JP2004088675A

JP2004088675A - デジタルオーディオアンプの過負荷保護回路

Info

Publication number: JP2004088675A
Application number: JP2002249873A
Authority: JP
Inventors: Hikari Kondo; 近藤　光
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【目的】低コスト且つ両極性検出で過負荷状態に対して確実な保護動作が実現できるデジタルオーディオアンプの過負荷保護回路を提供する。
【構成】シャットダウン端子ＳＤを備えるデジタルオーディオアンプ回路５０に対する過負荷保護回路３０は、出力端子ＯＵＴＰＵＴと負荷Ｒ４間の出力電流検出抵抗Ｒ３と、Ｒ３とＲ４との抵抗比とバランスする直列接続の２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２とダイオードＤ２で構成されるインピーダンスブリッジ１０と、Ｒ４が小さい方向に変化してアンバランスとなった場合にのみ差信号Ｖｓ２が生じてオンするトランジスタＱ２と、を有する過負荷検出回路８及び同様の過負荷検出回路９を備えて、正負両極性について負荷Ｒ４が過負荷状態になった場合にのみ、トランジスタＱ２又はＱ１のオンによって得られた検出信号Ｓがシャットダウン端子ＳＤに入力されてパワー段のスイッチングトランジスタをオフさせる構成である。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルオーディオアンプ（Ｄクラスアンプとも称する。）の過負荷保護回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワー段がデジタル（スイッチングモード）で動作して出力するデジタルオーディオアンプにおいては、出力端子が短絡されて出力電流が過大となった場合等に、パワー段のトランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ等）が破壊しないように保護する必要がある。このような過負荷状態からトランジスタを保護する従来の過負荷保護回路方式として、図４に示されるデジタルオーディオアンプ６０の回路図のように、パワー段のＦＥＴ等のトランジスタＸＸ１とＸＸ２が個別部品で構成されている場合には、前記トランジスタＸＸ１とＸＸ２に直列に電流検出用抵抗Ｒ１１、Ｒ１２を接続してその電流値を電流検出回路Ａ、Ｃによって電圧として検出し、所定の電流値を超えた場合にドライバ回路Ｂを制御してＸＸ１とＸＸ２をカットオフさせて動作を停止させ破壊から保護する構成の所謂最大許容電流値設定型が一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の最大許容電流値設定型の過負荷保護回路では、下記（１）〜（３）の問題がある。
（１）電流検出用抵抗Ｒ１１、Ｒ１２は、スイッチング特性に悪影響するため、通常２０ｍΩ以下の微小抵抗値（図４では１０ｍΩ）を有する高価な特殊抵抗が必要となる。
（２）上記電流検出用抵抗Ｒ１１、Ｒ１２より検出される電圧が小さいのでトランジスタ１石では検出不能であり、電流検出回路Ａ、Ｂに増幅器が必要となって複雑で高価となる。
（３）負荷（スピーカ）短絡の場合には、より小さい電流値で保護することが望ましいが、最大許容電流値以下では不可能である。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡単で低コストな回路構成でありながら負荷であるスピーカが短絡する等の過負荷状態になった場合に、迅速にパワー段のトランジスタをカットオフさせて保護するデジタルオーディオアンプの過負荷保護回路を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入力レベルの切換でパワー段のスイッチングトランジスタを強制的にオフさせるシャットダウン端子ＳＤを備えるデジタルオーディオアンプ回路５０に対して、前記デジタルオーディオアンプ回路５０のアナログ出力信号の出力端子ＯＵＴＰＵＴと負荷Ｒ４との間に挿入された出力電流検出抵抗Ｒ３と、前記出力電流検出抵抗Ｒ３と前記負荷Ｒ４との抵抗比とバランスする直列接続の２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２（Ｒ８、Ｒ７）とダイオードＤ２（Ｄ１）で構成されるインピーダンスブリッジ１０（１１）と、負荷インピーダンスＲ４が小さい方向に変化して抵抗比がアンバランスとなった場合にのみ前記インピーダンスブリッジ１０（１１）の中位点間に差信号Ｖ_Ｓ２（Ｖ_Ｓ１）が生じることによりオンさせるトランジスタＱ２（Ｑ１）と、を有し、検出信号Ｓを前記シャットダウン端子ＳＤに入力する過負荷検出回路８（９）を、前記アナログ出力信号の正負両極性についてそれぞれ備えて、負荷インピーダンスＲ４が正常値よりも小さい過負荷状態になった場合にのみ前記アナログ出力信号の正負両極性の何れかについて前記トランジスタＱ２（又はＱ１）のオンによる駆動電流ｉ１（又はｉ２）を電圧変換して得られた前記検出信号Ｓを前記シャットダウン端子ＳＤに供給して前記パワー段のスイッチングトランジスタをオフさせることを特徴とするデジタルオーディオアンプの過負荷保護回路３０を提供することにより、上記課題を達成する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に係るデジタルオーディオアンプの実施の形態について図面に基づいて説明する。
【０００７】
図１は本発明に係る過負荷保護回路を付したデジタルオーディオアンプの回路図例である。図２は前記過負荷保護回路の動作波形を示すグラフである。図３は本発明に係る過負荷保護回路を付したデジタルオーディオアンプの検出特性例を示すグラフである。
【０００８】
図１において、本発明に係るデジタルオーディオアンプの過負荷保護回路３０は、入力レベルの切換でパワー段のスイッチングトランジスタを強制的にオフさせるシャットダウン端子ＳＤを備えるデジタルオーディオアンプ回路５０に対して、アナログ出力信号の出力端子ＯＵＴＰＵＴと負荷Ｒ４（スピーカに相当）との間に挿入された出力電流検出抵抗Ｒ３と、前記出力電流検出抵抗Ｒ３と前記負荷Ｒ４との抵抗比とバランスする直列接続の２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２（Ｒ８、Ｒ７）とダイオードＤ２（Ｄ１）で構成されるインピーダンスブリッジ１０（１１）と、負荷インピーダンスＲ４が小さい方向に変化して抵抗比がアンバランスとなった場合にのみ前記インピーダンスブリッジ１０（１１）の中位点間に差信号Ｖ_Ｓ２（Ｖ_Ｓ１）が生じることによりオンさせるトランジスタＱ２（Ｑ１）と、を有する過負荷検出回路８（９）を、前記アナログ出力信号の正負両極性についてそれぞれ備えて、負荷インピーダンスＲ４が正常値よりも小さい過負荷状態になった場合（例えば負荷であるスピーカが短絡した場合）にのみ前記アナログ出力信号の正負両極性の何れかについて前記トランジスタＱ２（又はＱ１）のオンによって流れる電流を抵抗Ｒ５で電圧変換して得られた検出信号Ｓ（ロジックのハイレベル）が前記シャットダウン端子ＳＤに入力されて前記パワー段のスイッチングトランジスタをオフさせる構成である。
【０００９】
ここに、上記デジタルオーディオアンプ回路５０は、パワー段のスイッチングトランジスタ及びローパスフィルタを含めてＩＣ化されており、その出力端子ＯＵＴＰＵＴには増幅され高周波成分が除去されたアナログ出力信号（オーディオ信号）が出力される。そしてこのＩＣにはシャットダウン端子ＳＤが設けられていて、例えば外部よりロジックのハイレベルを入力すると、最優先でパワー段のトランジスタをオフさせて出力が停止するようになっている。なお、本明細書における上記シャットダウン端子ＳＤはこのような機能を有する端子（回路内部端子、外部端子を問わない。）一般を意味する。
【００１０】
次に、上記過負荷保護回路３０の動作を図１を基に詳述する。
【００１１】
先ず、アナログ出力信号の正極性時における過負荷検出回路８として、抵抗Ｒ１とＲ２及び前記出力電流検出抵抗Ｒ３と負荷Ｒ４は出力端子ＯＵＴＰＵＴとＧＮＤ間に出力されるアナログ出力信号に対してインピーダンスブリッジを構成している。
【００１２】
Ｒ１／Ｒ２＝Ｒ３／Ｒ４がブリッジのバランス条件であり、このときは出力信号ＯＵＴＰＵＴの出力電圧ＶＯＵＴのレベルに関係なく、トランジスタＱ２のベース−エミッタ間には差信号Ｖ_Ｓ２は現れないが、負荷Ｒ４の短絡等の過負荷状態となってアナログ出力信号の出力電圧ＶＯＵＴが所定許容範囲を超えて正に振れたとき、差信号Ｖ_Ｓ２（例えば０．５Ｖ以上）が現れてトランジスタＱ２がこれを検出してコレクタ電流が流れる。
【００１３】
一例として、抵抗Ｒ１＝Ｒ５＝２００Ω、抵抗Ｒ２＝８ｋΩ、出力電流検出抵抗Ｒ３＝０．２Ωとすると、負荷Ｒ４＝８Ω（スピーカ）がバランス条件となる。
【００１４】
更に、アナログ出力信号の負極性時における過負荷検出回路９として、抵抗Ｒ８とＲ７及びＲ３とＲ４は出力端子ＯＵＴＰＵＴとＧＮＤ間に出力されるアナログ出力信号に対してインピーダンスブリッジを構成している。
【００１５】
Ｒ８／Ｒ７＝Ｒ３／Ｒ４がこのブリッジのバランス条件であり、このときは出力信号ＯＵＴＰＵＴの出力電圧ＶＯＵＴのレベルに関係なく、トランジスタＱ１のベース−エミッタ間には差信号Ｖ_Ｓ１は現れないが、負荷Ｒ４短絡等の過負荷状態となってアナログ出力信号の出力電圧ＶＯＵＴが所定許容範囲を超えて負に振れたとき、差信号Ｖ_Ｓ１が現れてＱ１がこれを検出してコレクタ電流が流れる。
【００１６】
図２に過負荷検出回路８、９の動作波形及びアナログ出力信号の出力電圧ＶＯＵＴと出力電流ＩＯＵＴが示されている。なお、過負荷検出回路９側の出力電流検出抵抗Ｒ３とトランジスタＱ１のエミッタの間に抵抗Ｒ６が挿入されているが、この抵抗Ｒ６はトランジスタＱ１とＱ２の検出電圧・電流変換比率を同じにするためのもので、抵抗Ｒ３は０．２Ω程度と小さいので無視できるため、ほぼＲ６＝Ｒ１とすればよい。
【００１７】
ところで、ここまでは説明を簡単にするため、ダイオードＤ１、Ｄ２を短絡して考えているが、この場合にはブリッジのバランスは負荷Ｒ４がバランス条件より大きくても小さくても崩れて差信号Ｖ_Ｓ１、Ｖ_Ｓ２が現れるのであり、負荷インピーダンスＲ４が小さくなる場合にはダイオードＤ１、Ｄ２は不要であるが、逆に負荷インピーダンスＲ４が大きくなる場合にも差信号が現れてこれが検出されるという不具合が生じる（デジタルオーディオアンプ回路５０の出力をオフさせる必要は無い）。これを防ぐのがダイオードＤ１、Ｄ２である。
【００１８】
上記ダイオードＤ１はスピーカが外れた場合等、負荷が軽くて信号が正に振れたとき、不要な差信号Ｖ_Ｓ１が現れるのを防ぐものであり、上記ダイオードＤ２は負荷が軽くて信号が負に振れたとき、不要な差言号Ｖ_Ｓ２が現れるのを防ぐものである。
【００１９】
以上により、図３の検出特性のグラフが示すように、上述の一例の場合の負荷短絡の状態では、約４Ａの出力電流でアナログ出力信号が正負どちらに振れた場合でも負荷短絡が検出され（両極性検出）、±Ｖｃｃを４８Ｖとすると、Ｒ４＝８Ω負荷の場合には±約６Ａ、Ｒ４＝６Ω負荷ならば±８Ａ（これらは、電源電圧と負荷インピーダンスで決まる値）という出力電流が出力できることになる。ブリッジのバランス条件を変えれば、これらの検出特性を変えることができるのは言うまでもない。
【００２０】
次に、図１において、上記過負荷検出回路８のトランジスタＱｌ又は過負荷検出回路９のトランジスタＱ２の何れかが先にブリッジのアンバランスを検出すると、そのコレクタから出力電流が得られる。これを抵抗Ｒ５で電圧に変換してシャットダウン端子ＳＤに入力する。通常、シャットダウン端子ＳＤのロジック系は、−ＶｃｃをＧＮＤ基準として動作するため、本回路では、トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタ出力がレベルシフト機能も有していることになる。ダイオードＺＤは電圧がロジックハイレベルの５Ｖを超えないようにクランプするツェナーダイオードである。
【００２１】
以上によって、過負荷保護回路３０が作動してシャットダウン端子ＳＤがハイレベルになると、デジタルオーディオアンプ回路５０のパワー段のＦＥＴを最優先でカットオフさせてデジタルオーディオアンプ回路５０が過電流による破壊から保護される。換言すれば、本発明の過負荷保護回路３０はデジタルオーディオアンプ回路５０のパワートランジスタに対するダメージがより小さく且つ所定の負荷に対しては十分大きな出力電流を供給できる回路保護システムなのである。
【００２２】
付言すれば、デジタルオーディオアンプ回路５０に付した本発明の過負荷保護回路３０の利点として、第１に、検出される電圧が大きいので、トランジスタ１個（±各極性につき一個）で検出でき、レベルシフト機能まで持たせることができて、シンプルかつ安価であるという利点がある。第２に、出力電流検出抵抗Ｒ３を、出力端子と負荷との間に挿入することにより、スイッチング特性に悪影響を与えることがないので、抵抗値も従来のような１０ｍΩといった微小なものは不要で、０．１〜０．２２Ω程度の一般的なものを使用することができるため安価という利点がある。なお、スピーカの負荷インピーダンスＲ４が４Ω〜８Ωであるのに対し出力電流検出抵抗Ｒ３が０．２Ω程度なので、この出力電流検出抵抗Ｒ３の追加による出力インピーダンスの増加が避けられないが、抵抗Ｒ３と負荷Ｒ４との接続点（中位点Ｍ）から所定量の負帰還を別途かけることにより、無視できるレベルまで改善できる。第３に、負荷Ｒ４をインピーダンス・ブリッジの構成インピーダンスとして含めることにより、負荷インピーダンスが小さいほど、小さい電流値で保護回路が働くようにできるので，パワー段のトランジスタに与えるダメージが小さいというメリットを維持しつつ、所定の負荷Ｒ４に対しては十分な電流を供給できるという設定が可能になる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係るデジタルオーディオアンプの過負荷保護回路は、上記のように構成されているため、
（１）過負荷に対してアナログ出力信号が正負どちらに振れた場合でも迅速に検出され（両極性検出）、より確実な保護動作が実現できる。
（２）インピーダンスブリッジ型であり、使用素子が少なくシンプルな回路構成で低コストである。
（３）パワー段のトランジスタに対するダメージがより小さく、且つ所定の負荷に対しては十分大きな出力電流を供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る過負荷保護回路を付したデジタルオーディオアンプの回路図例である。
【図２】前記過負荷保護回路の動作波形を示すグラフである。
【図３】本発明に係る過負荷保護回路を付したデジタルオーディオアンプの検出特性例を示すグラフである。
【図４】従来の過負荷保護回路を付したデジタルオーディオアンプの回路図である。
【符号の説明】
８、９　　　過負荷検出回路
１０、１１　　インピーダンスブリッジ
５０　　　デジタルオーディオアンプ回路
６０　　　デジタルオーディオアンプ
３０　　　過負荷保護回路
０　　　過負荷保護回路（最大許容電流値設定型）
Ａ、Ｃ　　　電流検出回路
Ｂ　　　ドライバ回路
Ｄ１、Ｄ２　　ダイオード
Ｖｒｅｆ　　　基準電圧
Ｍ　　　中位点
ＯＵＴＰＵＴ　　　出力端子
Ｑ１、Ｑ２　　トランジスタ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ８、Ｒ７　　インピーダンスブリッジを構成する抵抗
Ｒ３　　　出力電流検出抵抗
Ｒ４　　　負荷（負荷インピーダンス）
Ｒ１１、Ｒ１２　　電流検出用抵抗
Ｓ　　　検出信号
ＳＤ　　　シャットダウン端子
ＶＯＵＴ　　出力電圧
ＩＯＵＴ　　出力電流
Ｖ_Ｓ１、Ｖ_Ｓ２　　差信号
ＸＸ１、ＸＸ２　　パワー段のトランジスタ
ＺＤ　　　ツェナーダイオード

Claims

入力レベルの切換でパワー段のスイッチングトランジスタを強制的にオフさせるシャットダウン端子を備えるデジタルオーディオアンプ回路に対して、前記デジタルオーディオアンプ回路のアナログ出力信号の出力端子と負荷との間に挿入された出力電流検出抵抗と、前記出力電流検出抵抗と前記負荷との抵抗比とバランスする直列接続の２つの抵抗とダイオードで構成されるインピーダンスブリッジと、負荷インピーダンスが小さい方向に変化して抵抗比がアンバランスとなった場合にのみ前記インピーダンスブリッジの中位点間に差信号が生じることによりオンするトランジスタと、を有し、検出信号を前記シャットダウン端子に入力する過負荷検出回路を、前記アナログ出力信号の正負両極性についてそれぞれ備えて、負荷インピーダンスが正常値よりも小さい過負荷状態になった場合にのみ前記アナログ出力信号の正負両極性の何れかについて前記トランジスタのオンによる駆動電流を電圧変換して得られた前記検出信号を前記シャットダウン端子に供給して前記パワー段のスイッチングトランジスタをオフさせることを特徴とするデジタルオーディオアンプの過負荷保護回路。