JP2005513849A - 同期されたスイッチングレグをもつアイソレーションコンバータ - Google Patents

Abstract

スイッチモード電源とＤ級増幅器（スイッチモード増幅器）を一体化する方法を提供する増幅装置が開示される。これにより、基本的に１つの磁気コンポーネント１、１つの主要なエネルギー蓄積素子４及びスイッチ２０，３０を使用することになり、これらは、電源機能と増幅機能の両者が達成されるやり方で制御される。このようにして、安価、小型、及び高効率のカレントコンフィグレーションが達成される。この増幅装置は、オーディオ製品において有効である。

Description

本発明は、スイッチモード電源部分とスイッチモード増幅器部分を有する増幅装置に関する。

これまでの殆どの増幅器の構成は、ＡＢ級増幅器から構成されており、このＡＢ級増幅器は、電源のアイソレーションを提供するリニア（銅−鉄ベースの）電源により供給され。

しかし、この構成の問題点は、重量の重さ、サイズの大きさ及び効率の低さである。小型化の要件だけでなく、効率及びスタンバイ電力に関するこれまでになく制限される要件により、この種のセットアップは、よりボトルネックになってきている。このセットアップの効率を改善するために、様々な試みが行われてきている。主要な試みは、スイッチモードの電源で置き換えることで、又はＡＢ級増幅器をいわゆるＤ級（スイッチモード）増幅器で置き換えることで、リニア電源の効率を向上しようとしている。

かかるソリューションは、たとえば、DE3447566号及びEP0561501号に開示されている。しかし、Ｄ級増幅器と同様にスイッチモード電源は、スイッチ、磁気コンポーネント、エネルギー蓄積素子、制御ユニット等のような幾つかの高価なコンポーネントを共に必要としている。したがって、これらの種類のソリューションは、たとえば、コストの理由のため、家電製品の市場において成功していない。

Ｄ級増幅器のトポロジーは、パルス幅変調スキームを利用している。Ｄ級動作は、スイッチングであり、このため、Ｄ級増幅器は、スイッチング電力増幅器とも呼ばれる。このタイプの増幅器では、出力は迅速にオン及びオフに切り替わり、好ましくは、それぞれのサンプリング周期の少なくとも２倍でオン及びオフに切り替わる。このようにして、放散される電力を本質的に除くことができる。

スイッチモードコンバータという用語は、ＤＣ又はＡＣ入力を受け、同じ極性又は逆の極性及び低電圧又は高電圧からなる１又は複数のＤＣ又はＡＣ出力を供給する回路を説明するために、当該技術分野で慣例的に使用されている。

したがって、コストが安価であるか、又は効率が高く、これにより、従来技術での問題点を緩和することができるＤ級増幅器及びＳＭＰＳを有する装置が必要とされている。
本発明の目的は、より効率が高く、及び／又はよりコストが安価であるスイッチモード電源部とスイッチモード増幅器部とを有する増幅装置を提供することにある。

上記目的は、特許請求の範囲で定義されるように、本発明に係る増幅装置により達成される。
本発明は、スイッチモード電源部とスイッチモード増幅器部とを有する増幅装置に関し、本増幅装置は、以下を有することを特徴としている。磁気コンポーネントは、該増幅装置の一次側と二次側とを形成している。該一次側は、該増幅装置の電圧入力に接続されており、該二次側は、該増幅装置の電圧出力に接続されている。該磁気コンポーネントは、スイッチモード電源部とスイッチモード増幅器部の両者について作用する。該磁気コンポーネントのそれぞれ一次側及び二次側にある少なくとも１つの制御ユニットは、電流及び／又は電圧を制御する。

この増幅装置は、スイッチモード電源の要素とＤ級増幅器の要素との組み合わせを提供するものであって、少なくとも幾つかの重要かつ高価な部品は、この異なる要素により共有される。このようにして、構成部品が本質的に全く個別化されている従来のソリューションにおけるよりも、高効率及び安価な装置が提供される。本発明によれば、磁気コンポーネントは、好ましくは変圧器であり、該要素により共有される。そのため、本質的に１つのみの主要な磁気コンポーネントが必要とされる。このようにして、安価、小型、高効率、及び現在の構成について商業的に実行可能な置き換えを達成することができる。

好ましくは、スイッチモード電源部及びスイッチモード増幅器部は、一体化されたユニットを形成し、より小型の装置が提供される。
一次側には少なくとも１つのエネルギー蓄積素子が配置されることが好ましく、このエネルギー蓄積素子は、スイッチモード電源部とスイッチモード増幅器部の両者について作用する。結果として、別の重要な構成要素は、該増幅装置の機能的な要素により共有され、本増幅装置をより高効率及びより安価にすることができる。

好ましくは、かかる機能が達成されるように制御ユニットを制御することで、電源の機能及び増幅器の機能を提供することができる。結果として、比較的簡易かつ安価な設計が可能となる。
上記した設計は、最も効率的に、電流について双方向的であり、電圧について１方向的であるスイッチを有する一次側にある制御ユニット、及び／又は電流について１方向的であり、電圧について双方向的であるスイッチを有する二次側にある制御ユニットを使用することで達成することができる。

さらに、変圧器がセンタータップされること、すなわち、中央に配置される接地接続が変圧器に設けられていることが好ましい。これは、一次側と二次側との間にガルバニックアイソレーションを設けることで達成される。これは、電源からエンドユーザを分離するために、家電製品において本質的に重要なことである。
本発明の別の態様によれば、本発明は、先に説明されたような増幅装置を有するオーディオプロダクトに関する。

本発明の適用の範囲は、以下に与えられる詳細な説明から明らかとなるであろう。しかし、本発明の好適な実施の形態を示す詳細な説明及び特定の例は、様々な変形及び変更は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしにこの詳細な説明から当業者にとって明らかとなるため、例示のみを介して与えられる。
例示のために、本発明は、添付図面に例示される実施の形態を参照して、以下により詳細に説明される。

本発明は、増幅装置に関するものであり、この増幅装置では、スイッチモードの電源とＤ級増幅器が互いに結合される。図１には、本発明に係る増幅器の実施の形態のレイアウトが例示されている。

本増幅装置は、該装置の一次側Ｓ１と二次側Ｓ２とを形成する磁気コンポーネント１を有しており、該一次側は、本装置の電圧入力に結合されており、該二次側は、本装置の電圧出力に接続されている。この磁気コンポーネントは、本装置のスイッチモード電源の要素とスイッチモードの増幅器の要素の両者について動作する。好適な実施の形態では、磁気コンポーネントは、変圧器であり、この変圧器は、一次側巻線１１と二次側巻線１２を有しており、互いに誘導結合され、これにより、本装置の一次側Ｓ１及び二次側Ｓ２を形成している。

さらに、本増幅装置は、電流及び／又は電圧を制御するため、変圧器の一次側及び二次側のそれぞれの制御ユニット２，３、及び好ましくは、一次側の、キャパシタのような少なくとも１つのエネルギー蓄積素子４を有している。かかるエネルギー蓄積素子は、好ましくは、スイッチモード電源の機能とスイッチモードの増幅器の機能の両者について作用することが好ましく、一次側の制御ユニット２の要素を形成する。このエネルギー蓄積素子は、たとえば直流電圧バッファである。一次側の制御ユニット２は、２つのスイッチングレグ（switching leg）を有していることが好ましく、フルブリッジインバータを形成することが最も好ましい。このフルブリッジインバータは、一定のスイッチング周波数及び５０％のデューティサイクルで動作する。フルブリッジインバータは、図１に例示されるように、それぞれのレグに２つのスイッチをもつ４つの個別のスイッチ２０を有している。一次側のスイッチは、電流について双方向的であって、電圧について１方向的であることが好ましい。これは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、好ましくはＭＯＳＦＥＴにより、たとえば、ＭＯＳＦＥＴ２１とダイオード２２との並列構成で実現される。

図示される実施の形態では、変圧器の一次巻線１１は、一次側の制御ユニット２の釣り合った中央、すなわち、スイッチングレグの間に配置される。二次側に関して、変圧器は、２つの巻線１２を有していることが好ましく、この２つの巻線の間の接続部は接地されている。このようにして、センタータップされた変圧器が達成され、入力バッファと負荷側の間にガルバニックアイソレーションを提供する。

二次側の制御ユニット３は、スイッチ３０を有していることが好ましく、このスイッチは、電流について１方向的であり、電圧について双方向的である。これらのスイッチは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のような半導体により実現されることが好ましく、ＭＯＳＦＥＴであることが好ましい。図１には、可能なスイッチの実現が示されており、ここでは、ＭＯＳＦＥＴ３１は、ダイオード３２と直列に接続されている。この目的のため、逆方向阻止電圧の機能をもつ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を使用することもできる。

二次側のスイッチは、同一であることが好ましく、ブリッジ接続で配置されることが好ましい。このブリッジ接続は、２つの並列ブランチを有し、それぞれのブランチは、２つのスイッチと、それぞれのブランチのスイッチ間に配置される相互接続３３とを有している。したがって、本実施の形態では、２つのスイッチは、ダイオードとＭＯＳＦＥＴの組み合わせＱ１ｐ，Ｄ１ｐ及びＱ２ｐ，Ｄ２ｐのそれぞれを有するｐブランチに配置される。同様にして、ｎブランチは、ダイオードとＭＯＳＦＥＴの組み合わせＱ１ｎ，Ｄ１ｎ及びＱ２ｎ，Ｄ２ｎのそれぞれを有している。相互接続は、増幅装置の負荷の出力を提供する。さらに、インダクタンス３４は、相互接続３３の負荷出力の中央３５のそれぞれの側に配置されている。かかるインダクタンスは、低域通過フィルタとしての機能を果たしている。

先に説明される実施の形態では、負荷電流は、フィルタ３４を流れる電流間の差であり、相互接続３３の負荷出力の位置３５の電位Ｖ_oに比例する。相互接続のそれぞれの側の電位は、Ｖ_pとＶ_nである。この電位は、一般に以下のように書くことができる。

図２には、スイッチのタイミングが示されている。明確さのために、この図では、コンポーネントが理想的であることが仮定されている。

このタイミングチャートは、二次側のスイッチングレグであるレグ１及び２のタイミングを例示している。ｖ_xの正の遷移の後（負電位から正電位）、トランジスタＱ１ｎ及びＱ２ｐは、オンに切り替わる。さらに、ｖ_xの正の立ち上がりは、Ｑ１ｐ及びＱ２ｎがオフに切り替わる導通の遅延のための（図では＊で示される）基準となる瞬間として考慮されることが好ましい。逆に、ｖ_xの負の立ち下がりは、Ｑ１ｐ及びＱ２ｎがオンに切り替わる時間を記録することが好ましく、Ｑ１ｎ及びＱ２ｐの導通の遅延のための基準時間の瞬間を与えている。スイッチと直列にあるダイオードが最初に逆極性となるため、ｖ_xの直後にトランジスタをオンに切り替える必要がないことを認識されたい。

信号を更に密に見てみると、以下の式が成立する。

ここで、ｄｐ及びｄｎは、Ｑ１ｐ及びＱ２ｐ、並びにＱ２ｎ及びＱ１ｎのそれぞれのデューティサイクルを表している。

完全に再生された基準信号、すなわちＶ_refを得るために、ｖ_p、及び従ってｖ_nのパルス積分された平均は、それぞれの周期内（又は数周期内で）でＶ_refに等しくされる。たとえば、電源レベルの降下Ｖ１は、パルス、すなわちｄｐ及びｄｎの幅を周期の間隔内で広げること等で補償することができる。

先に説明されたような増幅装置は、スイッチモードの電源要素とスイッチモードの増幅器の要素の両者を有する一体化されたユニットとなるように容易に実現することができ、一次側の制御ユニットと二次側の制御ユニットは、電源の機能と増幅器の機能の両者を達成するために制御される。

本発明に係る増幅装置は、特に先に説明されたように、多くの有益な特性を提供する。
・一次側のそれぞれのスイッチングレグにおける、あるターンオフと後のターンオフとの間の遅延を消去することは、二次側の出力電圧に影響を及ぼさない。また、一次側で生じるスイッチとダイオードとの回復の遷移により、出力で乱れが発生しない。
・二次側のスイッチのために消去遅延を挿入する必要がない。結果として、増幅器における歪の最も深刻な源の１つ、いわゆるデッドゾーンがコンバータから除かれる。
・負荷の端子で、機能的な周波数の乗算（functional frequency multiplication）を得ることができる。図２の状況では、出力のリップル周波数が倍になる。さらに、有効な数のステップ電圧レベルが１レベルだけ増加され、フィルタリングを容易にする。この利点は、先に説明されたように、２つの二次側のスイッチングレグを使用する装置において特に存在する。
・全ての容量性のエネルギー蓄積バッファが高電圧側に位置される。
・変圧器を小型にすることができ、他の磁気蓄積コンポーネントを必要としない。勿論、低域通過フィルタリングを提供する小型の二次側のインダクタを除く。

要約すると、スイッチモードの電源とＤ級増幅器（スイッチモード増幅器）とを一体化するやり方を提供する増幅装置が開示される。これにより、基本的に１つの磁気コンポーネント、１つの主要なエネルギー蓄積素子、及び電源機能と増幅機能の両者が達成されるやり方で制御されるスイッチの使用が可能となる。このようにして、安価、小型及び高効率のカレントコンフィグレーション（current configuration）が達成される。この増幅装置は、オーディオプロダクトにおいて特に有効である。

本発明は、好適な実施の形態により説明されてきた。しかし、当業者により理解されるように、多くの変形及び変更が実施可能である。たとえば、制御ユニットは、制御ユニットは、先に説明されたスイッチ以外のタイプのスイッチを有することができる。さらに、磁気コンポーネントは、本装置の２つの要素により共有されるが、１以上の追加の構成要素を共有することもできる。さらに、他の回路のソリューションを使用することができ、特に、本質的に同じ機能を提供する他の構成要素を使用して、開示された実施の形態を参照して説明された構成要素を置き換えることもできる。

本発明のかかる代替及び変更、並びに他の関連する代替及び変更は、特許請求の範囲に定義されるように、本発明の範囲にあるものと考慮される。

本発明の実施の形態に係る増幅装置を例示する回路図である。 図１に例示される増幅装置のためのタイミングチャートである。

Claims (10)

1. スイッチモードの電源部とスイッチモードの増幅器部とを有する増幅装置であって、
   該増幅装置の電圧入力に接続される一次側と該増幅装置の電圧出力に接続される二次側とを形成し、該スイッチモード電源部と該スイッチモード増幅器部の両者について作用する磁気コンポーネントと、
   電流及び／又は電圧を制御するために、該磁気コンポーネントのそれぞれの側にある少なくとも１つの制御ユニットと、
   を有することを特徴とする増幅装置。
2. 該スイッチモード電源部と該スイッチモード増幅部は、一体化されたユニットを形成する、
   請求項１記載の増幅装置。
3. 該磁気コンポーネントは、該一次側にある一次巻線と該二次側にある二次巻線とを有する変圧器であり、該一次巻線と該二次巻線は、互いに誘導結合される、
   請求項１又は２記載の増幅装置。
4. 該一次側の少なくとも１つのエネルギー蓄積素子をさらに備え、該エネルギー蓄積素子は、該スイッチモード電源部と該スイッチモード増幅器部との両者について作用する、
   請求項１乃至３のずれか記載の増幅装置。
5. 該制御ユニットは、電源機能と増幅機能の両者を達成するために制御可能である、
   請求項１乃至４のいずれか記載の増幅装置。
6. 該一次側にある該少なくとも１つの制御ユニットは、電流について双方向的であって、電圧については１方向的であるスイッチを有する、
   請求項１乃至５のいずれか記載の増幅装置。
7. 該一次側にある該制御ユニットは、フルブリッジインバータを形成し、該フルブリッジインバータは、好ましくは一定の切替え周波数で動作する、
   請求項１乃至６のいずれか記載の増幅装置。
8. 該二次側にある該少なくとも１つの制御ユニットは、電流について１方向的であって、電圧について双方向的であるスイッチを有する、
   請求項１乃至７のいずれか記載の増幅装置。
9. 該変圧器は、センタータップされており、すなわち、該変圧器には、中央に配置される接地接続が設けられる、
   請求項１乃至８のいずれか記載の増幅装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか記載の増幅装置を有するオーディオプロダクト。
    

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