JP2009077356A - 電力増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 瞬間的に大きな過負荷負荷電流が流れても、過負荷負荷電流が持続して流れても、電力増幅器を保護する。
【解決手段】 電力増幅器８の負荷電流のレベルを検出して、そのレベルを表す負荷電流検出信号を、カレントトランス２６及び全波整流回路２８によって出力する。負荷電流検出信号をハイパスフィルタ３０が微分して、微分信号を生成す。負荷電流検出信号をローパスフィルタ３２が積分して、積分信号を生成する。微分信号と前記積分信号とを論理和回路３８によって合成し、リレー・リミッタ制御回路４０に入力する。制御回路４０は、合成信号と閾値とを比較して、リミッタ４及びリレー接点２０を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力増幅器に関し、特に、その保護回路に関する。

従来、電力増幅器、例えばＤ級電力増幅器における保護回路としては、例えば特許文献１に開示されているものがある。特許文献１の技術によれば、オーディオ信号をパルス信号に変換回路で変換し、この変換したパルス信号をパルス増幅器によってスイッチング増幅して、ローパスフィルタを介してスピーカに供給する。このローパスフィルタに含まれるリアクトルの印加電圧を電圧検出器によって検出し、インストルメントアンプによって増幅し、フィルタ回路を介して検波回路に供給する。検波回路の検出信号はマイコンに供給され、基準値と比較され、検出信号が基準値を超えると、スピーカの入力側に設けたリレー回路の遮断または変換回路を停止して、過電流から保護する。なお、フィルタ回路は、特許文献１の図６に示されている周波数特性からローパスフィルタである。

特開２００５−２０３９６８号公報

特許文献１の技術によれば、リアクトルの印加電圧をローパスフィルタを介して検波回路に供給している。ローパスフィルタを用いているので、継続的な過負荷状態は検出することができる。しかし、ローパスフィルタは応答性が低いので、瞬間的にかなり大きな過負荷状態が発生しても、これを検出することができない。

本発明は、瞬間的に過大な過負荷電流が流れても、持続的に過負荷電流が流れても、保護することができる電力増幅器を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様の電力増幅器は、電力増幅手段を有している。この電力増幅手段の負荷電流のレベルを負荷電流検出手段が検出して、負荷電流のレベルを表す負荷電流検出信号を出力する。負荷電流検出手段としては、例えば電力増幅器の出力側に設けた変流器と、この変流器の出力信号を検波する検波手段とによって構成することができる。微分手段が負荷電流検出信号を微分して、微分信号を生成する。微分手段としては、例えばハイパスフィルタを使用することができる。積分手段が、前記負荷電流検出信号を積分して、積分信号を生成する。積分手段としてローパスフィルタを使用することができる。前記微分信号と前記積分信号とに基づいて、制御手段が電力増幅手段の入力信号及び出力信号の少なくとも一方を制御する。入力信号の制御には、例えば電力増幅手段の入力側に設けられたリミッタを使用することができる。また、出力信号の制御には、例えば電力増幅手段の出力側に設けられた開閉手段を使用することができる。

このように構成された電力増幅手段では、負荷電流が急峻に変化すると、微分手段の微分信号が、この負荷電流の急峻な変化に追従して変化する。また、負荷電流が持続的に例えば過負荷状態にある場合、積分手段の積分信号が持続的に発生する。これら微分信号及び積分信号に基づいて制御が行われるので、負荷電流の急峻な変化や過負荷状態を表す負荷電流が持続しても、これらに対応した過電流保護を実施できる。

制御手段は、積分信号と微分信号とを合成した合成信号を生成する合成手段と、合成信号を予め定めた閾値信号と比較する比較手段とを、具備するものとできる。閾値信号としては値の異なるものを複数設けることができる。比較手段は、合成信号が閾値信号を超えたとき、入力信号または出力信号を制限することができる。合成手段としては、例えば論理和手段を使用することができる。また、比較手段は、例えば、合成信号が予め定めた第１の閾値よりも大きいとき、上述した出力側の開閉手段を開き、合成信号が、第１の閾値よりも小さく予め定めた第２の閾値よりも大きく第１の閾値よりも小さい場合、上述した入力側の制限手段を作動させることもできる。

例えば、積分信号に基づいて制御を行う制御手段と、微分信号に基づいて制御を行う制御手段とを、個別に設けることも考えられる。しかし、別個に２種類の制御手段を設けるとコストが上昇する。これに対し、積分信号と微分信号とを合成して、その合成信号に基づいて制御を行うようにすると、制御手段は１台設けるだけでよいので、コストを低減することができる。

電力増幅手段は、Ｄ級増幅手段とすることができる。Ｄ級増幅手段は、半導体スイッチング素子、例えばＦＥＴやバイポーラトランジスタを使用して、例えばＰＷＭ信号をスイッチング増幅し、このスイッチング増幅信号を更にローパスフィルタによって平滑する。ローパスフィルタとしてはＬＣフィルタを使用することがある。例えば、Ｄ級増幅手段において、微分手段のみを設けた場合、負荷電流の変化に過敏に応答し、その過敏な応答に応じて負荷電流が制御されると、負荷電流がパルス状に変化する。負荷電流がパルス状に変化すると、高調波成分を多く含むことになる。この高調波成分がＬＣフィルタの共振周波数と一致した場合、過大な電流をＬＣフィルタに半導体スイッチング素子が流すことになり、半導体スイッチング素子が損傷することがある。これに対し、微分手段のみではなく、積分手段も使用すると、負荷電流の変化に過敏に応答することがなく、ＬＣフィルタの共振周波数と一致する高調波成分を有するように負荷電流を制御せず、半導体スイッチング素子の損傷を防止することができる。

以上のように、本発明によれば、瞬間的に負荷電流が大きく変化しても、持続的に過負荷状態に負荷電流がなっても、確実に電力増幅器を保護することができる。

本発明の一実施形態の電力増幅器は、図１に示すように、アナログオーディオ信号が供給される入力端子２を有している。この入力端子２に供給されたアナログオーディオ信号は、入力側レベル制限手段、例えばリミッタ４を介してパルス信号変換手段、例えばＰＷＭ変調回路６に供給される。ＰＷＭ変調回路６は入力されたアナログオーディオ信号をパルス信号、例えば互いに逆相の２つのＰＷＭ変調信号に変調する。

ＰＷＭ変調回路６からのＰＷＭ信号は、Ｄ級増幅段８に供給される。このＤ級増幅段８は、ハーフブリッジ型のもので、複数、例えば２つの半導体スイッチング素子、例えばＦＥＴ１０、１２を有している。これらＦＥＴ１０、１２の導電路、例えばドレイン−ソース導電路が直列に接続され、その両端に＋Ｖと−Ｖの動作電圧が供給されている。これらＦＥＴ１０、１２の制御電極、例えばゲートに、２つのＰＷＭ信号が供給されている。これらＦＥＴ１０、１２は、ＰＷＭ信号に従ってスイッチング動作を行う。

これらＦＥＴ１０、１２のドレイン−ソース導電路の相互接続点に、ローパスフィルタ１４が接続されている。このローパスフィルタ１４は、リアクタ１６とコンデンサ１８とからなり、スイッチングによって相互接続点に生じたパルス信号を平滑して、アナログオーディオ信号とする。

このローパスフィルタ１４からのアナログ信号は、開閉手段、例えばリレー接点２０を介して負荷、例えばスピーカ２２に供給される。

この電力増幅器に、保護制御回路２４が設けられている。この保護制御回路２４では、ローパスフィルタ１４とリレー接点２０との間に、変流手段、例えばカレントトランス２６が設けられている。このカレントトランス２６の二次側には、スピーカ２２に供給される負荷電流に比例した電圧が生成される。この電圧が、整流手段、例えば全波整流回路２８に供給され、全波整流される。

この全波整流回路２８の出力が、微分手段、例えばハイパスフィルタ３０と、積分手段、例えばローパスフィルタ３２とに供給される。これらフィルタ３０、３２は、アクティブフィルタを使用することもできるし、パッシブフィルタを使用することもできる。これらハイパスフィルタ３０とローパスフィルタ３２との出力信号は、合成手段、例えば２つのダイオード３４、３６によって構成された論理和回路３８を介してリレー・リミッタ制御回路４０に供給される。

リミッタ・リレー制御回路４０には、閾値信号、例えば短絡閾値信号と、過電流閾値信号とが設定されている。短絡閾値信号が過電流閾値信号よりも大きな値である。リレー・リミッタ制御回路４０は、論理和回路３８を介して供給された合成信号が、短絡閾値信号よりも大きいとき、リレー接点２０を開く。また、リミッタ制御回路４０は、過電流閾値信号よりも合成信号が大きいとき、リミッタ４によってＰＷＭ変調回路６に供給されるアナログオーディオ信号のレベルを制限する。

図２は、ハイパスフィルタ３０とローパスフィルタ３２とに、ステップ信号を供給したときの、これらの出力信号と、これらの合成信号とを表したものである。ハイパスフィルタ３０の出力信号は、ステップ信号の急峻な立ち上がりに応動して、当初に大きな値となり、以後、値が小さくなっている。ローパスフィルタ３２の出力信号は、ステップ信号の立ち上がりには殆ど応答せず、徐々に立ち上がり、その後にほぼ一定値を維持する。従って、両出力信号を合成した合成信号は、急峻に立ち上がり、以後徐々に値がほぼ一定値まで低下した後、その一定値を維持する。従って、合成信号に基づいて制御を行うと、急峻な負荷電流の変化に対応することができるし、かつ過負荷状態が継続する場合にも、対応することができる。

図３（ａ）に示すような正弦波の入力信号が入力される場合に、例えばローパスフィルタ３２のみを用いて制御を行うと、図３（ｂ）に示すように負荷電流には応答遅れが生じる。またハイパスフィルタ３０のみを用いると、同図（ｃ）に示すように負荷電流には応答遅れは生じないが、負荷電流が高速応答することによりパルス状の波形の乱れるが生じる。このパルス状の乱れは、高調波成分を含み、その高調波成分が、ローパスフィルタ１４の共振周波数と一致した場合、ＦＥＴ１０、１２が過大な電流をローパスフィルタ１４に供給することになり、ＦＥＴ１０、１２が破損する可能性がある。

これらに対し、ハイパスフィルタ３０、ローパスフィルタ３２の双方を使用すると、同図（ｄ）に示すように応答性は、ハイパスフィルタ３０によって速くなり、かつローパスフィルタ３２によって負荷電流にパルス状の乱れを生じさせない。従って、応答性が速く、かつＦＥＴ１０、１２を破損させることがなく、Ｄ級増幅器に適したものとなる。

上記の実施形態では、入力リミッタ４とリレー接点２０とを設けたが、リレー接点２０を除去することもできる。また、ＦＥＴ１０、１２を使用したが、これに代えてバイポーラトランジスタを使用することもできる。又、全波整流回路２８を使用したが、これに代えて半波整流回路を使用することもできる。

本発明の１実施形態の電力増幅器のブロック図である。 図１の電力増幅器のハイパスフィルタの出力信号、ローパスフィルタの出力信号及び両出力信号の合成信号のステップ応答特性を示す図である。 図１の電力増幅器への入力信号、ローパスフィルタのみを使用した場合の出力信号、ハイパスフィルタのみを使用した場合の出力信号、両フィルタを使用した場合の出力信号を示す図である。

符号の説明

４ リミッタ
８ Ｄ級増幅段
１６ ローパスフィルタ
２６ カレントトランス（負荷電流検出手段）
２８ 全波整流回路（負荷電流検出手段）
３０ ハイパスフィルタ（微分手段）
３２ ローパスフィルタ（積分手段）
３４ 論理和回路（合成手段）
４０ リミッタ・リレー制御回路（制御手段）

Claims (3)

1. 電力増幅手段と、
   この電力増幅手段の負荷電流のレベルを検出して、そのレベルを表す負荷電流検出信号を出力する負荷電流検出手段と、
   前記負荷電流検出信号を微分して、微分信号を生成する微分手段と、
   前記負荷電流検出信号を積分して、積分信号を生成する積分手段と、
   前記微分信号と前記積分信号とに基づいて、前記電力増幅手段の入力信号及び出力信号の少なくとも一方を制御する制御手段とを、
   具備する電力増幅器。
2. 請求項１記載の電力増幅器において、前記制御手段は、
   前記積分信号と前記微分信号とを合成した合成信号を生成する合成手段と、
   前記合成信号を予め定めた閾値信号と比較する比較手段とを、
   具備する電力増幅器。
3. 請求項１記載の電力増幅器において、前記電力増幅手段は、Ｄ級増幅手段である電力増幅器。

Images