(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その第１組の端子がノイズ低減回路（１）の１組の端子（５，６）に接続され、ノイズ低減回路の端子（５，６）間で切替え可能なスイッチング端子（１７）を有する第２組の端子（７，８）を備える２ポート型のスイッチング回路（２）における電流測定回路であって、スイッチングシーケンス期間におけるスイッチング回路内の電流が、ノイズ低減回路における測定インピーダンス回路に流され、測定インピーダンス回路が、スイッチング回路の第１組の端子の端子（５）とノイズ低減回路の入力ポートの端子（３）との間に接続されたインダクタンス（１３）により形成され、キャパシタ（１４）と測定抵抗（１５）との直列接続がスイッチング回路の第１組の端子（５，６）に並列に接続されることを特徴とする回路。
【請求項２】
スイッチング端子（１７）による開閉期間における測定抵抗（１５）の両端の過渡電圧がダイオード（１６）によって整流され、ダイオード（１６）の一方の端子が測定抵抗（１５）とキャパシタ（１４）との接続点に接続され、ダイオードの他方の端子が測定キャパシタ（２１）を介して接地されることを特徴とする請求項１記載の回路。
【請求項３】
接地への電圧分配器（５，２３）が測定抵抗（１５）とダイオード（１６）との間に挿入されるか、又はダイオードと測定キャパシタとの間に挿入されることを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項４】
抵抗がダイオードの前又は後に挿入されることを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項５】
スイッチング回路のスイッチング端子（１７）素子を瞬間的に開くようになっている制御回路（１８）に測定電流が供給されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の回路。
【請求項６】
ノイズ低減回路とスイッチング回路（２）が基板上の集積ユニットとして形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の回路。
【請求項７】
集積ユニットの導体路が、インダクタンス（１３）を形成することを特徴とする請求項６記載の回路。
【請求項８】
Ｄ級オーディオアンプのハーフ・ブリッジにおける、請求項１〜６のいずれか１つに記載の回路の使用。
【請求項９】
電源における、請求項１〜６のいずれか１つに記載の回路の使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、その第１組の端子がノイズ低減回路の１組の端子に接続されその第２組の端子がノイズ低減回路の端子間で切替えられるようになっているスイッチング端子を有する２ポート型スイッチング回路における電流測定方法に関する。
【０００２】
さらにこの発明は、その第１組の端子がノイズ低減回路の１組の端子に接続され、ノイズ低減回路の端子間で切替え可能なスイッチング端子を有する第２組の端子を備える２ポート型スイッチング回路における電流測定回路に関する。
【０００３】
さらにこの発明は、上記方法と回路の使用に関する。
【０００４】
スイッチド増幅器における従来の電流測定は、負荷又は増幅器の電源への信号路に抵抗を必要とする。多重のハーフブリッジを含みオーディオ増幅に使用されるスイッチド増幅器において、そのような測定抵抗を用いることは、オーディオ性能の低下や増幅器の総合的な効率の低下を招く。さらに、抵抗を介して測定される電圧は、電力損失を低くするために極めて小さくしなければならないが、信号を増幅して５ボルトの回路電圧を共通とする標準的なオーディオ増幅回路に用いるために、その極めて小さい電圧は測定増幅器を必要とするので、オーディオ増幅器が非常に複雑になる。また、公知のことであるが、スイッチド増幅器は、出力が短絡した場合に、素早く反応して増幅器を破損から守る保護システムを必要とする。これは、電流測定回路がきわめて速くなければならない、つまり、高い帯域を備えなければならないということを意味する。電流測定回路が測定抵抗と高ゲインの測定増幅器とに基づくものであれば、それと同時に回路の高帯域を実現することは複雑な仕事であるということが従来の設計から知られている。
【０００５】
一方、スイッチド回路は、例えば増幅器出力の短絡による破壊的に大きく立上りの速い電流から保護される必要がある。従って、上記の欠点を除去して電流を測定できる電流測定原理を見出すことが今までずっと試みられてきた。
【０００６】
スイッチド増幅器の原理は、ハーフブリッジ又は多重ブリッジにおける２つ以上のスイッチが、その増幅器に供給されるオーディオ信号のような信号の振幅に基づいて、それぞれ所定時間だけ導通および非導通状態に切換られるということである。オーディオ信号の情報は、これによって、オーディオ信号の有効な情報に忠実に対応する複数のパルスに変換される（信号がパルス変調される）。スイッチド増幅器の良好な直線性を保証するために、パルスはきわめてうまく形成される必要がある。
【０００７】
パルス変調増幅器は、理論的には非常に線形であり、電力損失が小さく、歪みが小さく、１００％の効率を有するが、実際には、低い線形性と低効率のため、高忠実度増幅器に用いるには不適当であることが見出された。その理由は主に、理想的なパルスと増幅器の高効率および高信頼性を同時に実現することが実際的にはできないということである。
【０００８】
パルスを理想的に発生させることができない理由の１つは、スイッチの電源に見出される。パルス高さは電源電圧の変化によって変化するので、非常にうまく形成された電源電圧を備えることが望ましいが、電源とスイッチド増幅器出力側との間に測定抵抗が挿入され、電流が流れたときに測定抵抗を介して電圧が変化するので、電源電圧をうまく形成することができない。
【０００９】
測定抵抗が出力側と負荷との間に挿入される場合には、増幅器の出力インピーダンスが増大することは明らかである。フィードバック付きの増幅器では、フィードバックを増大することによって増幅器の出力インピーダンスを低減させることが可能であるが、真のデジタル増幅器やスイッチド増幅器のようなオープンループ又は制限付きフィードバック増幅器においては、これは不可能である。
【００１０】
さらに、明らかなことであるが、増幅器の効率は、抵抗が信号路に挿入されるか、あるいは出力側と電源又は負荷との間に挿入される場合、抵抗の電流損失により低下する。Ａ級及びＡＢ型の従来の増幅器では、これは、増幅器の出力側の低効率により、僅かな損失源として受入れられてきた。しかし、非常に高い効率を得ることができるスイッチド増幅器では、測定抵抗における電力損失は、増幅器の全電力損失を容易に５０％以上増大させることが可能である。
【００１１】
従来技術では、測定抵抗における電流損失を減少させることに多くの努力がなされ、解決策として、きわめて低い抵抗値を有する抵抗が用いられてきたが、これは勿論、測定抵抗の端子電圧が低いので、高ゲインの測定増幅器により増幅した後に５ボルトの電圧レベルで作動する回路に用いることが必要となる。きわめて小さい電圧の高ゲイン増幅は、限定された帯域で、Ａ級およびＡＢ級のような低ノイズ回路において得ることができるが、スイッチド増幅器の環境においては、増幅器の電圧電流源の非常に速いスルーレートによって生成されるノイズのために、限定された帯域の増幅信号さえ、得ることが非常に難しい。前述のように、出力側の特性によりスイッチド増幅器では高速で反応する電流保護システムを必要としたので、高抵抗値を、従って高損失を有する測定抵抗を備えた電流測定回路を実現するということが従来の設計では見られてきた。
【００１２】
従って、この発明の目的は、スイッチド増幅器の出力側の電流を測定できる方法を提供することと、増幅器の信号路に測定抵抗を使用せずに、かつ、測定した信号を増幅する増幅回路を必要とせずに、所望の電圧レベルの高帯域測定信号を提供することである。
【００１３】
この発明の目的は、電流測定が、電源とスイッチド回路との間に回路を挿入することによってスイッチング回路のスイッチングシーケンス期間の過渡測定として行われ、かつ、その測定がノイズ低減回路のインピーダンスの両端で行われ、そのインピーダンスがスイッチング回路に並列に設けられることを特徴とする請求項１の前置き部分によって限定される方法により達成される。
【００１４】
出力端子又はスイッチド回路の電源端子のいずれかの電流測定抵抗による損失や歪みを発生することなく、所望電圧レベルで有効な電流検出信号を得ることができる回路がここに提供される。
【００１５】
この方法の好ましい実施態様は、請求項２と３により限定される。
【００１６】
上述のように、この発明はまた、請求項４の前置き部分で限定されるタイプの回路に関連する。
【００１７】
この回路は、スイッチングシーケンス期間におけるスイッチング回路の電流がノイズ低減回路の測定インピーダンス回路に流されることを特徴とする。
【００１８】
好ましくは請求項５に述べるように、測定インピーダンス回路がスイッチング回路の第１組の端子の１つの端子とノイズ低減回路の入力ポートの１つの端子との間に接続されたインダクタンスにより形成され、キャパシタと測定抵抗との直列結合がスイッチング回路の第１組の端子に並列接続されることを特徴とする。
【００１９】
請求項９に述べるように、測定された電流が、スイッチング回路のスイッチング端子を瞬間的に開くようになっている制御回路に供給される時、制御回路が所定電流値においてスイッチを瞬時に非接続として過電流破壊から保護するという追加的な効果を達成する。
【００２０】
他の好ましい回路の実施態様は従属項で限定される。
【００２１】
最後に、上述のように、この発明は前記方法と回路の使用に関する。
【００２２】
この使用は請求項１２で限定される。
【００２３】
この使用において、パルスの歪みが小さく、しかもハーフブリッジに対する従来の保護回路よりも単純に高速で保護するオーディオ用の低ノイズハーフブリッジを提供することができる。
【００２４】
この発明の原理は、ノイズ減衰回路に接続して用いるためにきわめて好適であるが、これは本願と同じ優先権によって出願されたＷＯ９９／５９２４１にさらに完全に記載されている。
この発明は、図面に示す次の実施態様を参照してさらに十分に説明される。
【００２５】
図１において、番号１はノイズ低減回路を示し、その端子５と６は２ポート型スイッチ回路２の１つのポートの端子に接続されている。スイッチド回路（switched circuit）の他のポートは２つの端子７，８を有し、その１つのスイッチング端子１７は端子５と６との間で切換えられ、他の端子８は端子６に接続されている。ノイズ低減回路は、スイッチド回路の電流を測定する能力を備え、スイッチド回路の電流に対応する信号が存在する出力１９を有する。この出力１９は制御回路１８に接続されるが、その制御回路は出力２０を介してスイッチド回路２のスイッチをきわめて迅速に開くことができる。
【００２６】
図２は、ノイズ低減回路１、制御回路１８およびスイッチド回路２を外部回路９と１０に接続する方法の基本例を示す。１つの外部回路９はノイズ低減回路の端子３と５に接続され、他の外部回路１０は端子８とインダクタンス１１とを介して、スイッチ回路の端子７へ接続される。外部回路９と１０はそれぞれ電圧源と負荷から構成される。外部回路９と１０は、逆にそれぞれが負荷と電圧源から構成されてもよい。
【００２７】
図３はノイズ低減回路１を実現する方法の例を示す。ノイズ低減回路１は、端子３と５の間に挿入されたインダクタンス１３と、キャパシタ１４および測定抵抗１５の直列結合とを備える。ダイオード１６，測定キャパシタ１２および抵抗２４を含む電流測定回路は、測定抵抗１５に並列に挿入される。ダイオード１６のアノードは測定抵抗１５とキャパシタ１４との接続点に接続され、そのカソードは端子１９と測定キャパシタ２１の一方の端子とに接続され、測定キャパシタの他方の端子は端子６に接続される。抵抗２４は測定キャパシタ２１に並列に挿入され、適当な時定数で測定キャパシタ２１を放電させるように作用する。従って、測定信号は、測定キャパシタ２１と抵抗２４の両端に、端子６と１９間への微分信号として与えられる。その測定信号は、逆の導通方向を有するダイオードを挿入することによって逆極性で与えられてもよい。
【００２８】
図４はノイズ低減回路１を実現する方法の他の例を示す。ノイズ低減回路１は端子３と５の間に挿入されるインダクタンス１３と、キャパシタ１４および測定抵抗１５の直列結合を備える。ダイオード１６と測定キャパシタ２１と抵抗２２，２３，２４とを含む電流測定回路は、測定抵抗１５に並列に挿入される。抵抗２２と２３は直列結合されて、測定抵抗１５とキャパシタ１４との接続点と、端子６との間に挿入される。ダイオード１６のアノードは抵抗２２と２３との接続点に接続され、そのカソードは端子１９と、測定キャパシタ２１の一方の端子とに接続される。キャパシタの他方の端子は端子４と６とに接続される。抵抗２４は、適当な時定数で測定キャパシタを放電させるために測定キャパシタに並列に挿入される。従って、測定信号は、測定キャパシタ２１と抵抗２４の両端に、端子６と１９間への微分信号として与えられる。その測定信号は、逆の導通方向を有するダイオードを挿入することによって逆極性で与えられてもよい。
【００２９】
図５は、測定抵抗１５の両端の電圧２５のスイッチングシーケンス期間における変化の例を示す。電圧のピーク２７はスイッチド回路２の電流によって与えられ、スイッチング端子１７が端子７への正電流において端子６から端子５へ切替えられたときに抵抗１５の値で掛け算される。電圧のピーク３６は、端子７へ正電流が流入しスイッチング端子１７が端子５から端子６へ切替えられる時に抵抗１５の値で掛け算されたスイッチド回路２の電流によって与えられる。電圧のピーク３６は、端子７へ正電流が流入しスイッチ１７が端子５から端子６へ切替えられる時に抵抗１５の値で掛け算されたスイッチド回路２の電流によって与えられる。番号２６は測定キャパシタ２１の両端の電圧のコースを示し、測定キャパシタの両端の平均電圧が、測定抵抗のピーク電流に比例する値をとることが判る。
【００３０】
図６は、負荷が端子７と８との間に接続され、電源が端子３と４との間に接続される場合において、図１又は２に示す回路１と２とを実現する方法の例を示す。電流測定回路３７は、素子２２，２３，１６，２１，２４を含み、抵抗１５に並列に接続され、端子４は回路１と３７との共通グランドであり、端子１９は抵抗１５に流れるピーク電流に比例する電圧を与える。
【００３１】
回路１と２を流れる電流を図７ａ〜７ｇを参照してさらに詳しく説明し、電流測定を行う方法を示す。
【００３２】
図７ａ〜７ｇは、回路１と２の電流の流れの図表を示し、そこでは電流の流れの図表は図７ａ〜７ｇに示すように回路１と２について６つの状態に分けられている。電流測定回路３７は回路１と２の電流の流れに影響しないと考えられるので、図示されていない。
【００３３】
図７ａはスイッチ３５が正の負荷電流を導通させ、その電流がスナバインダクタ１３と２つの寄生インダクタ３０と３１とを通っている状態を示す。
【００３４】
図７ｂは回路１と２を示し、そこではスイッチ３５が丁度開かれ、スイッチ３４が丁度閉じられて、スナバインダクタ１３を流れる電流と寄生インダクタ３０と３１を流れる電流とが同時に変化しないことにより、インダクタ１３，３０，３１に蓄えられたエネルギーが零になるまで電流がキャパシタ１４と抵抗１５に流れる。回路１と２の実際の設計においては、インダクタ１３に蓄えられるエネルギーはインダクタ３０と３１に蓄えられるエネルギーよりはるかに大きいので、インダクタ１３に流れる電流は長時間にわたって抵抗１５に流れる。これは図７ｃに示される。
【００３５】
図７ｃは、寄生インダクタのエネルギーが零になった直後の回路１と２を示し、負荷電流はスイッチ３４と寄生インダクタンス２８と２９を介して流れることが判る。さらに、インダクタ１３を流れていた電流は、インダクタ１３のエネルギーが零になるまでキャパシタ１４と抵抗１５を依然として流れていることが判る。インダクタ１３を流れる電流は最初は抵抗１５の電圧を設定し、負荷のスイッチングの直前のインダクタの電流が負荷電流に等しいという事実から、抵抗１５の両端に生じるピーク電圧は負荷電流に比例する。電流測定回路３７の素子１６，２１，２２，２３，２４の正しい値を選ぶことによって、負荷電流に比例する電圧を、所望のレベルと帯域で端子１９から得ることができる。なお、抵抗１５の端子電圧は、図７で与えられる定義を用いる時には、負荷電流と同じ符号を有する。
【００３６】
図７ｄは、スイッチ３５からスイッチ３４への切替えが終了し、スイッチ３４が正の負荷電流を導通させ、その電流がスイッチ３４自体と２つの寄生インダクタ２８と２９を流れる状態にある回路１と２を示す。
【００３７】
図７ｅは、スイッチ３４からスイッチ３５へ切換えた状態の回路１と２における電流の流れを示し、負荷からの電流がキャパシタ１４と抵抗１５を流れることが判る。なお、抵抗１５の端子電圧は図７で与えられる定義を用いる時には負荷電流と逆の符号を有する。
【００３８】
図７ｆは、スイッチ３４からスイッチ３５への切替えが行われ負荷電流がスナバインダクタ１３によりキャパシタ１４と抵抗１５から引き取られた後の回路１と２における電流の流れを示す。
【００３９】
図７ｇは、回路１と２の次の電流の流れを示し、電流の流れは図７ａに示されるものと同一であり、電流の流れの図表が完結することが判る。
【００４０】
上述から判るように、この発明は負荷電流を測定して切替え電流における半導体を過電流から保護するノイズ低減回路を提供すると共に、ノイズ減衰回路の単純化を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の基本構成をブロック図で示す。
【図２】  この発明の可能な使用をブロック図で示す。
【図３】  受動ノイズ減衰および電流検出回路を有する実施態様を実例によってダイヤグラムで示す。
【図４】  この発明の他の実施態様の実例をダイヤグラムで示す。
【図５】  スイッチの接続と非接続期間におけるスイッチド回路の中と周辺の電圧を示す。
【図６】  図１又は２における回路１，２と８の実施態様を示す。
【図７ａ】  図６の回路の電流の流れの異なる状態を示す。
【図７ｂ】  図６の回路の電流の流れの異なる状態を示す。
【図７ｃ】  図６の回路の電流の流れの異なる状態を示す。
【図７ｄ】  図６の回路の電流の流れの異なる状態を示す。
【図７ｅ】  図６の回路の電流の流れの異なる状態を示す。
【図７ｆ】  図６の回路の電流の流れの異なる状態を示す。
【図７ｇ】  図６の回路の電流の流れの異なる状態を示す。
【図１】
0004298919.tif 000002
【図２】
0004298919.tif 000003
【図３】
0004298919.tif 000004
【図４】
0004298919.tif 000005
【図５】
0004298919.tif 000006
【図６】
0004298919.tif 000007
【図７ａ】
0004298919.tif 000008
【図７ｂ】
0004298919.tif 000009
【図７ｃ】
0004298919.tif 000010
【図７ｄ】
0004298919.tif 000011
【図７ｅ】
0004298919.tif 000012
【図７ｆ】
0004298919.tif 000013
【図７ｇ】
0004298919.tif 000014