WO2019235061A1

WO2019235061A1 - 電源装置及び電源供給方法

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Publication number: WO2019235061A1
Application number: PCT/JP2019/015758
Authority: WO
Inventors: 学山中
Original assignee: ソニー株式会社
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2019-12-12

Abstract

入力信号を補正する信号処理部と、信号処理部で補正された入力信号で電源を変調する電源変調部と、電源変調部で変調された電源で入力信号を増幅し、負荷に供給する電力増幅部と、を備えた電源装置である。

Description

電源装置及び電源供給方法

　本開示は、電源装置及び電源供給方法に関する。

　各種機器の制御に使用する信号、あるいは、音響信号、映像信号に対して増幅を行う電源装置が知られている。特許文献１には、入力信号の大きさに応じて電源電圧を制御し、効率向上を図った増幅器が開示されている。

特開昭５１－４４８５７号公報

　このような分野では、増幅後の出力信号の品質向上を図る、あるいは、所望の特性とすることが望まれている。

　本開示は、増幅後の出力信号の品質向上を図ること、あるいは、所望の特性を実現する電源装置及び電源供給方法を提供することを目的の一つとする。

　本開示は、例えば、
　入力信号を補正する信号処理部と、
　前記信号処理部で補正された入力信号で電源を変調する電源変調部と、
　前記電源変調部で変調された電源で入力信号を増幅し、負荷に供給する電力増幅部と、
を備える
　電源装置である。

　本開示は、例えば、
　入力信号に補正を行い、
　補正された入力信号で電源を変調し、
　変調された電源で入力信号を増幅し、負荷に供給する
　電源供給方法である。

　本開示の少なくとも一つの実施形態によれば、増幅後の出力信号の品質向上を図る、あるいは、所望の特性を実現することが可能となる。ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれの効果であっても良い。また、例示された効果により本開示の内容が限定して解釈されるものではない。

図１は、第１の比較例について電源装置の構成を示す図である。図２は、第２の比較例について電源装置の構成を示す図である。図３は、本実施形態について電源装置の構成を示すブロック図である。図４は、本実施形態について電源装置の詳細な構成を示すブロック図である。図５は、本実施形態の電源装置の静特性例を示す図である。図６は、本実施形態の電源装置の動特性例を示す図である。図７は、本実施形態の電源装置の動作例を示す図である。図８は、動電型素子、静電型素子のインピーダンス周波数特性を示す図である。

　以下、本開示の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
＜１．比較例の説明＞
＜２．本開示の実施形態＞
＜３．変形例＞
　以下に説明する実施形態等は本開示の好適な具体例であり、本開示の内容がこれらの実施形態に限定されるものではない。

＜１．比較例の説明＞
　図１は、第１の比較例について電源装置２の構成を示す図である。電源装置２は、負荷３に対して電力を供給するための装置である。トランスデューサやアクチュエータ等、負荷３における感度、インピーダンスには周波数特性があり、所望の帯域で所望の振幅を得るには、それらに見合った駆動電圧（電流駆動の場合は駆動電流）以上の電源電圧（電流駆動の場合は電流）が必要になる。

　そのため、図１に示す電源装置２は、信号処理部２１、減算器２４、電力増幅部２５を有して構成されている。信号処理部２１には、増幅の対象となる信号、信号に対する利得（倍率ともいう）が入力される。信号処理部２１では、設定される利得を参照し、信号に対して周波数特性補正を行う。信号処理部２１で補正された信号は、減算器２４に入力される。減算器２４では、電力増幅部２５から出力される信号が減算され、電力増幅部２５に入力される。電力増幅部２５では、供給される電源によって、減算器２４からの出力信号が増幅され、負荷３に供給される。このように電源装置２では、電力増幅部２５から出力される信号を減算器２４にフィードバックさせることで、閉ループが形成された構成となっている。なお、閉ループ構成に限られるものではなく、開ループ構成を採用することとしてもよい。

　電源装置２の負荷３となるトランスデューサやアクチュエータの感度やインピーダンスには周波数特性を有する。そのため負荷３において、所望の帯域で音圧や振幅を得るためには、それらに見合った駆動電圧（電流駆動の場合は駆動電流）以上の電源電圧（電流）が必要になる。以下、電圧駆動の場合を例に取って説明する。

　例えば、容量性が支配的で感度が周波数に大きく依存する静電系のトランスデューサ（負荷３）に対して、感度の周波数特性が平坦である事を想定した比較例１の電源装置２では、過剰な電圧が印加され、電力損失が定常的に大きくなってしまう。この電力損失は直線増幅器（ＣＬＡＳＳ－Ａ，Ｂ）で顕著であるが、スイッチングにより高効率化したＣＬＡＳＳ－Ｄにおいても貫通電流等による損失が電源電圧へ依存するために軽負荷時の効率を圧迫することとなり、本来の訴求点である低消費電力化を阻害してしまう。

　図２は、第２の比較例について電源装置２の構成を示す図である。図２に示す電源装置２は、信号処理部２１、遅延部２２、電源変調部２３、減算器２４、電力増幅部２５を有して構成されている。信号処理部２１には、増幅の対象となる信号、信号に対する利得（倍率ともいう）が入力される。信号処理部２１では、電力増幅部２５（遅延部２２）に対する出力について設定されている利得を参照して、入力信号に対して周波数特性補正を行う。また、信号処理部２１では、電源変調部１３への出力として、設定されている利得を参照して、入力信号に対して包絡線解析を行い、電力増幅部２５へ供給すべき最低限の電源電圧を指令する。信号処理部２１で補正、及び、生成された信号は、それぞれ遅延部２２、及び、電源変調部２３に入力される。

　遅延部２２は、電源変調部２３での遅延を補償するため、信号処理部２１で補正された信号を所定時間遅延させる。遅延部２２から出力される信号は、減算器２４に入力される。減算器２４では、電力増幅部２５から出力される信号が減算され、電力増幅部２５に入力される。電源変調部２３は、供給される電源を、信号処理部２１で生成された信号で変調させ、電力増幅部２５に供給する。電力増幅部２５では、電源変調部２３で変調された電源によって、減算器２４からの出力信号が増幅され、負荷３に供給される。このように第１の比較例と同様、電源装置２では、電力増幅部２５から出力される信号を減算器２４にフィードバックさせることで、閉ループが形成された構成となっている。

　このように、第２の比較例における電源装置２は、入力信号の包絡特性に追従させて、電源電圧を可変させることとしている。このような形態において、最終出力の周波数特性を平坦にするためには電力増幅部２５に入力信号に対して等価器等で感度補正を行うことになるが、感度の高い周波数帯ほど中間信号の振幅を小さくすることになる。例として、－２０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ　で３ｄｅｃａｄｅ分を補正する場合、最大補正量は－６０ｄＢとなり補正量の大きな帯域でダイナミックレンジ或いは分解能を大幅に失ってしまうことになる。

　また、負荷３、あるいは、電源装置２の出力対入力の周波数特性が、条件や信号等により静的又は動的に変化する場合において、これらを一定の特性とみなして処理する場合は、最悪条件で不足が生じないように冗長的な電源電圧又は電流を印加する場合は、効率に不足が生じて歪等を発生するリスクが生じることになる。

＜２．本開示の実施形態＞
　本実施形態の電源装置は、制御対象とする全周波数帯域において信号品質（分解能・ダイナミックレンジなど）を落とすことなく、最終出力の周波数特性の制御と効率改善を行うことを目的としている。そのため、電力増幅部に印加する電源を、設定利得、及び入力信号の周波数（既知情報、或いは、短時間周波数解析等で得た情報による）、負荷や電力増幅部の感度の周波数特性等から求めた所要値に追従させ、入力信号のスケールは変えずに電力増幅部に入力させることとしている。

　図３、図４は、本実施形態について電源装置１の構成を示すブロック図である。図４は、図３中の各種ブロックについて、その中を詳細に示した例である。本実施形態の電源装置１は、信号処理部１１、遅延部１２、電源変調部１３、電力増幅部１４、負荷特性検出部１５を有して構成されている。

　信号処理部１１には、増幅の対象となる信号、信号に対する利得（倍率ともいう）が入力される。信号処理部１１では、設定された利得、入力信号の周波数解析結果、負荷特性検出部１５から出力される負荷特性を参照し、入力信号に対して静特性補正、あるいは、動特性補正の少なくとも一方を行う。補正された信号は電源変調部１３に入力される。電源変調部１３では、入力される電源を、信号処理部１１で補正された信号で変調する。電源変調部１３における変調は、例えば、図４に示されるように、乗算器１３ａで、電源に対して補正された信号を乗算することで行われる。

　本実施形態では、第１、第２の比較例とは、信号処理部１１で補正された信号を増幅の対象としていない点において異なっている。入力信号は、遅延部１２において、信号処理部１１、電源変調部１３の遅延時間、遅延された後、電力増幅部１４に入力される。なお、信号処理部１１、電源変調部１３における遅延時間が小さい等、所定条件を満たす場合には、遅延部１２は省略することも可能である。図４に示される詳細例では、電力増幅部１４にＤ級電力増幅器を使用している。

　電力増幅部１４は、遅延部１２から入力された信号をＰＷＭ変調器１４ａ（パルス幅変調器）にて、パルス幅信号に変換し、パルス幅信号を使用して、電源変調部１３で変調された電源をスイッチング素子１４ｂ、１４ｃをオン／オフ制御する。例えば、パルス幅信号がハイレベルの場合にスイッチング素子１４ｂをオン状態とし、スイッチング素子１４ｃをオフ状態とする。一方、パルス幅信号がローレベルの場合にスイッチング素子１４ｂをオフ状態とし、スイッチング素子１４ｃをオン状態とする。スイッチング素子１４ｂ、１４ｃには、電源変調部１３で変調された電源が接続されており、コイル１４ｄとコンデンサ１４ｅで構成されるローパスフィルタを介して出力される。なお、本実施形態では、電力増幅部１４にＰＷＭ変調器１４ａを使用する形態を採用しているが、電力増幅部１４は、電力を増幅できる形態であれば、ＰＤＭ変調器（パルス密度変調器）を使用する等、各種形態を採用することが可能である。

　本実施形態では、電力増幅部１４には、負荷特性検出部１５が接続されている。また、負荷特性検出部１５の後段には、電力印加対象となる負荷３が接続されている。図４では、負荷３を１の負荷素子３ａで簡略化して示している。図４に示される詳細例では、負荷特性検出部１５は、電流計１５ａ、電圧計１５ｂで構成されており、負荷３のインピーダンスをリアルタイムで測定することが可能となっている。なお、負荷特性検出部１５では、負荷の特性として、インピーダンスのみならず、負荷３の過渡特性等、各種特性を測定することとしてもよい。負荷特性検出部１５で測定された負荷３の各種特性は、信号処理部１１に出力され、静特性補正（感度の周波数特性などに対する補正）、あるいは、動特性補正（立ち上がり、立ち下がりなどに対する補正）に使用される。なお、本実施形態では負荷特性検出部１５を設けて負荷３の各種特性を測定しているが、このような形態に限らず、予め測定された負荷３の特性を信号処理部１１に記憶させておき、負荷特性を考慮した各種補正を行うことで、負荷特性検出部１５を設けない構成としてもよい。

　以上のような構成により、電力増幅部１４に入力する信号は、全帯域で元の信号品質（分解能など）を維持することが可能となる。特に、補正量の大きい帯域において、信号品質を維持することが可能となる。また、電力増幅部１４から出力される信号品質は、電源変調部１３、あるいは、開ループで動作させる電力増幅部１４の品質の影響を受けながらも、総合的に改善することが可能となる。なお、電源変調部１３や開ループで動作させる電力増幅部１４については、各々における他の改善策を併用することも可能である。

　図５は、本実施形態の電源装置１の静特性例を示す図である。横軸は負荷３に印加される信号の周波数、縦軸は負荷３における感度を示している。補正前の静特性（周波数特性）は、右上がりであるのに対し、信号処理部１１において補正を行うことで、感度（あるいはインピーダンス）の周波数特性を平坦にすることが可能である。なお、静特性に関する補正としては、周波数特性以外の補正や、補正以外の特性操作（効果付与）とすることも可能である。

　図６は、本実施形態の電源装置１の動特性例を示す図である。図６において示される各種図は、横軸を時間、縦軸を包絡線の振幅としている。図６（ａ）は入力信号の包絡線（入力振幅包絡線）であり、図６（ｂ１）は、補正を行わない場合における出力信号の包絡線（出力振幅包絡線）となっている。この例では、過渡応答特性を平坦に補正することを目的として、信号処理部１１において、図６（ｂ２）で示される補正を行うことで、補正結果としての出力振幅包絡線は、図６（ｂ１）と図６（ｂ２）の和としての図６（ｂ３）として出力されることになる。なお、動特性に関する補正としては、過渡応答性以外の補正や、補正以外の特性操作（効果付与）とすることも可能である。

　図７は、本実施形態の電源装置１の動作例を示す図である。入力信号の周波数が時間と共に変化する単一信号の場合、信号処理部１１において短時間周波数分析等を行うことで入力信号の周波数を検出することが可能である。入力信号の周波数が既知である場合は、その情報を信号処理部１１に入力してもよく、周波数検出は他の方法を使用してもよい。信号処理部１１では、このように得た入力信号の周波数を元に、静特性補正、動特性補正等から、必要な電源電圧を逐次計算して電源変調部１３に出力する。電源変調部１３で変調された電源電圧は、開ループの電力増幅部１４で増幅され所望の振幅の出力を得る。

　図７の例における各周波数（ｆ１，ｆ２，ｆ３）において必要とされる電源電圧は、図５の静特性に対応している。なお、図７の縦軸は、電圧となっているが、図５の縦軸の感度と同様の指標として読み替えることが可能である。図５の静特性中、負荷３の補正前の感度曲線（実線）の逆特性である信号処理部１１の感度曲線（破線）の周波数ポイント（ｆ１，ｆ２，ｆ３）に呼応した感度（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）となっている。例えば、図７中、負荷３の補正前の感度が一番高いｆ３となる時刻ｔ３以降では、必要とされる電源電圧（Ｓ３）が一番低くなっている。なお、図７の例では正負電源の場合となっているが、単電源（正あるいは負）を使用してもよい。例えば、正の単電源の場合、図７中、正の電圧部分がこれに相当することになる。

＜３．変形例＞
　図３、図４で説明した本開示の実施形態では、負荷特性検出部１５を設けた形態となっているが、負荷特性検出部１５は、必ずしも常時設ける必要はなく、一時的に設ける、又は外部に用意することで、各種環境変化、あるいは、入力信号の特性に対応する負荷３の特性を測定し、信号処理部１１に負荷特性を送出することとしてもよい。負荷特性検出部１５による負荷特性の測定後は、負荷特性検出部１５を取り外して使用することが可能である。

　本開示の電源装置１を使用することで優れた効果が期待できる負荷３の例としては、リアクタンス性の強いトランスデューサやアクチュエータが挙げられる。図８は、動電型素子、静電型素子のインピーダンス周波数特性を示す図である。図中、破線で動電型のインピーダンス周波数特性の絶対値が示されており、実線で静電型素子のインピーダンス周波数特性の絶対値が示されている。なお、ここで使用する静電型素子は、容量性のものであるが、誘導性についても同様の傾向を示すインピーダンス周波数特性が形成される。

　動電型素子のインピーダンスの絶対値は、周波数が高くなるにつれて、緩やかに大きくなっている。それに対し、静電型素子のインピーダンスの絶対値は、周波数が高くなるにつれて急峻に小さくなるリアクタンス性の強い特性となっている。本開示の電源装置１は、特に、薄型等のトランスデューサ等、リアクタンス性の強い静電型素子に適用する場合、その特質を利用して機能・意匠を訴求するとともに、バッテリー運用可能時間の延長や、小型化等による高付加価値を付帯させることが可能となる。また、本開示の電源装置１を使用することで優れた効果が期待できる電力増幅部１４の例としては、オーディオアンプ、加振アンプ、モータドライバ等が該当し、パラメトリックスピーカー、超音波加工、超音波計測、ハプティクス、ロボティクス等への応用を想定することが可能である。特に、圧電・静電系のモータの位置決めや、同じく圧電・静電系の触感呈示素子などの駆動において高精度、高効率化を図ることが可能である。なお、本開示の電源装置１に適した素子としては、所定のインピーダンス周波数特性であればよく、図８に開示するように、周波数が高くなるにつれて急峻にインピーダンスの特性が小さくなる形態のみならず、周波数が高くなるにつれてインピーダンス特性が小さくなる形態であればよく、容量性、誘導性のどちらであってもよい。

　また、本開示の電源装置１を使用することで、従来のように、電力増幅部に印加する電源電圧を常に最大電圧に固定する場合に比較して、潜在的なリスクの低減、及び保護システムの簡素化を図ることが可能となる。

　本開示は、装置、方法等、各種形態で実現することが可能である。また、各実施形態、変形例で説明した事項は、適宜組み合わせることが可能である。

　本開示は、以下の構成を採用することができる。
（１）
　入力信号を補正する信号処理部と、
　前記信号処理部で補正された入力信号で電源を変調する電源変調部と、
　前記電源変調部で変調された電源で入力信号を増幅し、負荷に供給する電力増幅部と、
を備える
　電源装置。
（２）
　前記信号処理部は、前記負荷の特性に基づいて、入力信号を補正する
　（１）に記載の電源装置。
（３）
　前記負荷の特性を検出する負荷特性検出部を備える
　（２）に記載の電源装置。
（４）
　前記信号処理部は、設定された利得に基づいて、入力信号を補正する
　（１）から（３）の何れか１つに記載の電源装置。
（５）
　前記信号処理部は、入力信号の周波数に基づいて、入力信号を補正する
　（１）から（４）の何れか１つに記載の電源装置。
（６）
　前記信号処理部は、入力信号に対して静特性補正もしくは動特性補正の少なくとも一方を行う
　（１）から（５）の何れか１つに記載の電源装置。
（７）
　前記電力増幅部に入力される入力信号を遅延させる遅延部を備える
　（１）から（６）の何れか１つに記載の電源装置。
（８）
　前記電源変調部は、前記信号処理部で補正された入力信号を電源に乗算する乗算器を有する
　（１）から（７）の何れか１つに記載の電源装置。
（９）
　電源の供給対象となる前記負荷は、所定のインピーダンス周波数特性を有する負荷である
　（１）から（８）の何れか１つに記載の電源装置。
（１０）
　入力信号に補正を行い、
　補正された入力信号で電源を変調し、
　変調された電源で入力信号を増幅し、負荷に供給する
　電源供給方法。

１：電源装置　　　　　　　　　１４ａ：ＰＷＭ変調器
３：負荷　　　　　　　　　　　１４ｂ、１４ｃ：スイッチング素子
３ａ：負荷素子　　　　　　　　１４ｄ：コイル
１１：信号処理部　　　　　　　１４ｅ：コンデンサ
１２：遅延部　　　　　　　　　１５：負荷特性検出部
１３：電源変調部　　　　　　　１５ａ：電流計
１３ａ：乗算器　　　　　　　　１５ｂ：電圧計
１４：電力増幅部

Claims

　入力信号を補正する信号処理部と、
　前記信号処理部で補正された入力信号で電源を変調する電源変調部と、
　前記電源変調部で変調された電源で入力信号を増幅し、負荷に供給する電力増幅部と、
を備える
　電源装置。
　前記信号処理部は、前記負荷の特性に基づいて、入力信号を補正する
　請求項１に記載の電源装置。
　前記負荷の特性を検出する負荷特性検出部を備える
　請求項２に記載の電源装置。
　前記信号処理部は、設定された利得に基づいて、入力信号を補正する
　請求項１に記載の電源装置。
　前記信号処理部は、入力信号の周波数に基づいて、入力信号を補正する
　請求項１に記載の電源装置。
　前記信号処理部は、入力信号に対して静特性補正もしくは動特性補正の少なくとも一方を行う
　請求項１に記載の電源装置。
　前記電力増幅部に入力される入力信号を遅延させる遅延部を備える
　請求項１に記載の電源装置。
　前記電源変調部は、前記信号処理部で補正された入力信号を電源に乗算する乗算器を有する
　請求項１に記載の電源装置。
　電源の供給対象となる前記負荷は、所定のインピーダンス周波数特性を有する負荷である
　請求項１に記載の電源装置。
　入力信号に補正を行い、
　補正された入力信号で電源を変調し、
　変調された電源で入力信号を増幅し、負荷に供給する
　電源供給方法。