JP5298492B2

JP5298492B2 - 電子機器

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Publication number: JP5298492B2
Application number: JP2007261899A
Authority: JP
Inventors: 治雄梶田
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2027-10-05
Also published as: JP2009094684A

Description

この発明は、少ない電力供給量でありながらも瞬間的に大きな電力消費を行うことができる電子機器に関する。

従来、携帯用のＵＳＢ機器はバスパワーにより駆動するものが知られている。しかし、ＵＳＢバスパワーは１００ｍＡ（最大でも５００ｍＡ程度）の電流しか供給できず、大電流を消費するＵＳＢ機器はＡＣアダプタを接続することが一般的である。

そこで、例えば特許文献１では、ＤＣコネクタとＵＳＢコネクタとの変換ケーブルを用いて２本のＵＳＢケーブルから電源供給をうけるものが開示されている。
特開２００５−１４１７３２号公報

しかし、特許文献１の電源供給法は、ＵＳＢの規格内の使用ではなく、安定した動作を保証できるものではなかった。また、パワーアンプ等のように、瞬間的に数Ａ程度の電流が必要となる機器においては、依然として供給量が不足していた。このように供給量が不足すると、パワーアンプの電圧が低下して装置全体が突然停止してしまうという問題があった。

そこで、この発明は、電圧降下による駆動停止を防止することができる電子機器を提供することを目的とする。

この発明の電子機器は、電流供給を受ける電源入力部と、前記電源入力部からの電流供給により駆動するパワーアンプと、前記パワーアンプにより増幅された音声信号を入力して音声を放音する複数のスピーカユニットと、前記パワーアンプのパワー段に接続される蓄電回路と、前記蓄電回路の電圧値に応じて、当該パワーアンプおよび前記スピーカユニットへの音声信号の供給態様を変更する制御部と、を備えたことを特徴とする。

この構成では、蓄電回路の電圧値に応じて音声信号の供給態様を変更する。例えば、電圧降下が大きい場合にはモノラル再生（片チャンネル再生）を行い、電圧降下が小さい場合にはステレオ再生を行う。

また、この発明は、さらに、前記制御部は、前記蓄電回路の電圧値が上限またはその近傍である場合に、前記複数のスピーカユニットに供給する音声信号の位相制御を行い、放音空間に仮想音源を設定する処理を行うことを特徴とする。

この構成では、電圧値が上限（すなわち最大充電状態）またはその付近である場合に複数のスピーカユニットを用いて音声信号の位相を制御し、仮想音源を設定する再生を行う。

この発明によれば、電圧降下による駆動停止を防止することができる。

以下、本実施形態に係る電子機器について説明する。この実施形態の電子機器は、携帯用のスピーカ装置であり、ＵＳＢ接続によるバスパワー、ＡＣアダプタ接続によるセルフパワー、またはバスパワーとセルフパワーの両方により駆動するものである。

図１は、本実施形態に係るスピーカ装置の電源回路構成を示すブロック図である。同図に示すように、スピーカ装置１は、ＵＳＢ電源入力回路１１、ＡＣアダプタ電源入力回路１２、レギュレータ（ＬＤＯ）１３、スイッチ（ＨＳＳＷ）１４、スイッチ（ＳＷ）１５、スイッチ（ＳＷ）１６、ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＣ−ＤＣ）１７、レギュレータ（ＬＤＯ）１８、電流制限回路１９、電流制限回路２０、ＣＰＵ２１、デジタル回路２２、アナログ回路２３、パワーアンプ２４、およびコンデンサ２５を備えている。

ＣＰＵ２１は、スピーカ装置１を統括的に制御する制御部である。デジタル回路２２およびアナログ回路２３は、種々の音声処理を行う回路である。デジタル回路２２およびアナログ回路２３で処理された音声信号は、パワーアンプ２４で増幅されて外部に放音される。

ＵＳＢ電源入力回路１１は、ＰＣ等の情報処理装置（ホスト）から電源供給を受けるインタフェースであり、１００ｍＡまたは５００ｍＡの電源供給を受ける。スピーカ装置１は、ＵＳＢ電源入力回路１１から入力される電流をＣＰＵ２１、デジタル回路２２、およびアナログ回路２３に供給することで、バスパワー駆動を行う。ＵＳＢ機器ではホストと接続を行うとまず１００ｍＡの電源供給を受け、その後のネゴシエーションが成立すれば５００ｍＡの電源供給を受けることができ、ネゴシエーションできない場合はそのまま１００ｍＡの電源供給を受けるものである。

ＡＣアダプタ電源入力回路１２は、ＡＣアダプタから電源供給を受けるインタフェースであり、例えば７００ｍＡ程度の電源供給を受ける。スピーカ装置１は、ＡＣアダプタ電源入力回路１２から入力される電流をＣＰＵ２１、デジタル回路２２、およびアナログ回路２３に供給することで、セルフパワー駆動を行う。

ＬＤＯ１３は、電源入力に連動してオン、オフされるものであり、ＵＳＢ電源入力回路１１から電源供給を受けた場合にオンされ、出力電圧を３．３Ｖに安定化させる。ＡＣアダプタ電源入力回路１２から電源供給を受けた場合はオフされる。

ＨＳＳＷ１４は、ＣＰＵ２１により制御されるスイッチ回路であり、バスパワー駆動を行う場合にオン、それ以外の場合にオフされるものである。

ＳＷ１５は、ＣＰＵ２１により制御されるスイッチ回路であり、バスパワー駆動を行う場合にオンされるものである。

ＳＷ１６は、ＡＣアダプタ電源入力回路１２から電源供給を受けた場合にオンされるものである。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１７は、変圧を行うものであり、デジタル回路２２およびＣＰＵ２１への供給電圧を５Ｖから３．３Ｖに変圧する。

ＬＤＯ１８は、常時オンされており、アナログ回路２３への供給電圧を３．３Ｖに安定化させる。

電流制限回路１９および電流制限回路２０は、パワーアンプ２４およびコンデンサ２５への供給電流量を制限する回路である。電流制限回路１９は、出力電流を１００ｍＡに制限し、電流制限回路２０は、出力電流を１５０ｍＡに制限する。

コンデンサ２５は、非常に大きな静電容量（例えば数十μＦ以上）を有する電気二重層コンデンサである。コンデンサ２５は静電容量が非常に大きいため、ＵＳＢ電源入力回路１１やＡＣアダプタ電源入力回路１２からの供給電流を全て充電のために消費するとＣＰＵ２１等の動作ができない。そのため、スピーカ装置の各種回路を保護すべく、電流制限回路１９および電流制限回路２０を設け、電流を制限するものである。

本実施形態では、コンデンサ２５に電圧を蓄えるため、スピーカ装置が瞬間的に数Ｗ程度の電力消費を行う放音を行う場合に、このコンデンサ２５からパワーアンプ２４に電源供給することができるものである。本実施形態のスピーカ装置１は、大容量のコンデンサ２５に電圧を蓄えながら、安定した電源供給を行うために、ＵＳＢ電源入力回路１１およびＡＣアダプタ電源入力回路１２からの電源供給の形態に応じてＬＤＯ１３、ＨＳＳＷ１４、ＳＷ１５、ＳＷ１６のオン、オフ切り替えを行う。また、音声を継続的に放音してパワーアンプ２４が継続的に電力消費を行うと、コンデンサ２５の電圧が降下し、電圧が駆動限界値以下（例えば２．７Ｖ以下）になる場合がある。そのため、本実施形態では、電圧降下を抑えるために種々の動作を行う。

まず、図２は、状態切り替え一覧を示す図である。同図に示すように、スピーカ装置１は、６つの状態切り替えを行う。まず、ＵＳＢ電源入力回路１１およびＡＣアダプタ電源入力回路１２から電源供給が全くない状態、すなわちスピーカ装置１に何も接続されていない状態ではＣＰＵ２１は駆動せず、無論各種スイッチ類もオフのままである（状態１）。

スピーカ装置１がホストに接続され、ＵＳＢ電源入力回路１１から１００ｍＡの電流が入力されると、ＬＤＯ１３を経由してＣＰＵ２１に電源供給され、その結果ＣＰＵ２１が起動する（状態２）。ここで、ＣＰＵ２１は、ホストとのネゴシエーションを行う。ネゴシエーションできなければスピーカ装置が駆動できないとして再び状態１に切り替わり、電源がオフされる。

ＣＰＵ２１は、ネゴシエーションが成立すれば、５００ｍＡの入力によるバスパワー駆動が可能であるとして、ＨＳＳＷ１４およびＳＷ１５をオンに設定し、ＵＳＢ電源入力回路１１から入力される電流をデジタル回路２２、アナログ回路２３、および電流制限回路１９に供給する（状態３）。また、パワーアンプ２４の前段に５Ｖの電源供給を行う（＋５Ａ）。

ここで、電流制限回路１９は、出力電流を１００ｍＡに制限し、これをパワーアンプ２４に供給する。また、この電流によりコンデンサ２５の充電を行う。コンデンサ２５の電圧が２．７Ｖ程度に昇圧されると、バスパワー駆動であってもパワーアンプ２４に十分な電力（１００ｍＡを超える電流）を供給することができる。なお、実際にはマージンを考えて３〜３．５Ｖ程度に昇圧してから駆動を行えばよい。

すなわち、パワーアンプ２４は、電流制限回路１９から１００ｍＡの電流を受け、音声信号を増幅するが、増幅量によっては１００ｍＡを超える電流を消費する場合があり、このときにコンデンサ２５から不足分を補う。ここでパワーアンプ２４が１００ｍＡを超える電流消費を行うと、コンデンサ２５の電圧が降下する。しかし、電流制限回路１９から常時１００ｍＡの電流が供給されているため、パワーアンプ２４の電流消費が小さくなったときに再び充電がなされる。これにより、スピーカ装置１は、バスパワー駆動でありながらも瞬間的に数Ｗ程度の出力を行うことができ、安定した駆動を行うことができる。

次に、スピーカ装置１がホストに接続されず、ＡＣアダプタのみが接続されると、ＡＣアダプタ電源入力回路１２から７００ｍＡ程度の電流が入力される。この場合、ＳＷ１６がオンされてＣＰＵ２１に電源が供給される。その結果ＣＰＵ２１が起動する（状態４）。なお、ＡＣアダプタ電源入力回路１２からＤＣ−ＤＣコンバータ１７の電源ラインは、検出回路（図示せず）により監視されており、この電源ラインに電流が供給されるとＳＷ１６のスイッチがオンされるようになっている。

ＣＰＵ２１は、起動後にＬＤＯ１３、ＨＳＳＷ１４、およびＳＷ１５をオフする。その結果、ＡＣアダプタ電源入力回路１２から入力された電流を、デジタル回路２２、アナログ回路２３、および電流制限回路２０に供給する。また、パワーアンプ２４の前段に５Ｖの電源供給を行う。

ここで、電流制限回路２０は、出力電流を１５０ｍＡに制限し、これをパワーアンプ２４に供給する。また、この電流によりコンデンサ２５の充電を行う。上記と同様、コンデンサ２５の電圧が数Ｖ程度に昇圧されると、パワーアンプ２４に十分な電力を供給することができる。

セルフパワー駆動では、パワーアンプ２４は、電流制限回路２０から１５０ｍＡの電流を受け、音声信号を増幅するが、増幅量によっては１５０ｍＡを超える電流を消費する場合があり、このときにコンデンサ２５から不足分を補う。ここでパワーアンプ２４が１５０ｍＡを超える電流消費を行うと、コンデンサ２５の電圧が降下する。しかし、電流制限回路２０から常時１５０ｍＡの電流が供給されているため、パワーアンプ２４の電流消費が小さくなったときに再び充電がなされる。これにより、スピーカ装置１は、バスパワー駆動よりもさらに安定した駆動を行うことができる。

次に、セルフパワー駆動の状態でスピーカ装置１がホストに接続されると、ＵＳＢ電源入力回路１１から１００ｍＡの電流が入力される。この場合、ＣＰＵ２１はホストとのネゴシエーションを行う。ネゴシエーションできなければ各種スイッチはそのままでセルフパワー駆動を行う（状態５）。

ＣＰＵ２１は、ネゴシエーションが成立すれば、ＨＳＳＷ１４をオンし、ＵＳＢ電源入力回路１１から入力される電流を電流制限回路１９に供給する（状態６）。その結果、パワーアンプ２４には電流制限回路１９から１００ｍＡの電流が供給され、電流制限回路２０から１５０ｍＡの電流が供給される。そのため、パワーアンプ２４およびコンデンサ２５には２５０ｍＡの電流が供給される。

なお、バスパワー駆動の状態（状態３）でＡＣアダプタが接続された場合、ＣＰＵ２１は、ＳＷ１６をオンし、ＬＤＯ１３およびＳＷ１５をオフして上記状態６に切り替える。

次に、図３は、コンデンサ２５の電圧変化を示した図である。同図に示すように、コンデンサ２５には、ＵＳＢ電源入力回路１１またはＡＣアダプタ電源入力回路１２から５Ｖの電圧で電流供給されるため、最大５Ｖまで充電される。パワーアンプ２４が電力消費を行わない（あるいは１００ｍＡまたは１５０ｍＡ以下で駆動している）場合、電圧は５Ｖに保たれる（電圧変化１）。

ここで、パワーアンプ２４が電力消費を行うと、コンデンサ２５から電流が供給され、コンデンサ２５の電圧が降下する（電圧変化２）。音声の放音が停止し、パワーアンプ２４の電力消費がなくなると、再びコンデンサ２５に電流が供給されて充電される（電圧変化３）。

パワーアンプ２４の増幅量が大きいほど（放音音声の音量が大きいほど）電力消費が大きくなるため、コンデンサ２５の電圧降下の傾きが大きくなり、増幅量が小さいほど電圧降下の傾きが小さくなる。例えば、上記電圧変化２の場合よりも小さい音量で音声を放音すれば電圧降下の傾きは小さくなる（電圧変化４）。一方で音声が放音されていない場合、コンデンサ２５への電流供給量は１００ｍＡまたは１５０ｍＡで変化無く、昇圧の傾きは変わらない（電圧変化５）。

消費電力が変わらずに電圧が低下すると電流消費が大きくなるため、電圧が所定値（例えば２．７Ｖ）よりも小さくなると、パワーアンプ２４へ電流供給ができなくなり、パワーアンプ２４の出力がダウンする（音声が放音されない）。なお、実際にはパワーアンプ２４の出力がダウンしてもＵＳＢ電源入力回路１１またはＡＣアダプタ電源入力回路１２からＣＰＵ２１には電力が供給されているため、スピーカ装置１全体がダウンすることはない。

本実施形態では、パワーアンプ２４の出力ダウンを防止するために、以下のような処理を行う。

（１）ゲイン補正
図４は、コンデンサ２５の電圧に応じたゲイン補正の概念を示す図であり、図５は、スピーカ装置１の処理系統を示すブロック図である。スピーカ装置１は、処理系統として、信号処理回路２００、スピーカ１００（スピーカ１００Ａ、スピーカ１００Ｂ）を備えており、ＵＳＢインタフェース（Ｉ／Ｆ）１０１から入力された音声情報は、デジタル音声信号として信号処理回路２００に入力される。信号処理回路２００は、上述のデジタル回路２２とアナログ回路２３からなり、入力されたデジタル音声信号のレベル補正、位相制御を行い、アナログ音声信号としてパワーアンプ２４に出力する。パワーアンプ２４で増幅されたアナログ音声信号はスピーカ１００から放音される。なお、スピーカ装置１では、実際には２チャンネルの音声信号を処理し、スピーカ１００Ａとスピーカ１００Ｂから異なる音声を放音する（ステレオ再生を行う）ことになるが、同図においては説明の簡略化のため、１チャンネルの処理系統を示している。

信号処理回路２００、パワーアンプ２４、およびコンデンサ２５は、ＣＰＵ２１に接続されており、ＣＰＵ２１が信号処理回路２００の処理態様とパワーアンプ２４のゲインを制御する。また、コンデンサ２５の電圧は、ＣＰＵ２１が管理する。図４に示すように、ＣＰＵ２１は、コンデンサ２５の電圧が４．５〜５Ｖである場合、ゲイン補正を行わない（±０ｄＢ）。コンデンサ２５の電圧が十分に高いため、ゲイン補正を行わずに、パワーアンプ２４で規定されたゲインでそのまま放音する。

ＣＰＵ２１は、コンデンサ２５の電圧が４〜４．５Ｖである場合、パワーアンプ２４のゲインを−３ｄＢ補正する。−３ｄＢのゲイン補正を行うことで、音量が小さくなり、パワーアンプ２４の電力消費が小さくなる。したがって、電圧降下の傾きが小さくなる。ＣＰＵ２１は、コンデンサ２５の電圧が３．５〜４Ｖである場合、−６ｄＢのゲイン補正を行い、コンデンサ２５の電圧が３〜３．５Ｖである場合、−１２ｄＢのゲイン補正を行う。電圧値が下がるほど、ゲイン補正量が大きくなり、音量が小さくなるため、電圧降下の傾きがさらに小さくなる。したがって、電圧降下が抑えられる。また、電圧が３Ｖ以下になる場合、ミュートを行い、電力消費をゼロに補正する。なお、電圧が３Ｖ以下になった場合、ある程度の電圧（例えば３．５Ｖ）に回復するまでミュートを継続する。ミュートを行うと電力消費がゼロとなるため、即座に電圧値が回復するが、音声を放音すると再び３Ｖ以下となるおそれがある。このため、ミュート、ミュート解除、ミュート、の動作を繰り返すことになってしまう。したがって、ある程度のマージンを考慮して例えば３．５Ｖ以上でミュートを解除するようにする。

以上のようにして、コンデンサ２５の電圧値に応じてパワーアンプ２４のゲイン補正を行うため、パワーアンプ２４の出力ダウンを防止することができる。

（２）再生モードの切り替え
次に、再生モードの切り替えについて説明する。再生モードの切り替えとは、スピーカ装置１において図５に示すように２チャンネルのスピーカユニットが有る場合に、ステレオ再生を行うか、モノラル再生（片チャンネル再生）を行うか、または２つのスピーカユニットを用いて音声信号の位相を制御し、仮想音源を設定する再生を行うか、を切り替える動作である。

すなわち、ＣＰＵ２１は、コンデンサ２５の電圧降下が小さい場合、信号処理回路２００において位相制御を行うように設定し、仮想音源を設定する再生を行う。また、ＣＰＵ２１は、ある程度電圧降下した場合、信号処理回路２００において位相制御を行わないように設定し、通常のステレオ再生に切り替える。さらに電圧降下した場合には、いずれかのスピーカへの音声信号供給を遮断し（またはいずれかのチャンネルをミュートし）、モノラル再生に切り替える動作を行う。位相制御により仮想音源を設定する場合、通常のステレオ再生と同じ音圧を確保するために約２倍程度のゲインが必要である。したがって、最も電圧降下の傾きが大きくなる。一方でモノラル再生であれば１チャンネル分のスピーカ駆動電力で済むため、最も電圧降下の傾きが小さくなる。そこで、電圧値に応じて上記のような再生モードの切り替えを行い、パワーアンプ２４の出力ダウンを防止する。

また、ＵＳＢ電源入力回路１１およびＡＣアダプタ電源入力回路１２からの電源供給の形態に応じて再生モードを切り替えるようにしてもよい。例えば、バスパワー駆動を行う場合はモノラル再生を行い、セルフパワー駆動を行う場合はステレオ再生を行い、バスパワーとセルフパワーの両方により駆動する場合に仮想音源を設定する再生を行うようにする。

なお、ゲイン補正を行いながら再生モードの切り替えを行ってもよい。

なお、本実施形態では電子機器としてスピーカ装置を示したが、本発明は、ＵＳＢ接続によるバスパワー駆動とＡＣアダプタによるセルフパワー駆動を行うものであればどのような機器にも適用可能である。

なお、本実施形態では、バスパワー駆動とセルフパワー駆動で電流供給形態を切換える例を示したが、この構成は必須ではなく、一般的な電流供給を行う（電流供給の切換え機能を備えていない）通常の機器にも適用可能である。例えば、バッテリを内蔵し、バッテリのみで動作する機器の場合、使用時間経過にともなって電源電圧が低下する。電源電圧が低下すると、パワーアンプ出力がより小さな信号レベルで飽和してしまう、あるいは駆動が停止してしまうが、本実施形態に開示した技術を適用することで、より長時間の使用も可能となる。

なお、本実施形態では、コンデンサの電圧値に応じてゲイン補正や再生モードを切り替えるようにしたが、パワーアンプの電圧値に応じてゲイン補正や再生モードを切り替えるようにしてもよい。

本実施形態に係るスピーカ装置の電源回路構成を示すブロック図である。状態切り替え一覧を示す図である。コンデンサ２５の電圧変化を示した図である。コンデンサ２５の電圧に応じたゲイン制御の概念を示す図である。スピーカ装置１の処理系統を示すブロック図である。

符号の説明

１−スピーカ装置
１１−ＵＳＢ電源入力回路
１２−ＡＣアダプタ電源入力回路
１３−レギュレータ（ＬＤＯ）
１４−スイッチ（ＨＳＳＷ）
１５−スイッチ（ＳＷ）
１６−スイッチ（ＳＷ）
１７−ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＣ−ＤＣ）
１８−レギュレータ（ＬＤＯ）
１９−電流制限回路
２０−電流制限回路
２１−ＣＰＵ
２２−デジタル回路
２３−アナログ回路
２４−パワーアンプ
２５−コンデンサ

Claims

電流供給を受ける電源入力部と、
前記電源入力部からの電流供給により駆動するパワーアンプと、
前記パワーアンプにより増幅された音声信号を入力して音声を放音する複数のスピーカユニットと、
前記パワーアンプのパワー段に接続される蓄電回路と、
前記蓄電回路の電圧値に応じて、当該パワーアンプおよび前記スピーカユニットへの音声信号の供給態様を変更する制御部と、
を備えた電子機器。
前記制御部は、前記蓄電回路の電圧値が上限またはその近傍である場合に、前記複数のスピーカユニットに供給する音声信号の位相制御を行い、放音空間に仮想音源を設定する処理を行う請求項１に記載の電子機器。