JP2010288138A - 電力増幅器保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電力の供給時、非供給時にかかわらず、電力増幅器の出力端子が天絡あるいは地絡などの短絡を起こした場合であっても、電力増幅器を構成する素子を過電流から保護する。
【解決手段】外部の電源からの電力供給を受けて動作するとともに入力信号を増幅して増幅信号出力端子から出力する電力増幅器を、過電流から保護する増幅器保護回路１３は、電力増幅器への電源からの電力供給路に設けられ、遮断制御信号ＳＣＵＴに基づいて電力供給路を遮断するリレー回路１５と、増幅信号出力端子および短絡電流路を介して低電位側電源に流出する電源からの電流により遮断信号ＳＣＵＴを生成し、出力する保護制御回路１４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力増幅器保護回路に係り、特に音声出力端子を有する音声出力用パワーＩＣとして構成されている電力増幅器において天絡あるいは地絡などの短絡に起因する過電流から当該電力増幅器を保護するための電力増幅器保護回路に関する。

従来の電力増幅器は使用する回路素子の特性により正負両電源を使用するのが一般的であったため、何らかの故障により負電源が供給されなくなると、回路素子に過大な電流を流し続けることとなり、遂には破壊に至る場合があった。
これを防止するため、従来の電力増幅器においては、当該電力増幅器を過大電流から保護するための保護回路が設けられていた。
例えば、特許文献１記載の保護回路においては、電力増幅器の破壊を防止するために、電力増幅器に供給する負電圧の有無を検出し、負電圧が供給されなかった場合に、電力増幅器への正電圧の供給を停止することにより、電力増幅器を保護する構成を採っていた。

特開平０９−１８１５３４号公報

ところで、近年においては、単電源で動作する電力増幅器が増加しており、上記従来の正負量電源を用いた電力増幅器保護回路は、これらの単電源で動作する電力増幅器にそのまま適用できるものではなかった。
また、上記従来の電力増幅器保護回路は、当該電力増幅器に電力が供給されている場合にのみ動作可能であり、電力非供給時に生じた短絡には対処できないという問題点もあった。
そこで、本発明の目的は、電力の供給時、非供給時にかかわらず、電力増幅器の出力端子が天絡あるいは地絡などの短絡を起こした場合であっても、電力増幅器を構成する素子を過電流から保護することが可能な電力増幅器保護回路を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１態様は、外部の電源からの電力供給を受けて動作するとともに入力信号を増幅して増幅信号出力端子から出力する電力増幅器を、過電流から保護する電力増幅器保護回路において、前記電力増幅器への前記電源からの電力供給路に設けられ、遮断制御信号に基づいて前記電力供給路を遮断するリレー回路と、前記電源から前記増幅信号出力端子および短絡電流路を介して低電位側電源に流出する電流により前記遮断信号を生成し、出力する短絡検出回路と、を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、短絡検出回路は、電源から増幅信号出力端子および短絡電流路を介して低電位側電源に流出する電流により遮断信号を生成し、リレー回路に出力する。
これにより、リレー回路は、入力された遮断制御信号に基づいて電力供給路を遮断して、電源からの電流を遮断する。
この場合において、短絡検出回路は、短絡電流によりにより遮断信号を生成しているので、電力の供給時、非供給時にかかわらず、電力増幅器を保護することができる。

本発明の第２態様は、第１態様において、前記短絡検出回路は、前記電源から前記短絡電流路を介して前記増幅信号出力端子に流れ、当該増幅信号出力端子を介して前記電力増幅器内に流入して低電位側電源に流出する電流により前記遮断信号を生成し、出力する天絡検出回路と、を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、天絡検出回路は、電源から前記短絡電流路を介して増幅信号出力端子に流れ、当該増幅信号出力端子を介して電力増幅器内に流入して低電位側電源に流出する電流により遮断信号を生成し、リレー回路に出力する。

本発明の第３態様は、第１態様において、前記短絡検出回路は、前記電源から前記電力増幅器の電源入力端子を介して前記電力増幅器内に流入し、前記増幅信号出力端子および前記短絡電流路を介して前記低電位側電源に流出する電流の発生時に、前記電源から前記増幅信号出力端子および前記短絡電流路を介して前記低電位側電源に流れる電流により前記遮断信号を生成し、出力する地絡検出回路を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、地絡検出回路は、電源から前記増幅信号出力端子および前記短絡電流路を介して前記低電位側電源に流れる電流により遮断信号を生成し、リレー回路に出力する。

本発明の第４態様は、第１態様ないし第３態様において、前記電力増幅器は、前記増幅信号出力端子にエミッタ端子が共通接続され、いずれか一方のコレクタ端子が前記電源入力端子に接続され、いずれか他方のコレクタ端子が前記低電位側電源に接続されるようにされている相補型バイポーラトランジスターを備えていることを特徴とする。
上記構成によれば、相補型バイポーラトランジスターを流れる短絡電流を確実に遮断することができ、ひいては、電力増幅器を保護することができる。

本発明によれば、電力の供給時、非供給時にかかわらず、電力増幅器の出力端子が天絡あるいは地絡を起こした場合であっても、電力増幅器を構成する素子を過電流から保護することができる。

第１実施形態の車載用オーディオアンプ装置の要部概要構成ブロック図である。 車載用オーディオアンプ装置の要部詳細説明図である。 音声出力端子を介して天絡が発生した場合の動作説明図である。 音声出力端子を介して地絡が発生した場合の動作説明図である。 第２実施形態の車載用オーディオアンプ装置の要部概要構成ブロック図である。

次に本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態の車載用オーディオアンプ装置の要部概要構成ブロック図である。
車載用オーディオアンプ装置１０は、大別すると、車載されているバッテリーユニット１１から電源入力端子ＴＰＳおよびグランド端子ＴＧＤを介して電源供給を受けて音声増幅を行って音声出力端子ＴＯＵＴから増幅音声信号Ｓａａｕを出力する音声出力用パワーＩＣユニット１２と、音声出力端子ＴＯＵＴを介して音声出力用パワーＩＣユニット１２が天絡あるいは地絡を起こしたことを検出し、音声出力用パワーＩＣユニット１２を保護するためにバッテリーユニット１１からの電源供給を遮断する増幅器保護回路１３と、を備えている。

音声出力用パワーＩＣユニット１２は、図示しないＣＤプレーヤーや、ＭＰ３プレーヤーなどのディジタルオーディオ装置から音声入力端子ＴＩＮを介して入力される音声信号Ｓａｕを増幅して増幅音声信号Ｓａａｕとして音声出力端子ＴＯＵＴを介して外部の図示しないスピーカーユニットに出力する。

増幅器保護回路１３は、音声出力用パワーＩＣユニット１２が音声出力端子ＴＯＵＴを介して天絡あるいは地絡を起こしたことを検出し、電源遮断制御信号ＳＣＵＴを出力する保護制御回路１４と、電源遮断制御信号ＳＣＵＴに基づいてバッテリーユニット１１から音声出力用パワーＩＣユニット１２への電源供給を遮断するリレー回路１５と、を備えている。

図２は、車載用オーディオアンプ装置の要部詳細説明図である。
車載用オーディオアンプ装置１０の音声出力用パワーＩＣユニット１２は、大別すると、音声入力端子ＴＩＮを有する前段増幅回路２１と、ＮＰＮバイポーラトランジスター２２とＰＮＰバイポーラトランジスター２３のエミッタ端子Ｅが共通接続された相補型バイポーラトランジスターを有し、共通接続されたエミッタ端子Ｅに音声出力端子ＴＯＵＴが接続された後段増幅回路２４と、を備えている。

ここで、ＮＰＮバイポーラトランジスター２２のコレクタ端子Ｃは、電源入力端子ＴＰＳに接続され、ベース端子Ｂは、前段増幅回路２１に接続されている。
一方、ＰＮＰバイポーラトランジスター２３のコレクタ端子Ｃは、グランド端子ＴＧＤに接続され、ベース端子Ｂは、前段増幅回路２１に接続されている。

保護制御回路１４は、大別すると、音声出力端子ＴＯＵＴを介して音声出力用パワーＩＣユニット１２の後段増幅回路２４に流入し、低電位側電源（グランド）側に流出する過電流が発生したことを検出する天絡検出回路３１と、音声出力用パワーＩＣユニット１２の電源入力端子を介して後段増幅回路２４に流入し、音声出力端子ＴＯＵＴを介して低電位側電源（グランド）に流出するバッテリーユニット１１からの過電流が発生したことを検出する地絡検出回路３２と、を備えている。

天絡検出回路３１は、アノード端子が音声出力端子ＴＯＵＴに接続された整流用ダイオード３５と、整流用ダイオード３５に逆接続されたツェナーダイオード３６と、エミッタ端子が低電位側電源（グランド）に接続されたＮＰＮバイポーラトランジスター３７と、ツェナーダイオード３６のアノード端子とＮＰＮバイポーラトランジスター３７のベース端子との間に設けられ、電流制限およびＮＰＮバイポーラトランジスター３７のベース端子に印加される電圧を制御するための抵抗回路３８と、を備えている。

地絡検出回路３２は、カソード端子が音声出力端子ＴＯＵＴに接続された整流用ダイオード４１と、整流用ダイオード４１に逆接続されたツェナーダイオード４２と、ツェナーダイオード４２に電流制限用抵抗４３を介してベース端子が接続され、エミッタ端子−ベース端子間にバイアス抵抗４４が接続されたＰＮＰバイポーラトランジスター４５と、エミッタ端子が低電位側電源（グランド）に接続されたＮＰＮバイポーラトランジスター４６と、ＰＮＰバイポーラトランジスター４５のコレクタ端子とＮＰＮバイポーラトランジスター４６のベース端子との間に設けられ、電流制限およびＮＰＮバイポーラトランジスター４６のベース端子に印加される電圧を制御するための抵抗回路４７と、を備えている。

リレー回路１５は、機械式スイッチ（接点）５１と、この機械式スイッチ（接点）５１をバッテリーユニット１１から電源供給を受けて、電磁力により駆動するためのリレーコイル５２と、エミッタ端子が低電位側電源（グランド）に接続され、ベース端子がＮＰＮバイポーラトランジスター３７のコレクタ端子およびＮＰＮバイポーラトランジスター４６のコレクタ端子に共通接続され、コレクタ端子がリレーコイル５２の一端に接続されたリレー駆動用のＮＰＮバイポーラトランジスター５３と、リレーコイル５２に発生するサージ電流を吸収するためにリレーコイル５２に並列に接続されたダイオード５４と、を備えている。
上記構成において、リレー回路１５の機械式スイッチ５１の出力端側には、電源安定化用の電解コンデンサー５５およびコンデンサー５６が低電位側電源（グランド）との間に並列に接続されている。

次に実施形態の動作ついて説明する。
まず、天絡時の動作について説明する。
図３は、音声出力端子を介して天絡が発生した場合の動作説明図である。
音声出力端子ＴＯＵＴを介して天絡が発生する条件としては、図３に示すように、電源入力端子ＴＰＳが開放（ｏｐｅｎ）状態であり、かつ、バッテリーユニット１１の電源供給ラインが音声出力端子ＴＯＵＴに短絡され、短絡電流路ＳＣを形成してしまった場合である。具体的には、車載用オーディオアンプ装置１０を車両に取り付けようとして、低電位側電源（いわゆるグランド）が接続された状態で誤ってバッテリーユニット１１からの電源供給線が音声出力用パワーＩＣユニット１２の音声出力端子ＴＯＵＴに触れてしまったような場合である。

短絡電流路ＳＣが形成されると、バッテリーユニット１１から音声出力端子ＴＯＵＴ、ＰＮＰバイポーラトランジスター２３のエミッタ端子Ｅ、コレクタ端子Ｃおよびグランド端子ＴＧＤを介して低電位側電源に過電流ＯＣが流れようとする。
これと並行して、過電流ＯＣは、天絡検出回路３１の整流用ダイオード３５を介して、ツェナーダイオード３６に至り、ツェナーダイオード３６に印加される電圧がツェナーダイオード３６の降伏電圧（ツェナー電圧）を超えることにより抵抗回路３８を介してグランドに向かって過電流ＯＣが流れることとなる。

このとき、抵抗回路８により分圧された電圧がＮＰＮバイポーラトランジスター３７のベース端子Ｂに印加され、ＮＰＮバイポーラトランジスター３７は、オン状態となり、ＮＰＮバイポーラトランジスター５３のベース電位は、低電位側電源レベルとなり、オフ状態となる。
この結果、リレーコイル５２に電流は流れなくなり、機械式スイッチ５１は、開状態（オフ状態）となり、バッテリーユニット１１からの電流が遮断されることとなる。

これら一連の動作は、瞬時に行われることとなるので、バッテリーユニット１１から音声出力端子ＴＯＵＴ、ＰＮＰバイポーラトランジスター２３のエミッタ端子Ｅ、コレクタ端子Ｃおよびグランド端子ＴＧＤを介して低電位側電源に流れる過電流ＯＣも瞬時に遮断されることとなり、ＰＮＰバイポーラトランジスター２３、ひいては、後段増幅回路２４を構成する増幅器が破壊されることを防止することができる。

次に地絡時の動作について説明する。
図４は、音声出力端子を介して地絡が発生した場合の動作説明図である。
音声出力端子ＴＯＵＴを介して地絡が発生する条件としては、図４に示すように、グランド端子ＴＧＤが開放（ｏｐｅｎ）状態であり、かつ、低電位側電源が音声出力端子ＴＯＵＴに短絡され、短絡電流路ＳＣ１を形成してしまった場合である。具体的には、車載用オーディオアンプ装置１０を車両に取り付けようとして、低電位側電源（いわゆるグランド）を接続していない状態で、誤って低電位側電源ラインを音声出力端子ＴＯＵＴに触れさせてしまったような場合である。

短絡電流路ＳＣ１が形成されると、バッテリーユニット１１から機械式スイッチ５１、ＮＰＮバイポーラトランジスター２２のコレクタ端子Ｃ、エミッタ端子Ｅおよび音声出力端子ＴＯＵＴを介して低電位側電源に向かって図４に破線で示す過電流ＯＣ１が流れようとする。
これと並行して、バッテリーユニット１１からバイアス抵抗４４および電流制限用抵抗４３を介して、過電流ＯＣ２がツェナーダイオード４２に至り、ツェナーダイオード４２に印加される電圧がツェナーダイオード３６の降伏電圧（ツェナー電圧）を超えることにより、整流用ダイオード４１および音声出力端子ＴＯＵＴを介してグランドに向かって過電流ＯＣ２が流れることとなる。

このとき、ＰＮＰバイポーラトランジスター４５のエミッタ端子Ｅ−ベース端子Ｂ間には、所定の電圧が印加されるので、ＰＮＰバイポーラトランジスター４５はオン状態となり、抵抗回路４７には、バッテリーユニット１１からの高電位側電源が供給され、抵抗回路４７により分圧された電圧がＮＰＮバイポーラトランジスター４６のベース端子Ｂに印加され、ＮＰＮバイポーラトランジスター４６は、オン状態となる。

この結果、ＮＰＮバイポーラトランジスター５３のベース電位は、低電位側電源レベルとなり、オフ状態となり、リレーコイル５２に電流は流れなくなり、機械式スイッチ５１は、開状態（オフ状態）となり、バッテリーユニット１１からの電流が遮断されることとなる。
これら一連の動作は、瞬時に行われることとなるので、バッテリーユニット１１から機械式スイッチ５１、ＮＰＮバイポーラトランジスター２２のコレクタ端子Ｃ、エミッタ端子Ｅおよび音声出力端子ＴＯＵＴを介して低電位側電源に向かって流れる過電流ＯＣ１も瞬時に遮断されることとなり、ＮＰＮバイポーラトランジスター２２、ひいては、後段増幅回路２４を構成する増幅器が破壊されることを防止することができる。

以上の説明のように、本第１実施形態によれば、後段増幅回路２４を構成するＮＰＮバイポーラトランジスター２２とＰＮＰバイポーラトランジスター２３を過電流が流れることによるトランジスターの破壊、ひいては、音声出力用パワーＩＣユニット１２を構成する増幅器を保護することが可能となる。
また、本第１実施形態の増幅器保護回路は、音声出力用パワーＩＣユニットに対して外付け可能であるので、既存の音声出力用パワーＩＣユニットであっても、バッテリーユニットと音声出力用パワーＩＣユニットとの間に本第１実施形態の増幅器保護回路を介在させることにより、容易に当該音声出力用パワーＩＣユニットを天絡あるいは地絡から保護することが可能となる。

［２］第２実施形態
上記第１実施形態は、音声出力用パワーＩＣユニットに外付けで増幅器保護回路を設けるものであったが、本第２実施形態は、音声出力用パワーＩＣユニットに増幅器保護回路を内蔵させた場合の実施形態である。

図５は、第２実施形態の車載用オーディオアンプ装置の要部概要構成ブロック図である。図５において、図１と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
車載用オーディオアンプ装置６０は、車載されているバッテリーユニット１１から電源入力端子ＴＰＳおよびグランド端子ＴＧＤを介して電源供給を受けて音声増幅を行って音声出力端子ＴＯＵＴから増幅音声信号Ｓａａｕを出力する音声出力用パワーＩＣユニット６０Ａを備えている。

音声出力用パワーＩＣユニット６０Ａは、図示しないＣＤプレーヤーや、ＭＰ３プレーヤーなどのディジタルオーディオ装置から音声入力端子ＴＩＮを介して入力される音声信号Ｓａｕを増幅して増幅音声信号Ｓａａｕとして音声出力端子ＴＯＵＴを介して外部の図示しないスピーカーユニットに出力する音声出力回路６１と、音声出力回路が天絡あるいは地絡を起こしたことを検出し、当該音声出力回路６１、ひいては、音声出力用パワーＩＣユニット６０Ａを保護するためにバッテリーユニット１１から音声出力回路６１への電源供給を遮断する増幅器保護回路６２と、を備えている。
音声出力回路６１は、図２で示した前段増幅回路２１と、後段増幅回路２４と、を備えている。

増幅器保護回路６２は、音声出力回路６１が天絡あるいは地絡を起こしたことを検出し、電源遮断制御信号ＳＣＵＴを出力する保護制御回路１４と、電源遮断制御信号ＳＣＵＴに基づいてバッテリーユニット１１から音声出力回路６１への電源供給を遮断するリレー回路１５と、を備えている。

したがって、本第２実施形態においても、天絡が発生した場合には、増幅器保護回路６２を構成する保護制御回路１４から電源遮断制御信号ＳＣＵＴがリレー回路１５に出力されるため、第１実施形態と同様に、電源遮断制御信号ＳＣＵＴに基づいてリレー回路１５のリレーコイル５２に電流が流れなくなる。
この結果、機械式スイッチ５１は、開状態（オフ状態）となり、バッテリーユニット１１からの電流が遮断され、バッテリーユニット１１から音声出力端子ＴＯＵＴ、ＰＮＰバイポーラトランジスター２３のエミッタ端子Ｅ、コレクタ端子Ｃおよびグランド端子ＴＧＤを介して低電位側電源に流れる過電流ＯＣも瞬時に遮断されることとなり、ＰＮＰバイポーラトランジスター２３、ひいては、音声出力回路６１を構成する増幅器が破壊されることを防止することができる。

また、地絡が発生した場合には、増幅器保護回路６２を構成する保護制御回路１４から電源遮断制御信号ＳＣＵＴがリレー回路１５に出力されるため、第１実施形態と同様に、電源遮断制御信号ＳＣＵＴに基づいてリレー回路１５のリレーコイル５２に電流が流れなくなる。
この結果、機械式スイッチ５１は、開状態（オフ状態）となり、バッテリーユニット１１からの電流が遮断され、バッテリーユニット１１から機械式スイッチ５１、ＮＰＮバイポーラトランジスター２２のコレクタ端子Ｃ、エミッタ端子Ｅおよび音声出力端子ＴＯＵＴを介して低電位側電源に向かって流れる過電流ＯＣ１も瞬時に遮断されることとなり、ＮＰＮバイポーラトランジスター２２、ひいては、音声出力回路６１を構成する増幅器が破壊されることを防止することができる。

以上の説明のように、上記各実施形態によれば、音声出力用パワーＩＣユニットあるいは、電力が供給されておらず、音声出力回路が動作していない場合であっても、音声出力用パワーＩＣユニットあるいは音声出力回路を構成する増幅器を保護することが可能となる。

１０、６０ 車載用オーディオアンプ装置
１１ バッテリーユニット
１２、６０Ａ 音声出力用パワーＩＣユニット
１３ 増幅器保護回路
１４ 保護制御回路
１５ リレー回路
２１ 前段増幅回路
２２ ＮＰＮバイポーラトランジスター
２３ ＰＮＰバイポーラトランジスター
２４ 後段増幅回路
３１ 天絡検出回路
３２ 地絡検出回路
３５ 整流用ダイオード
３６ ツェナーダイオード
３７ ＮＰＮバイポーラトランジスター
３８ 抵抗回路
４１ 整流用ダイオード
４２ ツェナーダイオード
４３ 電流制限用抵抗
４４ バイアス抵抗
４５ ＰＮＰバイポーラトランジスター
４６ ＮＰＮバイポーラトランジスター
４７ 抵抗回路
５１ 機械式スイッチ
５２ リレーコイル
５３ ＮＰＮバイポーラトランジスター
５４ ダイオード
６１ 音声出力回路
ＯＣ１、ＯＣ２ 過電流
ＳＣ１ 短絡電流路
ＳＣＵＴ 電源遮断制御信号
Ｓａａｕ 増幅音声信号
Ｓａｕ 音声信号
ＴＧＤ グランド端子
ＴＩＮ 音声入力端子
ＴＯＵＴ 音声出力端子
ＴＰＳ 電源入力端子

Claims (4)

1. 外部の電源からの電力供給を受けて動作するとともに入力信号を増幅して増幅信号出力端子から出力する電力増幅器を、過電流から保護する電力増幅器保護回路において、
   前記電力増幅器への前記電源からの電力供給路に設けられ、遮断制御信号に基づいて前記電力供給路を遮断するリレー回路と、
   前記増幅信号出力端子および短絡電流路を介して低電位側電源に流出する前記電源からの電流により前記遮断信号を生成し、出力する短絡検出回路と、
   を備えたことを特徴とする電力増幅器保護回路。
2. 請求項１記載の電力増幅器保護回路において、
   前記短絡検出回路は、前記電源から前記短絡電流路を介して前記増幅信号出力端子に流れ、当該増幅信号出力端子を介して前記電力増幅器内に流入して低電位側電源に流出する電流により前記遮断信号を生成し、出力する天絡検出回路と、
   を備えたことを特徴とする電力増幅器保護回路。
3. 請求項１記載の電力増幅器保護回路において、
   前記短絡検出回路は、前記電源から前記電力増幅器の電源入力端子を介して前記電力増幅器内に流入し、前記増幅信号出力端子および前記短絡電流路を介して前記低電位側電源に流出する電流の発生時に、前記電源から前記増幅信号出力端子および前記短絡電流路を介して前記低電位側電源に流れる電流により前記遮断信号を生成し、出力する地絡検出回路を備えたことを特徴とする電力増幅器保護回路。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電力増幅器保護回路において、
   前記電力増幅器は、前記増幅信号出力端子にエミッタ端子が共通接続され、いずれか一方のコレクタ端子が前記電源入力端子に接続され、いずれか他方のコレクタ端子が前記低電位側電源に接続されるようにされている相補型バイポーラトランジスターを備えていることを特徴とする電力増幅器保護回路。

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