(57)【要約】スイッチング増幅器の出力における熱センサは出力スイッチにおける熱放散を感知する。過熱状況が感知されると、デジタル入力信号のゲインは、音声出力信号の出力電力を減少させるように低減される。デジタル入力信号を受信し、入力信号に応答して音声信号を出力するスイッチング増幅器を開示する。熱センサは、スイッチング増幅器の１つまたは複数の出力スイッチの熱放散を感知し、過熱状態が感知されると、ゲイン制御ユニットがデジタル入力信号のゲインを減少させて、音声信号の出力電力を低減する。
2006517353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタルの入力信号を受信し、この入力信号に応答して出力信号を出力するスイッチング増幅器と、
このスイッチング増幅器に結合されてこのスイッチング増幅器の温度を感知する熱センサと、
この熱センサから感知された温度を示す制御信号を受信し、この制御信号に応答して、前記スイッチング増幅器を過熱から守るために前記デジタルの入力信号のゲインを調節するように結合されたゲイン制御ユニットと
を具える装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記スイッチング増幅器が、前記デジタルの入力信号をフィルタリング及び量子化するデルタシグマフィルタ及び量子化器段を含み、前記スイッチング増幅器が更に、このスイッチング増幅器の出力スイッチを駆動するように対応のスイッチング信号をパルス変調するパルスシェーピング回路を含む装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置であって、前記熱センサが前記出力スイッチの温度を感知するように結合されている装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置であって、前記入力信号のゲインが、予め決定された値に設定され、過熱状況が前記出力スイッチで前記熱センサにより感知された場合に前記ゲインが減少するようになっている装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置であって、前記スイッチング増幅器及び前記熱センサが集積回路として製造されている装置。
【請求項６】
請求項３に記載の装置であって、前記感知された温度を、前記ゲインを制御するためのデジタル制御信号に変換するアナログ／デジタル変換器を更に具える装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置であって、前記スイッチング増幅器が、デルタシグマ変調器段を形成して前記デジタルの入力信号をフィルタリング及び量子化するフィルタ及び量子化器を更に具え、分割器及び乗算器が、電源電圧の遅い変化を補償するのに用いられている装置。
【請求項８】
デジタルの入力信号を受信し、この入力信号に応答して音声信号を出力するスイッチング増幅器と、
このスイッチング増幅器の出力スイッチング装置に結合されてこのスイッチング装置の温度を感知する熱センサと、
前記スイッチング装置の感知された温度を示す制御信号を受信し、この制御信号に応答して、前記スイッチング装置を過熱から守るために前記デジタルの入力信号のゲインを調節するように結合されたゲイン制御ユニットと
を具える装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置であって、前記スイッチング増幅器が、デジタル入力をサンプル及びフィルタリングするデルタシグマ変調器及び量子化器を具え、前記スイッチング増幅器が更に、前記出力スイッチング装置を駆動するように対応のスイッチング信号をパルス変調するパルスシェーピング回路を具える装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であって、前記スイッチング増幅器が複数のスイッチング装置を具え、前記熱センサが、これらスイッチング装置の少なくとも１つの温度を感知するように結合されている装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置であって、前記スイッチング増幅器が、複数のスイッチング装置及び複数の熱センサを具え、複数の温度が、前記入力信号のゲインを制御するために感知されるようになっている装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であって、前記スイッチング増幅器及び前記熱センサが集積回路として製造されている装置。
【請求項１３】
請求項９に記載の装置であって、前記感知された温度を、前記ゲインを制御するためのデジタル制御信号に変換するアナログ／デジタル変換器を更に具える装置。
【請求項１４】
請求項８に記載の装置であって、前記スイッチング増幅器が、デルタシグマ変調器段を形成して前記デジタルの入力信号をフィルタリング及び量子化するフィルタ及び量子化器を更に具え、分割器及び乗算器が、電源電圧の遅い変化を補償するのに用いられている装置。
【請求項１５】
スイッチング増幅器から出力を発生するように切り換えるスイッチに近接した位置における温度を感知する工程と、
感知された温度に応答して、前記スイッチが過熱状況に入った場合にこのスイッチにおける電力消費を減少させるように入力信号のゲインを調節する工程と
を具える方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記過熱状況が前記スイッチで感知されると、第１の特定された程度で前記ゲインを減少させる工程を更に含む方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、前記過熱状況がもはや感知されなければ、第２の特定された程度で前記ゲインを増大させてこのゲインを所定のレベルまで戻す工程を更に含む方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、前記温度を感知する工程が、２つ以上のスイッチ位置で温度を感知する工程を更に具える方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法であって、前記感知された温度を、前記ゲインを制御する制御信号を発生するように処理されるデジタル値に変換する工程を更に具える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱帰還を用いるスイッチドモードデジタル増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
変換がデジタル的に実行される音声増幅器において（複数の）スイッチドモード出力段の使用は、デジタル信号入力から音声出力を可能にする。デジタル信号変換は様々な装置により達成できる。１つの特定の技術はデルタシグマ（ΔΣ）変調器を用い、ここでは、デジタル入力信号をフィルタリングし、その後、量子化して出力を発生する。１つの切り換え技術では、量子化器からのノイズシェーピングされた量子化信号はパルス幅変調器（ＰＷＭ）に結合され、ここでは、量子化信号の値がＰＷＭ出力のデューティサイクルを制御する。次に、このＰＷＭ出力が、負荷を駆動するのに増幅器の出力段として用いられる１つまたは複数のスイッチング装置の動作を制御する。フィルタリングされたデジタル信号は、ＰＷＭ信号のパルス幅を変調して、負荷に対する出力段のスイッチオン／オフ時の継続期間を制御するのに用いられる。それ故、負荷を駆動するようにスイッチング増幅器として動作するのに、ＰＷＭ回路と結合されたデルタシグマ変調器回路を用いることができる。従って、デジタル信号は音声駆動信号に変換されて音声スピーカのような負荷を駆動する。
【０００３】
スイッチモード増幅器の出力回路内の（複数の）スイッチング装置では、若干の電力が消費される。スイッチング増幅器のスイッチング装置が理想的であり（すなわち、「オン」状態でゼロインピーダンスを有し、「開放」状態で無限大のインピーダンスを有する）、瞬時に切り換えられた場合、システム効率は１００パーセント（１００％）である。理想的な場合、電源により供給された電力のすべては負荷に供給され、スイッチは熱を消散しない。しかし、実際の実行では、スイッチは若干の熱損失を有し、このことは、場合によって重要な意義を持つ可能性がある。例えば、電力損失が入力電力のほぼ１０パーセント（１０％）程度となる可能性がある。スイッチは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）またはバイポーラデバイスのような電子装置を用いて典型的に実施されるが、その他の装置を用いることができる。これら装置のすべては、ゼロでない「オン」抵抗を有し、状態を切り換えるのに時間を必要とし、このことは、場合によって重要な意義を持つ可能性がある。その影響は典型的に、スイッチに電力消費をもたらし、このことはスイッチング装置の加熱の原因になる。
【０００４】
音声信号は典型的に、高いピーク電力対平均電力比を有する。長期的には、平均信号は、最大可能な信号電力より著しく少ない。典型的な音声システムが、平均状況に対処するように設計されているので、多数のシステムは、長期にわたるピーク信号状況を維持できない可能性がある。この状況は消費者製品に特に当てはまり、これら消費者製品は、平均的な場合に多く設計され、悪い場合の状況を補償する方法を犠牲にする。一般に、このやり方は、システムについて低コストを保つのに実施される。従って、場合によっては、高い信号レベルが処理されると、スイッチが過熱する傾向があり、システム応答の劣化を生じさせるおそれがある。
【０００５】
一般に、部品の破壊を生じさせる可能性があるスイッチの過熱を防止するため、幾つかのスイッチング増幅器が、電源への回路接続を切断するか、あるいは負荷との接続を切ってスイッチング回路の過熱または破壊を防止する保護機構を用いている。例えば、スイッチング回路が過度の電流を引き込む時に断線を確実にするためにヒューズを用いることができる。これら既知の技術は、システムの急激な中断、あるいは、出力への信号の急激な切断を引き起こす。従って、これら種類の保護機構の実践的含意は、スピーカから全く音を発しないようなスピーカへの音声出力の急激な切断に帰着する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
音声出力を急激に除去する代わりに、出力における過熱状態に対処して急激なやり方を抑える必要性及び要求が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の概要）
デジタル入力信号を受信し、入力信号に応答して音声信号を出力するスイッチング増幅器を開示する。熱センサは、スイッチング増幅器の１つまたは複数の出力スイッチの熱放散を感知し、過熱状態が感知されると、ゲイン制御ユニットがデジタル入力信号のゲインを減少させて、音声信号の出力電力を低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（実施形態の詳細な説明）
図１は、電源に基づく圧縮を実施する例示的な（スイッチモード増幅器とも称する）音声スイッチング増幅器回路１０を示す。図１の例示的な回路１０は、本発明を実行する一実施形態を示す。図１に示す本発明の実施形態は、デジタル入力信号を音声出力に変換するのに４つの段を有するスイッチング増幅器回路１０である。増幅器からの音声出力信号は、負荷１１に結合される。スイッチング増幅器回路１０の動作を説明するのに４つのみの段を示すが、本発明を実行するその他の実施形態では、その他の段及び／または回路が存在できる。
【０００９】
図１の特定の例示的な実施形態では、入力ゲイン制御段１２、デルタシグマ（ΔΣ）段１３、パルス幅変調（ＰＷＭ）段１４及び出力段１５が、スイッチング増幅器回路１０の４つの段である。負荷１１は、出力段１５から音声出力を受信する。入力ゲイン制御段１２への入力はデジタル信号入力であり、一般には、音声アプリケーション用の音声デジタル信号入力である。入力ゲイン制御段１２に続くΔΣ段１３はデルタシグマ変調技術を用いて入力信号をフィルタリングし、フィルタリングされた信号を量子化する。ΔΣ段１３からのノイズシェーピングされた量子化信号は、出力段１５から出力を発生するようにＰＷＭ段１４のパルス幅変調を制御する。出力段１５へのＰＷＭ信号は、負荷１１を駆動するために電源電圧を結合するスイッチング増幅器のスイッチの動作を制御する。
【００１０】
入力ゲイン制御段１２はデジタル入力信号を受信し、デジタル信号のゲインを調節し、ゲイン調節されたデジタル信号をΔΣ段１３に結合する。入力ゲイン制御段１２の詳細な説明は、この開示で後に記述する。ノイズシェーピングされた信号がΔΣ段１３から出力されるようにΔΣ段１３は、ゲイン調節されたデジタル信号を受信し、このデジタル信号をフィルタリングし、フィルタリングされた信号を量子化する。次に、このノイズシェーピングされた信号を用いてＰＷＭ段１４を駆動し、その後、ＰＷＭ段１４は出力段１５を駆動する。スイッチング増幅器回路１０は、ローパスフィルタ２１を用いてデジタル信号をフィルタリングし、フィルタリングされた信号は分割器２３を通過後、量子化器２２に結合される。ＬＰフィルタ２１と量子化器２２との間に配置された分割器２３を示す。
【００１１】
分割器２３は、電源電圧値（例えば、Ｖ＋の値）自体とすることができる電圧値により、または比例量によりＬＰフィルタ２１の出力を分割し、量子化器２２は、フィルタリングされた信号を量子化する。量子化器２２の出力は乗算器２４を通るように結合され、ＬＰフィルタ２１の入力への帰還ループに帰還される。加算ノード２６は、結合された帰還信号をＬＰフィルタ２１の入力において入力信号と合計するのに用いられる。一般に、分割器２３は出力スイッチ上の電圧を補償し、乗算器２４は帰還路内の分割器２３を補償する。典型的な実行では、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２７は、分割器２３及び乗算器２４を制御するために電源電圧Ｖ＋をデジタル値に変換するのに用いられる。電源電圧Ｖ＋を監視することにより、電源の変化を補償するように分割器２３及び乗算器２４が対応して調節される。フィルタリング、ノイズシェーピング及び変調を行う様々なΔΣ変調器及びＰＷＭ回路を用いて、対応の出力信号を負荷１１に発生させるように出力段を駆動できる。
【００１２】
量子化器２２の出力は、入力デジタル信号に対応するノイズシェーピングされた信号である。量子化器の出力はＰＷＭ回路２９に結合される。様々なパルスシェーピング回路をＰＷＭ回路２９に用いることができる。ＰＷＭ回路２９から出力された信号のパルス幅は、スイッチング増幅器回路１０に入力されたデジタル音声信号の値に対応し、ここでは、この値は、分割器／乗算器網の組み合わせにより行われた若干の電源補償を有する。次に、ＰＷＭ回路２９の出力を出力段１５に結合し、図示の特定の実施形態では、出力段１５はスイッチング増幅器回路１０用にスイッチング装置を含む。スイッチング増幅器回路１０は、フィルタ３３を通して電源電圧Ｖ＋を負荷１１へ切り換えるのに用いられるスイッチ３１Ａ〜Ｂ，３２Ａ〜Ｂを含む。スイッチ３１Ａ，３２Ａは電源電圧（Ｖ＋）と、この場合はアースとして示す帰線との間に直列に配置されている。スイッチ３１Ｂ，３２Ｂは、Ｖ＋と帰線（例えば、アース）との間に同様に直列に配置されている。スイッチ３１Ａ〜Ｂ，３２Ａ〜Ｂは、パワーＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を含む様々な部品をもって構成できる。
【００１３】
スイッチング増幅器回路１０の動作中、４つのスイッチは、スイッチの接合部３１Ａ／３２Ａ，３１Ｂ／３２Ｂで取り出されるフィルタへの出力を有するブリッジ構造体を形成する。スイッチ３１Ａ，３１Ｂはスイッチ対として一緒に動作し、スイッチ３２Ａ，３２Ｂはその他のスイッチ対として一緒に動作する。一方のスイッチ対３１（または３２）が開いている間、他方のスイッチ対３２（または３１）は閉じている。どちらのスイッチが開くか、閉じるかという決定は、ＰＷＭ回路２９からの信号の状態により決定される。従って、スイッチ対３１，３２を交互に開閉することにより、負荷１１へ出力される電圧がＰＷＭ回路２９からの信号のデューティサイクルの継続期間ごとに制御される。スイッチの実際の数は、用いられる特定の回路に応じて変化する。場合によっては、スイッチの１セットだけを用いることができる。その他の場合では、スイッチの２セット以上を用いることができる。図示のブリッジ回路は、このような出力スイッチを用いる例示的な一実施形態にしかすぎない。
【００１４】
スイッチング増幅器回路１０では、電源電圧Ｖ＋に対する帰線をアースとして示す。しかし、その他の実施形態では、負荷１１が正の電源レール電圧と負の電源レール電圧との間で動作するように帰線をＶ−のような電圧とすることができる。低周波数成分（音声信号）のみが負荷１１に結合されるようにフィルタ３３は、高周波数成分を除去するように動作する。負荷１１は様々な音声駆動装置を含むことができ、一実施形態では、負荷１１はスピーカまたはスピーカセットである。
【００１５】
出力スイッチが過熱すると、スイッチング増幅器は過熱保護機構を有することができる。出力信号は、断線により、または、駆動電圧を除去することにより負荷１１から切断される。どちらにしても、音声出力はもはや負荷１１に存在しない。一般の動作状況下では適切に動作するが、信号がピークレベル付近で駆動され、充分な維持期間中、このレベルで維持される時のような、ある極端な動作状況では過熱するおそれのある電源／出力段構成を多くの市販の音声システムが有する傾向にある。これらの場合では、幾つかのシステムは、出力をターンオフしてシステムへの損傷を防止するようになっている。
【００１６】
例示的なスイッチング増幅器回路１０は、過熱に至るおそれがある信号状況に直面する場合であっても、出力を維持できるようにする一方式を用いる。出力段１５は、スイッチング装置３１，３２の温度を監視（感知または検出）する熱センサ３５を含む。熱感知をスイッチ３１，３２の位置またはスイッチ付近で行うことができる。例示的な一実施形態では、熱センサ３５としてサーミスタが用いられる。熱センサ３５にその他の装置及び部品を容易に用いることができる。
【００１７】
次に、熱センサ３５からの温度指示をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３０に結合して、これにより、温度指示がデジタル値に変換されるようにする。その後、デジタル温度指示値を、帰還信号として入力ゲイン制御段１２のゲイン制御ユニット４０に結合する。ゲイン制御ユニット４０は出力スイッチ３１,３２の熱状況を監視し、ΔΣ段１３の入力へのデジタル入力信号のゲインを制御するために制御信号を送信する。ゲイン調節を入力ゲイン制御段１２内の乗算器ユニット４１により示す。従って、ゲイン制御ユニット４０は、出力段１５における温度指示の値に基づいて入力信号ｃのゲインを対応して調節する。
【００１８】
過熱状況（または、過熱に至る可能性がある状況）が出力段１５において感知されると、熱センサ３５の出力はこのような状況の指示をゲイン制御ユニット４０に送信する。入力信号の完全なピークが減少され、これにより、ＰＷＭ段１４の駆動に対応の減少を生じさせ、このため、出力段１５の駆動が減少されるようにゲイン制御ユニット４０は、入力信号のゲインを低くすることにより応答する。出力段１５での減少した信号振幅は出力信号を低くし、より低い電力消費は、出力スイッチに少ない熱を発生させるようにする。出力段が過熱し、または過熱し始める時、結果として生じるスイッチング増幅器回路１０の作用は入力ゲインの自動的な低下である。過熱状況、または過熱状況の開始がもはや存在しなければ、ゲインレベルは戻る。
【００１９】
図２は、ゲイン対温度曲線を表す例示的な波形図５０を示す。出力段の温度が、（破線５１により示す）予め定められたレベルに到達するまで、入力信号のゲインは、ほぼ一定のままである。その後、温度が上昇し続けると、ゲインは対応して減少する。図２では、波形図５０は、ゲイン対温度の線形減少を示す。しかし、その他の実施形態では、非線形に減少できる。
【００２０】
ソフトウェアによりゲイン制御を行う一実施形態を図３に示す。このソフトウェアの実装では、ゲイン制御ユニットがＡ／Ｄ変換器３０からの温度指示を受信する。過熱に対するしきい値は予め決定され、ゲイン制御ユニット４０にとって利用できるようになった値として保存される。（ブロック６１において、）感知された温度値がしきい値よりも大きければ、（ブロック６２において）ゲインを低くする。図３では、ゲインを係数αだけ減少させる。温度がしきい値を超えていなければ、（ブロック６３において）ゲインを検査する。ゲインが、（この例では、１である）定められた値より少なければ、（ブロック６４において）ゲインを係数βだけ増大させる。そうでなければ、ゲインを増大させない。感知された温度が、予め決定された過熱値に到達した場合には、この判定ループは、ゲインを減少させるように繰り返し実行され、過熱状況が除去されると、ゲインを１（または、ある選択された最大値）まで増大させるように繰り返し実行される。係数α，βは、ゲインが変化する程度を決定する。変化の程度は設計上の選択であり、変化の程度をシステムの力学により決定できる。その他の考慮は、スピーカからの音声の音量がゲインの変化に応じて変化する時に、ゲインの変化する動作を聞き手に気付かれないようにすることである。更に、ゲインの調節制御をハードウェアまたはソフトウェア、及び、その双方に実装できる。図３は、ソフトウェアにおける例示的な実施を示し、ここでは、α及びβ値をプログラマブルとすることができる。
【００２１】
別の実施形態では、入力信号ゲインを制御する熱帰還制御を出力駆動の完全な停止と結合できる。場合によっては、電力消費を、入力におけるゲインの低下が、出力段１５内のスイッチング装置の過熱状況を制御するのに依然として適切でない可能性があるようにすることができる。従って、実際の熱放散について、出力信号の停止を引き起こすある限界を設置できる。例えば、特定の温度に達すると、出力を駆動するための電源電圧Ｖ＋を切断できる。例示的な一実施形態では、上限しきい値に達した時に完全に停止するために、入力ゲイン段への同一制御帰還信号を監視できる。出力駆動または電源電圧を切断して停止を達成するために、出力をターンオフする既知の技術を含む様々な装置または回路を用いることができる。
【００２２】
図４は、ゲイン制御技術を実装して温度変化を調節する総括的かつ例示的な実施形態を示す。この例示的な実施形態では、回路７１は（シリコンウェハー上に製造された集積回路のような）集積回路７０の一部であり、ここでは、デジタル入力信号が集積回路７０に入力され、音声信号が集積回路７０から出力される。この出力は一般に、（複数の）スピーカのような負荷１１に結合される。電源電圧は、離れた電源ユニットから集積回路７０に結合される。この場合も、２つ以上の電源電圧を集積回路７０に結合できる。集積回路７０内でユニット７２〜７４として実施される図１の４つの段１２〜１５を、ここではＡ／Ｄ７５として示すＡ／Ｄ変換器２７と一緒に示す。この例示的な実施形態では、ΔΣ段１３及びＰＷＭ段１４を、一緒に実施されるΔΣ／ＰＷＭサブシステム７３として示す。同様に、図１のセンサ３５及びＡ／Ｄ変換器３０を一緒にセンサ及びＡ／Ｄユニット７６として示す。集積回路７０は、メモリと同様に部品の処理を含んで、集積回路７０内の部品と関連するデータを制御及び処理できる。従って、入力ゲインを調節し、かつ／または、処理を実行するための能力を処理するソフトウェアを集積回路７０の一部として含むことができる。あるいはまた、処理及び／またはデータ記憶動作を、集積回路７０の外部の部品または装置に任せることができる。
【００２３】
従って、図１に示す例示的な実施形態に関連して説明した温度感知方式は集積回路７０内で容易に実施できる。出力段１５内に１つのセンサを用いることができ、または、その代わりに複数のセンサを用いることができる。すべてのスイッチの温度が同様である可能性があれば、１つのセンサ７６を用いることができる。あるいはまた、温度が様々なスイッチ間で変化する可能性があれば、スイッチごとに、または、類似の温度特性を有するスイッチの一群ごとにセンサを用いることができる。複数のセンサの場合、複数のＡ／Ｄ変換器７５を用いることができる。複数のセンサを用いる場合、ゲイン制御ユニット７２を、各センサに、または、感知された値の幾つかの組み合せに反応するように設定できる。従って、高温指示におけるゲインの低下では、出力装置を安全レベルに維持できる。信号レベルが減少すると、電力消費も減少し、出力温度が低下し、これにより、ゲインを前のレベルまで戻す、または、その他の所定のレベルまで増大させることができる。感知技術は、温度センサ及びスイッチを１つのダイ上に集積できる集積回路の実施に特に適する。
【００２４】
このように、スイッチドモード増幅に対する熱帰還が記載されている。本発明の実施形態を特別に示し、説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細の様々な変更を行うことができることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、熱帰還を行って入力のゲインを調節するスイッチング増幅器の一実施形態の例示的なブロック線図である。
【図２】図２は、熱帰還を用いるゲイン対温度を示す例示的な波形図である。
【図３】図３は、入力信号のゲインを制御するアプリケーションの例示的な流れ図である。
【図４】図４は、図１のスイッチング増幅器を用いる集積回路の例示的なブロック線図である。
【図１】
2006517353.tif 000003
【図２】
2006517353.tif 000004
【図３】
2006517353.tif 000005
【図４】
2006517353.tif 000006