JP2005203968A

JP2005203968A - デジタルアンプの保護装置

Info

Publication number: JP2005203968A
Application number: JP2004007024A
Authority: JP
Inventors: Takashi Arai; 孝新井
Original assignee: Denon Ltd
Current assignee: Denon Ltd
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】
電流を高精度に検出し構成部品を過電流から保護することのできるデジタルアンプの保護装置を提供する。
【解決手段】
オーディオ入力信号をパルス信号に変換し、変換したパルス信号をスイッチング増幅してスピーカに供給するパルス増幅器７、並びにリアクトル及びコンデンサを備え前記パルス増幅器の出力を平滑するローパスフィルタ８を備えたデジタルアンプと、前記ローパスフィルタを構成するリアクトルＬの印加電圧を検出する電圧検出器、前記リアクトルのインピーダンスの周波数特性の非直線性に基づく前記電圧検出器出力の非直線性を補償する補償装置１２、及び該補償装置１２出力をもとにデジタルアンプを過電流から保護する保護装置１４を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルアンプの保護装置にかかり、特に出力短絡時等における過電流から構成部品を保護することのできるデジタルアンプの保護装置に関する。

図７は、従来のデジタルアンプの過電流保護回路を示す図である（例えば、特許文献１参照）。図７において、駆動回路６はＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号等に変換されたオーディオ入力信号を増幅し、パルス増幅器７を駆動する。パルス増幅器７により電力増幅されたオーディオ信号はリアクトルＬ１及びコンデンサＣ１からなるローパスフィルタを介してスピーカ等の負荷１０を駆動する。リアクトルＬ１と電磁結合する電流検出コイル（リアクトル）Ｌ２はリアクトルＬ１に流れる電流を検出し、検出値を整流回路Ｒｅｃ、減衰器を構成する抵抗Ｒ１，Ｒ２、及びコンデンサＣ２を介してＲ／Ｓラッチ回路Ｌａｔに供給する。ラッチ回路Ｌａｔは過電流を検出したときラッチ信号Ｑを出力し、例えば、電源Ｖｃｃをオフにして回路部品を過電流から保護する。

図８は、従来のスピーカ等の負荷を駆動する負荷駆動回路の保護装置を示す図である（例えば、特許文献２参照）。図に示すように、電源ＥをＰＷＭ回路８８によりスイッチング制御される一次側スイッチングトランジスタ８１，８２に供給する。スイッチングトランス８３の二次側に得られた昇圧出力は整流平滑回路８４により整流平滑し、出力トランジスタ８５，８６に電源として供給する。オーディオ信号等の入力信号９０は前段増幅器８９を介して前記出力トランジスタ８５，８６を駆動し、増幅された出力はスピーカ８７を駆動する。ラインＡはトランス８３の１次側のＰＷＭ回路８８にフイードバック電圧を伝達するラインであり、ラインＢは１次側回路と２次側回路の接地電位を同一にするために１次側の接地点と２次側の零電位点を結ぶラインである。

通常の負荷時には、ラインＢには微少電流（数ｍＡ程度）が流れ、天絡あるいは地絡が発生した場合には短絡電流が流れる。したがって、ラインＢに挿入された電流検出回路９１により数ｍＡ以上の短絡電流が流れたことを検出し、ＰＷＭ回路８８の発振を停止させることにより、回路部品を短絡電流から保護することができる。

また、スピーカ等を接続する出力信号経路、あるいは電源供給経路に抵抗器を挿入し、該抵抗器に流れる電流を抵抗器の両端に発生する電圧として検出し、この検出電圧が一定レベルを超えたとき、例えば電源を遮断する保護回路が知られている。
特開平５−１６０６４９号公報特開平１０−１９０３６５号公報

前記特許文献１に示す保護回路では、コアを有するリアクトルＬ１に電流検出捲線としてコイルＬ２を巻回する手法であり、コアによる歪の発生を避けるためリアクトルＬ１として空芯コイルを使用する場合はこの手法を適用することは困難である。また、グランド（シャーシ）に対して直流電位を持つフルブリッジ構成のＤ級アンプの出力端子とシャーシ間の短絡のように、コイルを流れる電流が直流の場合には、検出は不可能となる。さらにリアクトルの設計に際してはローパスフィルタを構成するリアクタとしての性能が優先されるため、検出電流の周波数特性の平坦化を図ることが難しく、信号内容によっては電流検出レベルが変動しやすくなり、安定した保護動作が得難くなる。

また、前記特許文献２に示す保護回路は、ＰＷＭ制御されるＤＣ／ＤＣコンバータに適応した保護回路であり、スイッチング電源及びパルストランスを使用しない機器に対しては適用できない。また、この回路では、１次−２次間のグランド接続点に異常時電流が集中して流れるように構成している。このため、歪あるいはノイズ等のオーディオ性能に直接関係する不要幅射を抑制するための最善の部品配置、配線パターンと相反する場合もあり、回路を構成するプリント配線板のパターン設計が難しくなる。

また、スピーカ等を接続する出力信号経路、あるいは電源供給経路に抵抗器を挿入し、該抵抗器に流れる電流を抵抗器の両端に発生する電圧として検出し、この検出電圧が一定レベルを超えたとき電源回路を遮断する等の保護回路は、挿入する抵抗器により損失が発生する。また、信号経路に抵抗器を挿入する場合には、アンプの出力インピーダンスがその分大きくなりスピーカの制動力に影響をおよぼし、主として低音のダンピングが悪くなる。また、電源供給経路に抵抗器を挿入する場合には、Ｄ級アンプ、デジタルアンプ特有の電源電圧の変動が歪率に直結する性質から、出力電流の変化による抵抗器両端の電圧降下が電源電圧の変化となり歪率が悪化する。

また、検出回路に流れる電流値をリアクトルを介して電圧に変換した値と、予め設定した値とを比較器で比較して保護回路動作させる方式では、その電流検出精度は周波数に影響されることになる。

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、電流を高精度に検出し構成部品を過電流から保護することのできるデジタルアンプの保護装置を提供する。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

オーディオ入力信号をパルス信号に変換し、変換したパルス信号をスイッチング増幅してスピーカに供給するパルス増幅器、並びにリアクトル及びコンデンサを備え前記パルス増幅器の出力を平滑するローパスフィルタを備えたデジタルアンプと、前記ローパスフィルタを構成するリアクトルの印加電圧を検出する電圧検出器、前記リアクトルのインピーダンスの周波数特性の非直線性に基づく前記電圧検出器出力の非直線性を補償する補償装置、及び該補償装置出力をもとにデジタルアンプを過電流から保護する保護装置を備えた。

本発明は、以上の構成を備えるため、電流を高精度に検出することができ、構成部品を過電流から保護することのできるデジタルアンプの保護装置を提供することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかるデジタルアンプの保護装置を説明する図である。デジタルオーディオ信号としてのＰＣＭ（Pulse Code Modulation）入力信号はＤＩＲ(Digital Interface Receiver）１において、データとクロックに分離した後、デジタルフィルタ３を介してＤＳＰ(Digital Signal Processor)等からなる信号処理回路４に入力する。信号処理回路４は入力されたＰＣＭ信号をＰＷＭ信号（パルス信号）に変換する。なお、入力信号がアナログ信号の場合はＡ／Ｄ（Analog／Digital）コンバータ２を介してデジタル信号に変換した後ＤＩＲ１に入力する。

ＣＤ(Compact Disc)等で用いられている１６ｂｉｔの信号をそのまま変換する場合には、サンプリング周波数ｆｓ＝４４．１ｋＨｚの２^１６倍、すなわち２．８９ＧＨｚのクロックが必要になる。この場合、デジタルフィルタ３によりオーバーサンプリングを行うとクロックはさらにその４ないし１６倍の高い周波数となる。また、ＤＶＤ(Digital Versatile Disc）オーディオ規格のｆｓ＝１９２ｋＨｚ／２４ｂｉｔ等のハイサンプリング／ハイビット信号を扱う場合には現存の素子では実現できなくなる。このため、信号処理回路４は、データの圧縮を行い、現実的なクロックで処理が可能なように変換している。また圧縮に伴う歪の発生を抑えるための補正を行う。

ＰＷＭ信号に変換された信号は、マイコン１４からの指令によりオンオフするゲート回路５を通過した後、パルス増幅器７を構成するＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor）−ＦＥＴ(Field Effect Transistor)を駆動する駆動回路６に入力する。一般に、Ｐチャンネルの高速大電流スイッチングＭＯＳ−ＦＥＴは作成するのが困難であり、このため図に示すようにＮチャンネルのＭＯＳ−ＦＥＴのみでプッシュプル回路（パルス増幅器７）を構成することことから、駆動回路６は直流分をシフトする直流シフト回路及び入力容量の大きいゲートを有効に駆動できるバッファ回路を備えるのが普通である。

パルス増幅器７により増幅したＰＷＭ信号は、リアクトルＬ１とコンデンサＣ１からなるローパスフィルタ８、及び出力リレー９を介してスピーカ１０を駆動する。なお、図に示すハーフブリッジ構成のパルス増幅器７は、正負の２電源（＋Ｖｃｃ、−Ｖｃｃ）とするか、直流遮断用のコンデンサを挿入して、スピーカ１０の端子間に直流電圧が現れないようにすることが必要である。

図１に示す回路において、出力端子間が短絡した場合、あるいは負荷としてのスピーカに過大な電流が流れた場合、リアクトルＬ１の両端にはそのインピーダンスにしたがった電圧（電流検出信号）が発生する。発生した電圧は広い周波数範囲に渡って直線的の優れたアンプ、例えばインスツルメンテーションアンプ１１により検出し増幅する。図３は、前記インスツルメンテーションアンプ１１の内部構成を示す図である。

ところで、前記リアクトルのインピーダンスＺは（Ｚ＝２πｆＬ１）で表すことができるが、様々な要因により、図５に示すようにインピーダンスＺと周波数ｆの関係は直線にはならないのが現実である。図５において、低い周波数における直線性のずれは、リアクトルＬ１が直流抵抗成分を持つためである。また、高い周波数での直線性のずれはリアクトルＬ１が容量成分を持つためである。

図１におけるフィルタ回路１２は、前記インピーダンスＺの直線性のずれを補償する補償装置として機能する。図４はフィルタ回路１２の内部構成を示す図、図６はフィルタ回路１２の周波数特性を示す図である。

図１に示すように、リアクトルＬ１の両端にそのインピーダンスＺにしたがって発生した電圧、すなわち、インピーダンスＺの周波数特性にしたがって発生した電圧は、インスツルメンテーションアンプ１１により増幅した後、フィルタ回路１２に入力する。フィルタ回路１２は図６に示す周波数特性、すなわち、前記インピーダンスＺの周波数特性を補償する特性を備える。このため、フィルタ回路１２の出力側には平坦な周波数特性を得ることができる。

フィルタ回路１２の出力側に得られる平坦な出力特性の電流検出信号は検波回路を介してマイコン１４に入力する。マイコン１４は入力した電流検出信号と予め設定した基準値（動作レベル）とを比較し、電流検出信号が基準値を超えたとき保護回路を動作させる。保護回路の動作としては、例えば、出力リレー９の遮断、ゲート回路５によるＰＷＭ信号の遮断、電源回路１５の出力（＋Ｖｃｃ、−Ｖｃｃ）遮断等を挙げることができる。

図２は、図１に示すデジタルアンプの保護装置の変形例を示す図である。この例では、出力段を構成するパルス増幅器をフルブリッジ構成としている。図に示すようにフルブリッジ回路を構成するために追加した辺（右辺側）は図１に示すハーフブリッジの辺（左辺側）と対称的に構成してある。

図において、６’，７’，８’，９’はそれぞれフルブリッジ回路の右辺を構成する駆動回路、パルス増幅器、ローパスフィルタ、出力リレーである。また、ローパスフィルタ８’はリアクトルＬ１’及びコンデンサＣ１’を備える。１６’はＮＯＴ回路であり、左辺側を駆動する駆動回路６の入力信号を反転して右辺側の駆動回路６’に供給する。１１’，１２’，１３’はそれぞれフルブリッジ回路の右辺側のローパスフィルタ８’を構成するリアクトルに発生した電圧を増幅するインスツルメンテーションアンプ、フィルタ回路、及び検波回路である。

図２に示す装置において、出力端Ｏ１，Ｏ２は逆位相で駆動されているため、出力端Ｏ１，Ｏ２間に短絡が発生すると、リアクトルＬ１，Ｌ２には短絡電流が流れて、その両端にはそれぞれ電流検出信号が発生する。また、出力端Ｏ１，Ｏ２には、入力信号が無信号であっても電源電圧の１／２の電圧が発生している。このため、一方の出力端とシャーシ（グランド）が短絡した場合は、直流の短絡電流が流れることになる。この直流の短絡電流はリアクトルＬ１あるいはＬ１’の両端にその直流抵抗に応じた値の電流検出信号を発生する。

なお、以上の説明では、ＰＷＭ信号を増幅するデジタルアンプについて説明したが、本発明のデジタルアンプはＰＤＭ(Pulse Density Modulation)信号、あるいはＤＳＤ(Direct Stream Digital)信号等の密度変調されたパルス信号を増幅するアンプとすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、リアクトルの両端に印加される電圧を検出することにより、交流及び直流の過電流（短絡電流）を検出することができる。また、過電流の検出に用いるリアクトル等の設計上の制約が少なく、かつ動作レベルの設定を正確に行うことのできるデジタルアンプの保護装置を提供することができる。

本発明の実施形態にかかるデジタルアンプの保護装置を説明する図である。デジタルアンプの保護装置の変形例を示す図である。インスツルメンテーション１１の内部構成を示す図である。フィルタ回路１２の内部構成を示す図である。インピーダンスＺと周波数ｆの関係を説明する図である。フィルタ回路１２の周波数特性を示す図である。従来のデジタルアンプの過電流保護回路を示す図である従来のスピーカ等の負荷を駆動する負荷駆動回路の保護装置を示す図である。

符号の説明

１ＤＩＲ(Digital interface receiver）
２Ａ／Ｄコンバータ
３デジタルフィルタ
４信号処理回路
５ゲート回路
６，６’ 駆動回路
７，７’ パルス増幅器
８，８’ ローパスフィルタ
９，９’ 出力リレー
１０スピーカ
１１，１１’ インスツルメンテーションアンプ
１２，１２’ フィルタ回路
１３，１３’ 検波回路
１４マイコン
１５電源回路
１６ＮＯＴ回路

Claims

オーディオ入力信号をパルス信号に変換し、変換したパルス信号をスイッチング増幅してスピーカに供給するパルス増幅器、並びにリアクトル及びコンデンサを備え前記パルス増幅器の出力を平滑するローパスフィルタを備えたデジタルアンプと、
前記ローパスフィルタを構成するリアクトルの印加電圧を検出する電圧検出器、前記リアクトルのインピーダンスの周波数特性の非直線性に基づく前記電圧検出器出力の非直線性を補償する補償装置、及び該補償装置出力をもとにデジタルアンプを過電流から保護する保護装置を備えたことを特徴とするデジタルアンプの保護装置。
請求項１記載のデジタルアンプの保護装置において、
前記デジタルアンプは、第１及び第２の電源端子間に第１及び第２のスイッチング素子並びに第３及び第４のスイッチング素子をそれぞれ直列接続したブリッジ回路と、第１及び第２のスイッチング素子の接続点と第３及び第４のスイッチング素子の接続点間に第１のローパスフィルタ及び第２のローパスフィルタを介して接続した負荷としてのスピーカを備え、
前記保護装置は、前記電圧検出器及び補償装置をそれぞれ第１のローパスフィルタ及び第２のローパスフィルタ毎に備え、各補償装置出力をもとにデジタルアンプを過電流から保護することを特徴とするデジタルアンプの保護装置。