JP5445517B2 - 電源制御回路 - Google Patents

Description

この発明は、Ｇ級増幅器の電源電圧の制御に好適な電源制御回路に関する。

増幅器は、その増幅器に与えられる電源電圧とその増幅器から負荷に供給する出力電圧との差分に対し、負荷に流れる負荷電流を乗算した値の電力を消費する。増幅器と負荷とを含めた装置全体の消費電力を少なくするためには、この増幅器自体に生じる消費電力を極力低く抑える必要がある。このような要求に応える増幅器として、入力信号または出力信号の振幅に応じて増幅動作のための電源電圧の切り換えを行うＧ級増幅器がある（例えば特許文献１参照）。

図５はこの種のＧ級増幅器の構成例を示す回路図である。この例では、Ｇ級増幅器は、増幅部１と、チャージポンプ２と、電源制御回路３とを有している。ここで、増幅部１は、ヘッドホンアンプ等の電力増幅器であり、入力電圧ＶＩＮを増幅して、スピーカ等の負荷１Ａを駆動する出力電圧ＶＯＵＴを発生する。チャージポンプ２は、所定の電源電圧を昇圧することにより正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢを発生し、増幅部１に供給する電源である。このチャージポンプ２の昇圧モードには、正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢとして、所定の大きさの正の電源電圧＋ＶＤＤおよび負の電源電圧−ＶＤＤを発生するミドルパワーモードと、このミドルパワーモードの半分の大きさの正の電源電圧＋ＶＤＤ／２および負の電源電圧−ＶＤＤ／２を発生するローパワーモードとがある。電源制御回路３は、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴと、増幅部１に対する正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢとを監視し、監視結果に基づいて、チャージポンプ２の昇圧モードをローパワーモードからミドルパワーモードに切り換えるモードアップ、ミドルパワーモードからローパワーモードに切り換えるモードダウンを実行する回路である。

さらに詳述すると、電源制御回路３は、チャージポンプ２がローパワーモードで動作している状態において、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴのピーク値と正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢとが所定の限度を越えて互いに接近した場合に、出力電圧ＶＯＵＴに波形歪が発生するのを避けるために、チャージポンプ２をローパワーモードからミドルパワーモードにモードアップさせる。また、電源制御回路３は、チャージポンプ２がミドルパワーモードで動作している状態において、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの絶対値が所定の閾値電圧未満である状態が所定時間以上継続した場合に、増幅部１自体の消費電力を低減するために、チャージポンプ２をミドルパワーモードからローパワーモードにモードダウンさせる。このようにチャージポンプ２から増幅部１に供給される正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢの大きさが増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの大きさに応じて切り換えられるため、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴに波形歪が生じるのを回避しつつ、増幅部１自体の消費電力を低減することができる。

特開２０００−２２３９６６号公報

ところで、上述した従来のＧ級増幅器において、モードダウンの条件が甘い場合、具体的には、出力電圧ＶＯＵＴの絶対値が所定時間以上継続して閾値電圧を下回ったことを以てモードダウンを行う場合においてその閾値電圧が大きい場合、モードアップ後、短時間のうちにモードダウンが行われ易くなり、モードアップとモードダウンが交互に繰り返される現象が発生する。このような頻繁なモード切り換えが行われると、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴにノイズが頻発する。そこで、従来技術の下では、Ｇ級増幅器を構成する素子の製造ばらつき、負荷１Ａの負過電流の範囲等を考慮に入れ、最悪の条件においても、上述の頻繁なモード切り換えが発生しないように、モードダウンの条件を十分に厳しくしていた。しかし、このようにモードダウンの条件を厳しくしたために、ミドルパワーモードにおいて、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの絶対値が低下し、ローパワーモードに切り換えても問題が生じない状態になっているにも拘わらず、長時間に亙ってモードダウンが行われず、無駄な消費電力が発生するという問題があった。

この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、Ｇ級増幅器の製造ばらつき、負荷の大きさ等に応じて、最適な条件でモードダウンを実行することができ、無駄な消費電力の発生を抑えることができる電源制御回路を提供することを目的としている。

この発明は、増幅部の出力電圧に応じて、前記増幅部の電源電圧を現状より高い電源電圧に切り換えるモードアップを行うとともに、前記増幅部の出力電圧の大きさが所定時間以上に亙って閾値電圧を下回った場合に前記増幅部の電源電圧を現状より低い電源電圧に切り換えるモードダウンを行うモード制御手段と、前記モードアップが行われたときの前記増幅部の出力電圧に基づいて前記閾値電圧を設定する閾値設定手段とを具備することを特徴とする電源制御回路を提供する。

かかる発明によれば、モードアップが行われたときの増幅部の出力電圧に基づいて閾値電圧が設定され、増幅部の出力電圧の大きさが所定時間以上に亙ってこの閾値電圧を下回った場合にモードダウンが行われる。従って、モードアップとモードダウンの繰り返しを回避することができる最適な条件でモードダウンを実行することができ、無駄な消費電力の発生を抑えることができる。

この発明の一実施形態である電源制御回路の構成を示す回路図である。 同実施形態において仮にモードダウンに関する判定の条件を固定した場合の第１の動作例を示すタイムチャートである。 同実施形態において仮にモードダウンに関する判定に用いる閾値電圧を固定した場合の第２の動作例を示すタイムチャートである。 同実施形態においてモードダウンに関する判定に用いる閾値電圧をモードアップ時の増幅部の出力電圧に基づいて制御した場合の動作例を示すタイムチャートである。 Ｇ級増幅器の構成例を示す回路図である。

以下、図面を参照し、この発明の一実施形態について説明する。
図１はこの発明の一実施形態である電源制御回路３Ａの構成を示す回路図である。この電源制御回路３Ａは、前掲図５の電源制御回路３と同様、増幅部１に対して電源電圧＋ＶＢおよび−ＶＢを供給するチャージポンプ２の昇圧モードを制御するものである。なお、図１には電源制御回路３Ａの機能の理解を容易にするため、図５における増幅部１および負荷１Ａが電源制御回路３Ａとともに図示されている。

図１に示す電源制御回路３Ａにおいて、モード制御部３０１は、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴと、図５の増幅部１に対する正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢを監視し、監視結果に基づいて、図５のチャージポンプ２の昇圧モードを指定するモード指定信号を発生する回路である。

さらに詳述すると、モード制御部３０１は、チャージポンプ２がローパワーモードで動作している場合において、次のモードアップ条件１〜４のいずれかが満たされたことを検知したとき、チャージポンプ２をミドルパワーモードに遷移させるモード指定信号を出力することによりモードアップを実行する。
モードアップ条件１：正電源電圧＋ＶＢが閾値電圧Ｖｕｐｐ１より低くなったこと。
モードアップ条件２：出力電圧ＶＯＵＴの正電源電圧＋ＶＢに対する余裕｜＋ＶＢ−ＶＯＵＴ｜が閾値電圧Ｖｕｐｐ２を下回ったこと。
モードアップ条件３：負電源電圧−ＶＢが閾値電圧Ｖｕｐｍ１より高くなったこと。
モードアップ条件４：出力電圧ＶＯＵＴの負電源電圧−ＶＢに対する余裕｜−ＶＢ−ＶＯＵＴ｜が閾値電圧Ｖｕｐｍ２を下回ったこと。
ここで、モードアップ条件１および２は、増幅部１が正の出力電圧ＶＯＵＴを出力する場合に満たされる可能性がある。また、モードアップ条件３および４は、増幅部１が負の出力電圧ＶＯＵＴを出力する場合に満たされる可能性がある。

また、モード制御部３０１は、チャージポンプ２がミドルパワーモードで動作している場合において、次のモードダウン条件が満たされたことを検知したとき、チャージポンプ２をローパワーモードに遷移させるモード指定信号を出力することによりモードダウンを実行する。
モードダウン条件：出力電圧ＶＯＵＴの絶対値が所定時間以上継続して閾値電圧Ｖｄｗｎを下回ったこと。

図１において、コンパレータ３１１は、正電源電圧＋ＶＢと図示しない基準電圧源から与えられる閾値電圧Ｖｕｐｐ１とを比較することにより、モードアップ条件１が満たされたか否かを判定し、モードアップ条件１が満たされた場合にモードアップ信号ＭＵ１をアクティブレベルにする。正電源電圧＋ＶＢに対して直列接続された抵抗３１２および定電流源３１３と、コンパレータ３１４は、モードアップ条件２が満たされた場合にモードアップ信号ＭＵ２をアクティブレベルにする回路を構成している。さらに詳述すると、本実施形態では、抵抗３１２に閾値電圧Ｖｕｐｐ２に相当する電圧降下が生じるように、抵抗３１２の抵抗値および定電流源３１３の電流値が決定されている。コンパレータ３１４は、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴと抵抗３１２および定電流源３１３の接続点の電圧＋ＶＢ−Ｖｕｐｐ２との関係がＶＯＵＴ＞＋ＶＢ−Ｖｕｐｐ２となった場合、すなわち、Ｖｕｐｐ２＞｜＋ＶＢ−ＶＯＵＴ｜となってモードアップ条件２が満たされたときモードアップ信号ＭＵ２をアクティブレベルにする。

コンパレータ３２１は、負電源電圧−ＶＢと図示しない基準電圧源から与えられる閾値電圧Ｖｕｐｍ１とを比較することにより、モードアップ条件３が満たされたか否かを判定し、モードアップ条件３が満たされた場合にモードアップ信号ＭＵ３をアクティブレベルにする。負電源電圧−ＶＢに対して直列接続された抵抗３２２および定電流源３２３と、コンパレータ３２４は、モードアップ条件４が満たされた場合にモードアップ信号ＭＵ４をアクティブレベルにする回路を構成している。さらに詳述すると、本実施形態では、抵抗３２２に閾値電圧Ｖｕｐｍ２に相当する電圧降下が生じるように、抵抗３２２の抵抗値および定電流源３２３の電流値が決定されている。コンパレータ３２４は、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴと抵抗３２２および定電流源３２３の接続点の電圧−ＶＢ＋Ｖｕｐｍ２との関係がＶＯＵＴ＜−ＶＢ＋Ｖｕｐｍ２となった場合、すなわち、Ｖｕｐｍ２＞｜−ＶＢ−ＶＯＵＴ｜となってモードアップ条件４が満たされたときモードアップ信号ＭＵ４をアクティブレベルにする。

モード制御部３０１は、チャージポンプ２がローパワーモードで動作している状態において、以上説明したモードアップ信号ＭＵ１、ＭＵ２、ＭＵ３およびＭＵ４のいずれかがアクティブレベルになったとき、チャージポンプ２の昇圧モードをミドルパワーモードに切り換えるモード指定信号を出力する。

ここで、モードアップ信号ＭＵ２およびＭＵ４を発生する回路（モードアップ条件２および４に関する判定を行う回路）に加えて、モードアップ信号ＭＵ１およびＭＵ３を発生する回路（モードアップ条件１および３に関する判定を行う回路）を設けているのは、出力電圧ＶＯＵＴの振幅の増加時に、出力電圧ＶＯＵＴに波形歪が発生する危険性を迅速かつ確実に検知するためである。

逐次比較型Ａ／Ｄ変換部３３０は、上述したモードダウン条件が満たされたか否かの判定に用いる閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎを生成するために設けられた回路である。また、コンパレータ３３１は、出力電圧ＶＯＵＴが閾値電圧＋Ｖｄｗｎよりも低い場合に電圧検出信号ＶＤ１をアクティブレベルとし、コンパレータ３３２は、出力電圧ＶＯＵＴが閾値電圧−Ｖｄｗｎよりも高い場合に電圧検出信号ＶＤ２をアクティブレベルとする。これらの電圧検出信号ＶＤ１およびＶＤ２の両方がアクティブレベルである場合、出力電圧ＶＯＵＴの絶対値は、閾値電圧｜Ｖｄｗｎ｜よりも小さい。

モード制御部３０１は、チャージポンプ２がミドルパワーモードで動作している状態において、電圧検出信号ＶＤ１およびＶＤ２の両方が所定時間以上継続してアクティブレベルを維持したとき、チャージポンプ２の昇圧モードをローパワーモードに切り換えるモード指定信号を出力する。

本実施形態の特徴は、逐次比較型Ａ／Ｄ変換部３３０がモードアップ時における増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴに基づいて、モードダウン条件をなす閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎを設定する閾値設定手段として機能する点にある。以下、この逐次比較型Ａ／Ｄ変換部３３０の構成を説明する。

逐次比較型Ａ／Ｄ変換部３３０は、モード制御部３０１による制御の下、モードアップ時における増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴをサンプルホールドして２進コードに変換し、この２進コードを用いてモードアップ時の増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴよりも僅かに小さい電圧値の閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎを発生する回路である。

図示のように、逐次比較型Ａ／Ｄ変換部３３０は、Ｄ／Ａ変換部３４０と、データ更新部３５０と、スイッチ３６１〜３６５と、キャパシタ３７１および３７２と、コンパレータ３８０とを有する。

Ｄ／Ａ変換部３４０は、データ更新部３５０が出力するＮビット（Ｎは２以上の整数）の２進コードを互いに同じ絶対値を持ったアナログ形式の閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎに変換して出力する回路である。なお、このＤ／Ａ変換部３４０の内部構成については後述する。

スイッチ３６１、３６２および３６３は、Ｄ／Ａ変換部３４０が閾値電圧＋Ｖｄｗｎを出力するノード、閾値電圧−Ｖｄｗｎを出力するノードおよび増幅部１が出力電圧ＶＯＵＴを出力するノードとキャパシタ３７１の一方の電極との間に各々介挿されている。このキャパシタ３７１の他方の電極は、コンパレータ３８０の非反転入力端子に接続されるとともに、スイッチ３６４を介して接地されている。また、キャパシタ３７２は、一方の電極が接地されている。このキャパシタ３７２の他方の電極は、コンパレータ３８０の反転入力端子に接続されるとともに、スイッチ３６５を介して接地されている。

スイッチ３６１〜３６５のＯＮ／ＯＦＦは、モード制御部３０１によって切り換えられる。さらに詳述すると、モード制御部３０１は、ローパワーモードにおいて、スイッチ３６１および３６２をＯＦＦ、スイッチ３６３、３６４および３６５をＯＮとし、キャパシタ３７１に増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴを与え、キャパシタ３７２に０Ｖを与える（サンプル動作）。

そして、モード制御部３０１は、上述したモードアップ信号ＭＵ１、ＭＵ２、ＭＵ３およびＭＵ４のいずれかがアクティブレベルになったとき、チャージポンプ２の昇圧モードをミドルパワーモードに切り換えるモードアップを行うことに加え、次の制御を行う。

まず、モード制御部３０１は、スイッチ３６３、３６４および３６５をＯＦＦとし、キャパシタ３７１にモードアップ時における増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴをホールドさせ、キャパシタ３７２に０Ｖをホールドさせる。

そして、モード制御部３０１は、モードアップ信号ＭＵ１またはＭＵ２がアクティブレベルになったことによりモードアップを行った場合（すなわち、増幅部１が正の出力電圧ＶＯＵＴを出力したときにモードアップを行った場合）は、スイッチ３６１をＯＦＦからＯＮに切り換え、Ｄ／Ａ変換部３４０が出力する閾値電圧＋Ｖｄｗｎをキャパシタ３７１の一方の電極に与え、データ更新部３５０にＮビットの２進コードの更新制御の開始を指示する。これによりコンパレータ３８０の非反転入力端子に対する入力電圧は＋Ｖｄｗｎ−ＶＯＵＴとなる。データ更新部３５０は、所定のアルゴリズムに従って、コンパレータ３８０の出力信号に基づいて、コンパレータ３８０の非反転入力端子に対する入力電圧が０Ｖになるように（すなわち、Ｄ／Ａ変換部３４０の出力する閾値電圧＋Ｖｄｗｎの絶対値がキャパシタ３７１に保持された出力電圧ＶＯＵＴの絶対値と一致するように）、２進コードの更新制御を行う。この２進コードの更新制御の内容は、周知の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器において用いられているものと同様である。

一方、モードアップ信号ＭＵ３またはＭＵ４がアクティブレベルになったことによりモードアップを行った場合（すなわち、増幅部１が負の出力電圧ＶＯＵＴを出力したときにモードアップを行った場合）、モード制御部３０１は、スイッチ３６２をＯＦＦからＯＮに切り換え、Ｄ／Ａ変換部３４０が出力する閾値電圧−Ｖｄｗｎをキャパシタ３７１の一方の電極に与え、データ更新部３５０にＮビットの２進コードの更新制御の開始を指示する。これによりコンパレータ３８０の非反転入力端子に対する入力電圧は−Ｖｄｗｎ−ＶＯＵＴとなる。データ更新部３５０は、所定のアルゴリズムに従って、コンパレータ３８０の出力信号に基づいて、コンパレータ３８０の非反転入力端子に対する入力電圧が０Ｖになるように（すなわち、Ｄ／Ａ変換部３４０の出力する閾値電圧−Ｖｄｗｎの絶対値がキャパシタ３７１に保持された出力電圧ＶＯＵＴの絶対値と一致するように）、２進コードの更新制御を行う。

そして、データ更新部３５０は、２進コードの更新制御が終了し、キャパシタ３７１に保持された出力電圧ＶＯＵＴと絶対値が同じである閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−ＶｄｗｎをＤ／Ａ変換部３４０から出力させた後、２進コードを所定値だけ減らす。これによりＤ／Ａ変換部３４０からコンパレータ３３１および３３２に供給される閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎの電圧値は、モードアップ時の増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴよりも僅かに絶対値の小さい電圧値となる。

次にＤ／Ａ変換部３４０の構成を説明する。Ｄ／Ａ変換部３４０において、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal
Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；金属−酸化膜−半導体構造の電界効果トランジスタであり、以下、単にトランジスタという。）３４１、３４２および３４３は、各々のソースに電源電圧＋ＶＡが与えられており、各々のゲートはＰチャネルトランジスタ３４１のドレインに接続されている。ここで、電源電圧ＶＡは、チャージポンプ２が正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢを生成するために利用する電源電圧である。

Ｐチャネルトランジスタ３４１のドレインと接地線との間には可変電流源３４４が介挿されている。この可変電流源３４４は、例えば電流値が２^−ｋ・Ｉ０（ｋ＝１〜Ｎ）であるＮ個の定電流源と、データ更新部３５０が出力するＮビットの２進コードの各ビットに応じて、各定電流源をＰチャネルトランジスタ３４１のドレインに接続するか否かを切り換えるＮ個のスイッチとにより構成されている。この可変電流源３４４の出力電流はＰチャネルトランジスタ３４１に流れる。

Ｎチャネルトランジスタ３４５および３４６は、各々のソースに負電源電圧−ＶＢが与えられ、各々のゲートはＮチャネルトランジスタ３４５のドレインに接続されている。そして、Ｎチャネルトランジスタ３４５のドレインは、Ｐチャネルトランジスタ３４２のドレインに接続されており、Ｎチャネルトランジスタ３４５にはＰチャネルトランジスタ３４２のドレイン電流が流れる。

ここで、Ｐチャネルトランジスタ３４２および３４３は、Ｐチャネルトランジスタ３４１とともにカレントミラーを構成している。また、Ｎチャネルトランジスタ３４６は、Ｎチャネルトランジスタ３４５とともにカレントミラーを構成している。そして、本実施形態では、可変電流源３４４の出力電流に比例し、かつ、互いに同じ大きさのドレイン電流がＰチャネルトランジスタ３４３およびＮチャネルトランジスタ３４６に流れるように、Ｐチャネルトランジスタ３４１〜３４３、Ｎチャネルトランジスタ３４５および３４６のトランジスタサイズが決定されている。

Ｐチャネルトランジスタ３４３のドレインとＮチャネルトランジスタ３４６のドレインとの間には同一の抵抗値の抵抗３４７および３４８が直列に介挿されており、これらの抵抗３４７および３４８の共通接続点は接地されている。そして、Ｐチャネルトランジスタ３４３のドレインの電圧が閾値電圧＋Ｖｄｗｎとして出力され、Ｎチャネルトランジスタ３４６のドレインの電圧が閾値電圧−Ｖｄｗｎとして出力される。

ここで、Ｐチャネルトランジスタ３４３およびＮチャネルトランジスタ３４６には、可変電流源３４４の出力電流に比例し、かつ、互いに同じ大きさのドレイン電流が流れるので、データ更新部３５０が出力する２進コードが示す値に比例し、かつ、互いに同じ絶対値を持った閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎが得られる。
以上がＤ／Ａ変換部３４０の構成の詳細である。

図２および図３は本実施形態において仮に閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎの制御を行わず、閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎを固定にした場合の動作例を示すタイムチャートであり、図２は負荷１Ａの負荷抵抗が小さい場合の動作例を、図３は負荷１Ａの負荷抵抗が大きい場合の動作例を各々示している。また、図４は本実施形態において閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎをモードアップ時の出力電圧ＶＯＵＴに基づいて可変制御した場合の動作例を示すタイムチャートである。以下、これらの図を参照し、本実施形態の作用効果を説明する。

増幅部１が正の出力電圧ＶＯＵＴを出力するときは、チャージポンプ２の正電源電圧＋ＶＢの出力端子から増幅部１および負荷１Ａを介して接地線に負荷電流が流れる。この場合、出力電圧ＶＯＵＴの絶対値が大きくなると、負荷電流が大きくなって、チャージポンプ２の出力インピーダンスの電圧降下が大きくなるため、増幅部１に与えられる正電源電圧＋ＶＢが低下する。また、増幅部１が負の出力電圧ＶＯＵＴを出力するときは、接地線から負荷１Ａおよび増幅部１を介してチャージポンプ２の負電源電圧−ＶＢの出力端子に負荷電流が流れる。この場合、出力電圧ＶＯＵＴの絶対値が大きくなると、負荷電流が大きくなることにより、増幅部１に与えられる負電源電圧−ＶＢが上昇する。図２〜図４には、増幅部１が接地電位０Ｖを中心として振れる正弦波状の出力電圧ＶＯＵＴを出力する場合に、正の出力電圧ＶＯＵＴの絶対値の増加に応じて正電源電圧＋ＶＢが低下し、負の出力電圧ＶＯＵＴの絶対値の増加に応じて負電源電圧−ＶＢが低下する様子が示されている。

また、増幅部１が正の出力電圧ＶＯＵＴを出力するときは、正電源電圧＋ＶＢに負荷電流を乗算した電力が増幅部１および負荷１Ａにより消費される。また、増幅部１が負の出力電圧ＶＯＵＴを出力するときは、負電源電圧−ＶＢに負荷電流を乗算した電力が増幅部１および負荷１Ａにより消費される。図３および図４には増幅部１および負荷１Ａの消費電力の波形が図示されている。

ローパワーモードにおいて、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの振幅が大きくなると、正の出力電圧ＶＯＵＴのピーク値と正電源電圧＋ＶＢとの間の余裕または負の出力電圧ＶＯＵＴのピーク値と負電源電圧−ＶＢとの間の余裕がなくなり、出力電圧ＶＯＵＴの波形に歪が発生する。そこで、このような出力電圧ＶＯＵＴの波形歪の発生を回避するため、本実施形態では、上記モードアップ条件１〜４のいずれかが満たされた場合にモード制御部３０１がチャージポンプ２をローパワーモードからミドルパワーモードへ切り換えるモードアップを行う。図２〜図４に示す各動作例では、ローパワーモードにおいて、出力電圧ＶＯＵＴと負電源電圧−ＶＢとの間の余裕が閾値電圧Ｖｕｐｍ２以下となって、モードアップ条件４が満たされ、ローパワーモードからミドルパワーモードへ切り換えるモードアップが行われている。

ミドルパワーモードでは、増幅部１に与えられる正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢの絶対値がローパワーモードの２倍になるので、出力電圧ＶＯＵＴに波形歪が発生するのを回避することができる。しかし、ミドルパワーモードでは、増幅部１の消費電力が大きくなる。従って、出力電圧ＶＯＵＴの振幅が低下し、ローパワーモードに切り換えても出力電圧ＶＯＵＴに波形歪が発生しないのであれば、Ｇ級増幅器全体としての消費電力を抑えるために、遅滞なくローパワーモードに切り換えることが好ましい。そこで、図２および図３の例では、ミドルパワーモードにおいて、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴを固定の閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎと比較し、出力電圧ＶＯＵＴが＋Ｖｄｗｎ〜−Ｖｄｗｎの範囲内の電圧値を所定時間以上継続して維持した場合にチャージポンプ２をミドルパワーモードからローパワーモードに切り換えるモードダウンを行っている。

ところで、チャージポンプ２から増幅部１に与えられる正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢと増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴとの間には次の関係がある。まず、チャージポンプ２を構成する素子の製造ばらつき、チャージポンプ２に対する電源電圧の変動、温度の影響により、チャージポンプ２内のスイッチのＯＮ抵抗が大きい場合、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの振幅が小さく、負荷電流が小さくても、チャージポンプ２が出力する正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢの絶対値が大きく低下する。従って、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの振幅が小さいときにモードアップ条件１〜４のいずれかが満たされ、モードアップが行われる。これに対し、チャージポンプ２内のスイッチのＯＮ抵抗が小さい場合、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの振幅が大きく、負過電流が大きくても、チャージポンプ２が出力する正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢの絶対値の低下は少ない。従って、チャージポンプ２内のスイッチのＯＮ抵抗が大きい場合に比べて、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの振幅が大きくならないと、モードアップ条件が満たされず、モードアップが行われない。

また、チャージポンプ２から増幅部１に与えられる正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢと増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴとの間の関係は、増幅部１に接続される負荷１Ａにも依存する。図２に示す例では、負荷１Ａの負荷抵抗が小さいため、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの振幅が小さくても、大きな負荷電流が増幅部１を介して負荷１Ａに流れ、チャージポンプ２が出力する正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢの絶対値が大きく低下する。従って、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの振幅が小さいときにモードアップ条件１〜４のいずれかが満たされ、モードアップが行われる。これに対し、図３に示す例のように、負荷１Ａの負荷抵抗が大きい場合、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの振幅が大きくても、負荷１Ａに大きな負荷電流が流れず、チャージポンプ２が出力する正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢの絶対値の低下は少ない。従って、負荷１Ａの負荷抵抗が小さい場合に比べて、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの振幅が大きくならないと、モードアップ条件が満たされず、モードアップが行われない。

このようにモードアップ条件が満たされるときの増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの振幅は、チャージポンプ２を構成する素子の製造ばらつき、チャージポンプ２に対する電源電圧の変動、温度、負荷１Ａの負荷抵抗に依存する。

従って、モードダウンに関する判定に用いる閾値電圧Ｖｄｗｎが大きいと、チャージポンプ２を構成する素子の製造ばらつき、チャージポンプ２に対する電源電圧の変動、温度または負荷１Ａの負荷抵抗によっては、モードダウン後の正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢまたはそれらと増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴとの関係がモードアップ条件１〜４のいずれかを満たし、モードアップが行われることとなる。この場合、Ｇ級増幅器では、チャージポンプ２のモードアップとモードダウンが交互に繰り返され、モードアップ時またはモードダウン時の正電源電圧＋ＶＢおよび負電源電圧−ＶＢの急激な変化が負荷１Ａであるヘッドホンに伝搬し、ノイズとして放音される。

このような不具合の発生を避けるためには、モードダウン後においてモードアップ条件１〜４のいずれかが満たされることのないように、チャージポンプ２を構成する素子の製造ばらつき、チャージポンプ２に対する電源電圧の変動、温度、負荷１Ａの負荷抵抗等のすべての要素を考慮し、モードダウンに関する判定に用いる閾値電圧Ｖｄｗｎを十分に小さな電圧にする必要がある。

しかしながら、モードダウンに関する判定に用いる閾値電圧Ｖｄｗｎを小さな電圧にすると、本来ならばモードダウンを行っても出力電圧ＶＯＵＴの波形歪が生じないのにモードダウンが行われず、ミドルパワーモードの継続時間が無駄に長くなり、消費電力が大きくなるという問題が生じる。

例えば図２および図３を対比すれば明らかなように、負荷１Ａの負荷抵抗が小さい場合にモードアップが発生する出力電圧ＶＯＵＴの振幅（図２）に比べて、負荷１Ａの負荷抵抗が大きい場合にモードアップが発生する出力電圧ＶＯＵＴの振幅（図３）は大きくなる。従って、上述したモードアップとモードダウンの繰り返しが発生しないようにするために、負荷１Ａの負荷抵抗が小さい場合にモードアップが発生する出力電圧ＶＯＵＴの振幅（図２）よりも僅かに低い絶対値となるように閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎを設定することが考えられる。このように閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎを設定し、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴが＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎの範囲内の電圧値を所定時間以上継続して維持した場合にモードダウンを行うと、負荷１Ａの負荷抵抗が小さい場合および負荷１Ａの負荷抵抗が大きい場合の両方において、モードダウン後、直ちにモードアップが行われる現象が回避される。

しかしながら、このように閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎを設定すると、負荷１Ａの負荷抵抗が大きい場合（図３）に、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴの振幅がモードアップ時の出力電圧ＶＯＵＴの振幅よりも十分に小さく、モードダウンを行っても上述したモードアップとモードダウンの繰り返しが起こらない状態になっているにも拘わらず、モードダウンが行われず、大きな電力が無駄に消費される期間ＴＬが発生する。

そこで、本実施形態では、図４に例示するように、モードアップ時の増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴを求め、このモードアップ時の出力電圧ＶＯＵＴよりも僅かに小さい絶対値を持った閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎを設定し、ミドルパワーモードにおいて出力電圧ＶＯＵＴが＋Ｖｄｗｎ〜−Ｖｄｗｎの範囲内の電圧値を所定時間以上継続して維持した場合にミドルパワーモードからローパワーモードへのモードダウンを行うようにしているのである。

本実施形態によれば、チャージポンプ２を構成する素子の製造ばらつき、チャージポンプ２に対する電源電圧の変動、温度、負荷１Ａの負荷抵抗等の影響により、モードアップの発生する増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴが変化しても、そのモードアップ時の出力電圧ＶＯＵＴに応じた適切な閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎがモードダウンに関する判定のために設定される。従って、本実施形態によれば、モードアップとモードダウンの繰り返しを回避しつつ、モードダウンに関する判定のための適切な閾値電圧＋Ｖｄｗｎおよび−Ｖｄｗｎを設定し、ミドルパワーモードが無駄に継続されるのを回避し、消費電力を低減することができる。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、これ以外にも、この発明には他の実施形態が考えられる。例えば次の通りである。

（１）上記実施形態では、Ｇ級増幅器の電源として、ローパワーモードおよびミドルパワーモードの２つの昇圧モードを有するチャージポンプを用いた。しかし、この発明による電源制御回路は、３つ以上の昇圧モードを有するチャージポンプを電源として備えたＧ級増幅器に適用してもよい。例えばチャージポンプがローパワーモード、ミドルパワーモードおよびハイパワーモードを有する場合、電源制御回路は、ローパワーモードからミドルパワーモードへのモードアップ時の増幅部の出力電圧に基づいてミドルパワーモードからローパワーモードへのモードダウンの条件となる閾値電圧を設定すればよい。また、電源制御回路は、ミドルパワーモードからハイパワーモードへのモードアップ時の増幅部の出力電圧に基づいてハイパワーモードからミドルパワーモードへのモードダウンの条件となる閾値電圧を設定すればよい。

（２）上記実施形態では、モードアップ条件１〜４のいずれかが満たされた場合にモードアップを行ったが、モードアップ条件１および３を省略し、モードアップ条件２または４のいずれかが満たされたときにモードアップを行うようにしてもよい。あるいはモードアップ条件２および４を省略し、モードアップ条件１または３のいずれかが満たされたときにモードアップを行うようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴに基づいてチャージポンプ２が発生する正電源電圧＋ＶＢおよび−ＶＢを切り換えるようにした。しかし、そのようにする代わりに、例えばローパワーモード用の正電源電圧＋ＶＢ１＝＋ＶＤＤ／２および負電源電圧−ＶＢ１＝−ＶＤＤ／２と、ミドルパワーモード用の正電源電圧＋ＶＢ２＝＋ＶＤＤおよび負電源電圧−ＶＢ２＝−ＶＤＤとを発生するチャージポンプを設け、増幅部１の出力電圧ＶＯＵＴに基づいて、正電源電圧＋ＶＢ１および負電源電圧−ＶＢ１の組または正電源電圧＋ＶＢ２および負電源電圧−ＶＢ２の組のいずれを増幅部１に供給するかを切り換えるようにしてもよい。

（４）上記実施形態では、増幅部１の電源としてチャージポンプを使用したが、チャージポンプ以外の電源を使用してもよい。

１…増幅部、１Ａ…負荷、２…チャージポンプ、３，３Ａ…電源制御回路、３１１，３１４，３２１，３２４，３３１，３３２，３８０…コンパレータ、３１２，３２２，３４７，３４８…抵抗、３１３，３２３…定電流源、３３０…逐次比較型Ａ／Ｄ変換部、３４０…Ｄ／Ａ変換部、３５０…データ更新制御部、３６１〜３６５…スイッチ、３７１，３７２…キャパシタ、３４１〜３４３…Ｐチャネルトランジスタ、３４５，３４６…Ｎチャネルトランジスタ、３４４…可変電流源、３０１…モード制御部。

Claims (4)

1. 増幅部の出力電圧または電源電圧に応じて、前記増幅部の電源電圧を現状より高い電源電圧に切り換えるモードアップを行うとともに、前記増幅部の出力電圧の大きさが所定時間以上に亙って閾値電圧を下回った場合に前記増幅部の電源電圧を現状より低い電源電圧に切り換えるモードダウンを行うモード制御手段と、
   前記モードアップが行われたときの前記増幅部の出力電圧を保持し、この保持した出力電圧に基づいて前記閾値電圧を設定する閾値設定手段と
   を具備することを特徴とする電源制御回路。
2. 前記増幅部は、正電源電圧および負電源電圧の供給を受け、前記出力電圧として、正および負の出力電圧を出力するものであり、
   前記モード制御手段は、前記増幅部の出力電圧が前記正電源電圧または前記負電源電圧に対して所定限度を越えて接近した旨の条件を含む１または複数の条件のいずれかが満たされた場合に前記モードアップを行うことを特徴とする請求項１に記載の電源制御回路。
3. 前記増幅部は、正電源電圧および負電源電圧の供給を受け、前記出力電圧として、正および負の出力電圧を出力するものであり、
   前記モード制御手段は、前記正電源電圧または前記負電源電圧の絶対値が所定値を下回った旨の条件を含む１または複数の条件のいずれかが満たされた場合に前記モードアップを行うことを特徴とする請求項１または２に記載の電源制御回路。
4. 前記閾値設定手段は、前記モードアップが行われたときの前記増幅部の出力電圧よりも所定量だけ絶対値の小さい電圧を前記閾値電圧として設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の電源制御回路。
   

Images