ステップ３６０において、一つ以上のフィルタ側スイッチに対してスイッチング制御を実施することができる。フィルタ側スイッチは負荷両端間の所望の出力を達成するようなデューティサイクルを有するパルス信号により制御される。ステップ３７０において、負荷側スイッチおよび他のフィルタ側スイッチは所望の方法で負荷に電流が流れるように、対応するオンおよびオフ状態に活性化される。スイッチングはフィルタ側スイッチに対してしか実施されないため、フィルタ側スイッチが接続される出力ノードと負荷間に単一フィルタしか必要としない。その結果、このような方法を実施する集積回路上で著しくスペースが節減される。さらに、ハイブリッドスイッチングモードおよび線形モード制御を実施することにより、コストだけでなくドライバおよびスイッチングデバイスの全体性能を従来のシステムに比べて低減することができる。
【００４９】
前記したことは本発明の例を含んでいる。もちろん、本発明を説明する目的で部品や方法の考えられるあらゆる組合せを説明することはできないが、当業者ならば本発明のさらに多くの組合せおよび置換が可能であることを理解される。したがって、本発明は添付特許請求の範囲の精神および範囲内に入る全ての変更、修正およびバリエーションを含むものとする。
【００５０】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
（１）変調システムの第１および第２の出力間に接続された負荷を駆動する変調システムであって、
第１の出力に接続された第１セットのスイッチングデバイスと、
第２の出力に接続された第２セットのスイッチングデバイスと、
第１セットスイッチングデバイスの少なくとも一つのスイッチングデバイスが第１および第２の出力に対する電流の方向に無関係に第１の出力にスイッチング信号を供給するようにスイッチングデバイスの動作を制御する制御システムであって、電流の方向を制御しかつ第２の出力に非スイッチング出力を供給するように第２セットのスイッチングデバイスを制御する制御システムと、
を含む変調システム。
【００５１】
（２）第１項記載のシステムであって、さらに、負荷と第１の出力間に接続されて第１の出力におけるスイッチング信号によるノイズを軽減するフィルタを含むシステム。
【００５２】
（３）第２項記載のシステムであって、制御システムは、さらに、ゼロクロス状態の発生を検出し検出に基づいてシステムの動作モードを設定するモード制御システムを含むシステム。
【００５３】
（４）第３項記載のシステムであって、制御システムは、さらに、線形ドライバシステムおよびスイッチングドライバシステムを含み、その一方はシステムの動作モードに応じて負荷を駆動するように動作するシステム。
【００５４】
（５）第４項記載のシステムであって、ゼロクロス状態の不在がスイッチングモードを規定し、モード制御システムはスイッチングモード中にスイッチングドライバが第１セットのスイッチングデバイスの少なくとも一つのスイッチングデバイスを制御できるようにして負荷に所望電圧を供給する関連するデューティサイクルで第１の出力にスイッチング信号が供給されるようにするシステム。
【００５５】
（６）変調方式は各出力に対する電流の方向に無関係に一方の出力にスイッチング信号を供給し他方の出力に非スイッチング信号を供給することにより一対の出力間に接続される関連する負荷を駆動することができる。この動作モードにおいてスイッチングは一方の出力でしか行われないため、単一フィルタを使用してスイッチング出力におけるスイッチングノイズを軽減することができる。もう一つの側面はクロスオーバ歪の低減を助けるように、ゼロクロス状態中等に、一方または両方の出力を線形動作するように制御することができるもう一つの動作モードに関連している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の側面に従った変調方式を実現するシステムのブロック図である。
【図２】第１の方向の電流でスイッチングモードで駆動される負荷を示すスイッチング増幅器の例である。
【図３】第２の方向の電流でスイッチングモードで駆動される負荷を示す図２のスイッチング増幅器の例である。
【図４】第１の方向の電流で線形モードで駆動される負荷を示す図２のスイッチング増幅器の例である。
【図５】第２の方向の電流で線形モードで駆動される負荷を示す図２のスイッチング増幅器の例である。
【図６】本発明の側面に従ってスイッチングモードおよび線形モードで負荷を駆動することができるハイブリッド増幅器システムを示すブロック図である。
【図７】本発明の側面に従ってスイッチング変調方式を実施する方法を示すフロー図である。
【図８】本発明の側面に従ってハイブリッドスイッチングおよび線形変調方式を実施する方法を示すフロー図である。
【符号の説明】
１０，１００  変調システム
１２，１４，１６，１８  スイッチングデバイス
２０，６０，１０６  負荷
２２，６２，１０８  出力フィルタ
２４，１０２  制御システム
５０，１０４  スイッチングシステム
５２，５４，５６，５８  トランジスタ
６４  インダクタ
６６  キャパシタ
６８，７４  スイッチング信号
８２  線形電圧
８８  低電圧
９０  接地電圧
１１０  モード制御ブロック
１１２  比較器
１１４  制御論理
１１６  スイッチングドライバシステム
１１８  線形ドライバシステム
１２０  ＰＷＭコントローラ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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