JP4151704B2 - アンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、信号を増幅して出力するアンプ装置の技術に関する。

パーソナルコンピュータなどにおいては、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）規格の端子が広く普及しており、種々の周辺機器がＵＳＢ端子を介して適宜接続されるようになっている。

このＵＳＢ規格の端子には、信号ラインと電源ラインが用意されているため、ＵＳＢ端子に接続される周辺機器は、この電源ラインから電源の供給を受けることができる。この場合、ＵＳＢ規格によれば、電圧が５Ｖ、電流は０．５Ａ以下という制約があるため、使用できる電力は２．５Ｗが上限となる。

一方、ＵＳＢ端子に接続される機器の中には２．５Ｗを超える電力を消費するものもあるため、これに対処するために、例えば、特許文献１のような装置が提案されていた。
特許文献１に記載の装置は、ＵＳＢ端子の電源ラインから電力供給を受ける入力部にコンデンサを設け、このコンデンサに蓄電された電力を利用することにより、ＵＳＢ端子に接続された周辺機器のピーク時の電力を補うというものである。
特表２００４−５０３１９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置においては、単にコンデンサを用いるという構成のため、蓄電できる電力が小さいという問題があった。また、蓄電量を増やそうとすると、コンデンサが占める体積が極めて大きくなってしまうため、機器の小型化に支障になるという問題があった。特に、ＵＳＢ端子に接続されて、小型のスピーカを駆動するＵＳＢアンプにおいては、実用的でない大きさになってしまう。

ところで、電気二重層を使ったキャパシタは、大容量のものが開発されているから、これを使用するということも考えられる。しかし、電気二重層を使用したキャパシタは、等価抵抗が大きいため、４〜８オームのスピーカを駆動するアンプの電源用キャパシタとしてはロスが大きすぎて使用できないという問題がある。

また、近年では高密度化により容量を大きくし、大電流が扱えるキャパシタが開発されているが、抵抗値は小さいものの耐圧が２Ｖ程度と低くなってしまい、アンプが動作する電圧では使用できない。この場合、複数個直列接続して耐圧を上げることも考えられるが、電圧バランスを保つ回路が別途必要になり、回路の複雑化、高コスト化を招き、この種の用途には実用的でない。

上記課題を解決するため、本発明は、供給電力の最大値が小さな電源を使用しても、ピーク時の電力を補って高出力駆動をすることができ、しかも、小型に形成することができるアンプ装置を提供することを目的としている。

本願発明によるアンプ装置は、入力側に直流電源が供給されるとその電圧を昇圧して出力する第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の出力側に接続されるキャパシタと、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器および前記キャパシタから供給される電力を受け、その電圧を降圧して出力する第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器が出力する電力を電源として、供給された信号を増幅する増幅回路とを具備することを特徴とする。

また、好ましい態様として、入力側に直流電源が供給されるとその電圧を昇圧して出力する第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の出力側に接続されるキャパシタと、前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器および前記キャパシタから供給される電力を受け、その電圧を降圧して出力する第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、供給された信号を増幅する増幅回路と、前記直流電源から出力される電流の電流値を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段が検出する電流値が所定値を超えない場合は、前記直流電源を前記増幅回路に供給し、前記電流値が前記所定値を超えた場合は、前記直流電源に代えて前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器が出力する電力を前記増幅回路に供給する切換回路とを具備してもよい。

この場合、前記直流電源が前記増幅回路に供給される際の供給経路中に、昇圧を行う第３のＤＣ−ＤＣ変換器を設けてもよい。

また、他の好ましい態様として、前記キャパシタを電解コンデンサで構成してもよい。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態を説明する。

＜Ａ：第１実施形態＞
図１は、この発明の第１の実施形態であるアンプ装置の回路を示す回路図である。図において１は、パーソナルコンピュータ２に設けられているＵＳＢ端子である。ＵＳＢ端子１内には、５Ｖの電源端子ＴＤ、グランド端子ＴＧおよびステレオ信号の信号端子ＴＳＬ，ＴＳＲが設けられている。アンプ装置５は、ＵＳＢプラグ６によってＵＳＢ端子１に接続されている。

１０はスイッチングレギュレータであり、入力端に電源端子ＴＤからの５Ｖの電源が与えられると、これを昇圧して出力端から１００Ｖの直流を出力する。この１００Ｖの直流は、スイッチングレギュレータ１１によって５Ｖに降圧されて出力され、アンプ１２の電源となる。この場合、アンプ１２は、５Ｖ電源のアンプである。アンプ１２の内部には、Ｌチャンネル用のアンプ１２ＬとＲチャンネル用のアンプ１２Ｒが設けられ、各アンプ１２Ｌ，１２Ｒにはそれぞれスピーカ１６Ｌ，１６Ｒが接続されている。

ＵＳＢ端子１の信号端子ＴＳＬおよびＴＳＲから各々出力されるＬチャンネルおよびＲチャンネルのデジタル信号は、各々ＤＡコンバータ２０によってアナログ信号に変換されて、アンプ１２Ｌとアンプ１２Ｒの入力端に供給される。

次に、図１に示す３０は電解コンデンサであり、スイッチングレギュレータ１０の出力側と接地間に介挿されている。ここで、電解コンデンサ３０について説明する。

（電解コンデンサ３０に求められる放電時間）
まず、電解コンデンサ３０に必要とされる放電時間について説明する。
楽音信号のピーク出力と平均出力には大きな差があることが知られており、この差は音楽のジャンルや曲によって異なるが、一般には平均出力はピーク出力の１／８〜１／１０と言われている。この関係から、ピーク時の電力を一時的に補うことができれば、ピーク時以外のときは最大電力の１／８〜１／１０の電力でアンプを駆動することができることが分かる。また、ピーク電力が継続する長さは、発明者等が実験したところ、音楽のジャンルに関わらず、おおよそ０．２ｓ程度であることが分かった。

したがって、０．２ｓだけ最大電力を供給できれば、それ以外は小さな電力で駆動しても、大容量の電源で駆動した場合と同じ音量で音楽を再生することができる。例えば、２０Ｗの電力を仮に０．２ｓの間供給し続けられるなら、ピーク時以外の平均電力は２．５Ｗ以下でも問題がないから、ＵＳＢ規格の電源でも実質的に２０Ｗ（１０Ｗ×２ｃｈ）の音量でアンプを駆動できることが分かる。すなわち、電界コンデンサ３０の放電時間は最大電力を０．２ｓの間保持できるように設定される。

（電解コンデンサ３０の大きさ）
しかしながら、電源電圧５Ｖのアンプを駆動する場合を想定して、電源電圧が４Ｖまで低下するのを許容した場合でも、２０Ｗの電力を０．２ｓ間供給するには、約０．８Ｆという極めて大きな容量が必要とされることになる。この容量を電解コンデンサで実現しようとすると、０．８Ｆ＝８０万μＦとなり、電解コンデンサが占める体積が大きくなりすぎて実用にならない。

そこで、本発明においては以下のようにして電界コンデンサ３０の大きさを小さくしている。
まず、電解コンデンサに蓄えられる電荷Ｑは、容量をＣ、印加電圧をＶとすれば、
Ｑ＝Ｃ・Ｖ
であり、そのエネルギーＥは
Ｅ＝Ｃ・Ｖ^２／２
である。

前述したようにアンプ１２に供給される電源電圧が４Ｖまで低下するのを許容した場合、２０Ｗの電力を０．２ｓ間供給するには、約０．８Ｆのキャパシタが必要である。
そして、０．８Ｆの容量に５Ｖの電圧が蓄えられていたときに、これが４Ｖに低下するまでに放出するエネルギー量は、
０．８Ｆ×５Ｖ×５Ｖ×１／２−０．８Ｆ×４Ｖ×４Ｖ×１／２＝３．６Ｊ
である。

一方、３．６Ｊのエネルギーを１００Ｖの電圧で蓄えた後、高効率のスイッチングレギュレータで再び５Ｖに降圧する場合を想定し、３．６Ｊのエネルギーを放出するのに必要な容量をＣとすると、

Ｃ×１００Ｖ×１００Ｖ×１／２−Ｃ×５Ｖ×５Ｖ×１／２＝３．６Ｊ
となるから、上記式を満たすＣの値は、７２２μＦとなる。

ここで、電解コンデンサの大きさは、容量と印加電圧の積（Ｃ・Ｖ）で決まるから、５Ｖで０．８Ｆの場合と、１００Ｖで７２２μＦの場合を比較すると、
ａ：０．８×５＝４（Ｑ）
ｂ：７２２μ×１００＝７２２００μ（Ｑ）
となり、両者の比は

４（Ｑ）／７２２００μ（Ｑ）＝５５．４
となる。すなわち、電解コンデンサの大きさを、約１／５５に小型化できることが分かる。具体的には十数ミリの直径の電解コンデンサを２個並列に用いれば、１００Ｖで７２２μを容易に実現することができる。

以上のことから分かるように、図１に示す電解コンデンサ３０の容量は７２２μ程度に設定され、例えば、直径十数ミリの３６０μＦ程度の電解コンデンサを２個並列にして実装される。この場合、その大きさは充分に小さいため、ＵＳＢ端子に接続される小型機器として充分に小さい形状を実現することができる。

上記構成によるアンプ装置５の動作は以下のようになる。まず、ＵＳＢ端子１１から電源が供給されると、スイッチングレギュレータ１０によって１００Ｖに昇圧され、この電圧値で電解コンデンサ３０に充電が行われる。充電が行われた後は、スイッチングレギュレータ１０が出力する電力は、スイッチングレギュレータ１１によって降圧され、５Ｖの電源となってアンプ１２に供給される。

この状態において、ＬチャンネルおよびＲチャンネルのステレオ信号が出力されると、ＤＡコンバータ２０によってこれらがアナログ信号に変換され、アンプ１２Ｌおよびアンプ１２Ｒに各々供給される。これらのアナログ信号は、アンプ１２Ｌ、アンプ１２Ｒによって各々増幅され、これにより、スピーカ１６Ｌ，１６Ｒから左右各チャンネルの音が出力される。

次に、アンプ１２のゲインと、アンプ１２に入力される信号の値との関係によっては、アンプ１２において消費される電力が、ＵＳＢ端子１の電源端子ＴＤから供給し得る最大電力を超えてしまう。このため、最大供給電力を超えた分についてはスイッチングレギュレータ１０から出力することができなくなる。本実施形態においては、このような状態になったときには、電解コンデンサ３０に蓄えた電荷が不足分について放電され、スイッチングレギュレータ１１によって５Ｖに降圧されて用いられる。

以上の処理によって、アンプ１２はＵＳＢ端子１の最大供給電力を上回る場合でも支障なく駆動が継続される。この場合、アンプ１２に入力される信号がピーク値を継続しても、０．２ｓの間はアンプ１２への電源供給がなされるから、通常の音楽であれば支障なく再生が継続される。この結果、実質的に最大２０Ｗ（１０Ｗ×２ｃｈ）の音量を得ることができる。

なお、スイッチングレギュレータ１０の回路として、例えば、図２に示すようなインダクタを用いた昇圧回路を用いてもよい。図２において、コントローラ３６がスイッチ３１をオン／オフ制御することにより、インダクタ３２に誘起電流が発生し、昇圧が行われる。ここで、３３は整流用のダイオード、３４は平滑用の電解コンデンサ、３５は電荷保持用のコンデンサである。

また、スイッチングレギュレータ１０の回路として、図３に示すようなダイオードＤ１〜Ｄ６とコンデンサ４３〜４８を用いた整流回路を用いてもよい。この図に示す回路においては、コントローラ４０がスイッチ４１，４２を適宜オン／オフ制御することにより、各コンデンサ４３〜４８の電位が重ねられ、高圧を発生する。

＜Ｂ：第２実施形態＞
次に、この発明の第２の実施形態を説明する。図４は、この発明の第２の実施形態の構成を示す回路図である。なお、図において図１の各部と対応する部分には、同一の符号を付けてその説明を省略する。

図において、５０は一端がＵＳＢ端子１の電源端子ＴＤに接続されている電流検出抵抗であり、他端がスイッチングレギュレータ１０の入力側に接続されるとともに、トランジスタＱ１のドレイン−ソース間を介してアンプ１２の電源端に接続されている。また、スイッチングレギュレータ１１の出力側は、トランジスタＱ２のドレイン−ソース間を介してアンプ１２の電源端に接続されている。

５２はコンパレータであり、電流検出抵抗５０の両端電圧の差から、電流検出抵抗５０を流れる電流が所定値を超えたか否かを検出する。５１は参照電圧を発生する参照電源であり、コンパレータ５２は、電流検出抵抗５０の電圧降下が、参照電源５１の電圧値を超えたときにＨレベルの信号を出力する。電流検出抵抗５０の抵抗値と参照電源の電圧値は、電流検出用抵抗５０の下流側で消費される電力が、ＵＳＢ規格の消費電力の最大許容値を超えたときに、コンパレータ５２がＨレベルの信号を出力するように設定される。

次に、コンパレータ５２の出力信号は、トランジスタＱ２のゲートに供給されるとともに、インバータ５４を介してトランジスタＱ１のゲートに供給される。また、５５はトランジスタＱ１のソースと接地間に介挿されているコンデンサである。

上述した構成によれば、アンプ１２の消費電力がＵＳＢ規格の電源容量を超えないときは、コンパレータ５２の出力信号はＬレベルになるため、トランジスタＱ２がオフ、トランジスタＱ１がオンになる。この結果、アンプ１２に対して、電源端子ＴＤからトランジスタＱ１を介して電源が供給される。また、この状態においては、ＵＳＢ規格の電源容量に余裕があるため、電界コンデンサ３０にはスイッチングレギュレータ１０によって充電が行われる。

一方、信号のピーク時などアンプ１２の消費電力が大きくなると、コンパレータ５２の出力信号がＨレベルになり、トランジスタＱ２がオン、トランジスタＱ１がオフになる。この結果、アンプ１２にはスイッチングレギュレータ１１→トランジスタＱ２を介して電源が供給されるとともに、電界コンデンサ３０の放電によって、電力の不足分が補われる。信号のピークが連続した場合でも、最大で０．２ｓ程度は不足分の電力を補うことができる。

したがって、通常の音楽であれば支障なく再生が継続される。この結果、第１実施形態の場合と同様に実質的に最大２０Ｗ（１０Ｗ×２ｃｈ）の音量を得ることができる。また、第２実施形態においては、消費電力が最大許容電力を超えないときは、電流検出抵抗５０とトランジスタＱ１を介してアンプ１２に電源が供給され、スイッチングレギュレータ１０，１１を介さないので、これらによる損失が生じることがなく、電力の利用効率は極めて高い。

なお、本実施形態において、アンプ１２の電源電圧が５Ｖより高い場合、例えば、１２Ｖのときは、図５に示すように、電流検出抵抗５０とトランジスタＱ１のドレインとの間に５Ｖから１２Ｖへと昇圧を行うスイッチングレギュレータ１３を設ければよい。この場合には、スイッチングレギュレータ１１の出力電圧もアンプ１２の電源電圧に合わせて、１００Ｖから１２Ｖへ降圧を行うように設定すればよい。

また、コンパレータ５２と参照電源５１を図６に示すような回路によって構成してもよい。この図に示すＱ３はエミッタが電流検出抵抗５０の一端に接続され、ベースがバイアス抵抗５７を介して電流検出抵抗５０の他端に接続されている。トランジスタＱ３のコレクタが前述したコンパレータ５２出力端に相当する。

図６に示す回路においては、トランジスタＱ３のベース−エミッタ間の順方向降下電圧に対する電流検出抵抗５０、バイアス抵抗５７の各抵抗値を適切に設定し、消費電力がＵＳＢ規格の最大消費電力を超えたときにトランジスタＱ１がオンとなるようにすればよい。

＜Ｃ：変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。

例えば、上述した各実施形態においては、電源としてＵＳＢ規格の出力端から得られる電源ラインを用いたが、これに限らず、供給可能な電力量が少ないその他の電源（電池電源）にも利用することができる。

また、上述した各実施形態においては、電界コンデンサ３０を用いたが、耐圧、大きさ、容量が必要値を満たすなら、他の種類のキャパシタを用いてもよい。また、第２の実施形態においては、電流検出抵抗５０を流れる電流の値から、消費電力を求めるようにしたが、電源（例えばＵＳＢ電源）の出力側で使用される電力量が求められれば、どのような手段を用いてもよい。

本発明の第１の実施形態の構成を示す回路図である。 図１に示すスイッチングレギュレータ１０に代えて用いられる回路例を示す回路図である。 図１に示すスイッチングレギュレータ１０に代えて用いられる回路例を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態の構成を示す回路図である。 図４に示す実施形態の変形例を示す回路図である。 図４，図５に示すコンパレータに代えて用いられる回路例を示す回路図である。

符号の説明

１０…スイッチングレギュレータ（第１のＤＣ−ＤＣ変換器）、１１…スイッチングレギュレータ（第２のＤＣ−ＤＣ変換器）、１２…アンプ（増幅回路）、３０…電界コンデンサ（キャパシタ）、５０…電流検出抵抗（電流検出手段）、５２…コンパレータ（電流検出手段、切換回路）、Ｑ１、Ｑ２…トランジスタ（切換回路）。

Claims (6)

1. 入力側に直流電源が供給されるとその電圧を昇圧して出力する第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、
   前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の出力側に接続されるキャパシタと、
   前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器および前記キャパシタから供給される電力を受け、その電圧を降圧して出力する第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、
   前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器が出力する電力を電源として、供給された信号を増幅する増幅回路と
   を具備することを特徴とするアンプ装置。
2. 入力側に直流電源が供給されるとその電圧を昇圧して出力する第１のＤＣ−ＤＣ変換器と、
   前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器の出力側に接続されるキャパシタと、
   前記第１のＤＣ−ＤＣ変換器および前記キャパシタから供給される電力を受け、その電圧を降圧して出力する第２のＤＣ−ＤＣ変換器と、
   供給された信号を増幅する増幅回路と、
   前記直流電源から出力される電流の電流値を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段が検出する電流値が所定値を超えない場合は、前記直流電源を前記増幅回路に供給し、前記電流値が前記所定値を超えた場合は、前記直流電源に代えて前記第２のＤＣ−ＤＣ変換器が出力する電力を前記増幅回路に供給する切換回路と
   を具備することを特徴とするアンプ装置。
3. 前記直流電源が前記増幅回路に供給される際の供給経路中に、昇圧を行う第３のＤＣ−ＤＣ変換器を設けたことを特徴とする請求項２記載のアンプ装置。
4. 前記キャパシタは電解コンデンサであることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載のアンプ装置。
5. 前記直流電源は、ＵＳＢ規格の出力端に設けられる電源ラインから得られる電源であり、前記信号は前ＵＳＢ規格の前記出力端に設けられる信号ラインから得られる信号であることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載のアンプ装置。
6. 前記信号ラインから得られる信号をデジタル−アナログ変換するＤＡ変換器を前記増幅器の入力側に設けたことを特徴とする請求項５記載のアンプ装置。

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