JP2009512333A

JP2009512333A - デジタルオーディオ信号増幅器及びこれに適したデジタルオーディオ信号増幅方法

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Publication number: JP2009512333A
Application number: JP2008535471A
Authority: JP
Inventors: ムン，ビョン−ミン
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2026-10-24
Also published as: US20080252370A1; US7952426B2; CN101278477A; CN101278477B; WO2007049898A1; JP5415765B2; KR101128520B1; KR20070044283A

Abstract

デジタルオーディオ信号増幅器及びこれに適したデジタルオーディオ信号増幅方法を提供する。入力オーディオ信号をパルス変調して、パルス変調されたオーディオ信号を発生させるパルス変調部と、パルス変調されたオーディオ信号に基づいて、直流電圧をスイッチングするスイッチング部と、スイッチング部の出力を変成して出力する絶縁トランスと、絶縁トランスの出力を低域通過フィルタリングして、オーディオ信号に相応する出力オーディオ信号を出力する低域通過フィルタと、を備えるデジタルオーディオ信号増幅器。これにより、スイッチングモードパワーサプライとデジタルオーディオ信号増幅器とを一つに統合することにより、絶縁要件を満たしつつも電力効率を高めることができる。

Description

本発明はデジタルオーディオ信号増幅器に係り、さらに詳細には、スイッチングモードパワーサプライとデジタルオーディオ信号増幅器とを一つに統合することにより、ユーザーの安全のための絶縁要件を満たしつつも電力効率を高めることができるデジタルオーディオ信号増幅器及びこれに適したデジタルオーディオ信号増幅方法に関する。

一般的にデジタルオーディオシステムは、商用交流電圧から直流電圧を発生させる直流電圧供給部と、直流電圧をオーディオ信号を利用してパルス変調し、パルス変調された直流電圧を低域通過フィルタリングして入力されたオーディオ信号に相応する出力オーディオ信号を得るデジタルオーディオ信号増幅器と、を備える。デジタルオーディオ信号増幅器の出力はスピーカーに提供される。

ここで、ユーザーの安全のために、直流電圧供給部は、商用交流電圧とデジタルオーディオ信号増幅器とを絶縁させる機能を持つように要求されている。したがって、これに合わせるために、直流電圧供給部として絶縁トランスを持つスイッチングモードパワーサプライ（ＳＭＰＳ）が主に使われている。一方、デジタルオーディオ信号増幅器としては、出力電力の増強のためにＤ級デジタルオーディオ信号増幅器が主に使われている。

図１は、従来のデジタルオーディオシステムの構成を示すブロック図である。図１に示したデジタルオーディオシステム１００は、ＳＭＰＳ１１０とＤ級デジタルオーディオ信号増幅器１３０とを備える。

ＳＭＰＳ１１０は、入力される商用交流電圧を、１次整流及び平滑部１１２を利用して直流電圧に変換し、直流電圧をパルス幅変調部１１４（ＰＷＭ変調部）で発生した数十Ｋｈｚ〜数百Ｋｈｚ、あるいはそれより速い周波数を持つパルス幅変調信号（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｉｆｉｅｄｓｉｇｎａｌ；以下、ＰＷＭという）により動作するスイッチング部１１６でスイッチングし、スイッチングされた直流電圧を適切な巻線比を持つ絶縁トランス１１８で変性し、そして、絶縁トランス１１８の出力を２次整流及び平滑部１２０を通じて整流して、直流電圧を出力する。また、図示されていないが、入力電源の変動や出力電流の変動に関係なく一定の直流電圧を出力するように、エラー信号を負帰還させてパルス変調信号の周波数、デューティ比などを調整する。

ここで、絶縁トランス１１８により１次側、すなわち、商用交流電圧と２次側、すなわち、デジタルオーディオ信号増幅器１３０とが絶縁される。また、絶縁トランス１１８の２次側から検出されるエラー信号も、フォトカプラー（図示せず）を通じて１次側のパルス幅変調部１１４に帰還させることによって、十分な絶縁がなされるようにしている。

一方、Ｄ級デジタルオーディオ信号増幅器１３０は、ＳＭＰＳ１１０から供給される直流電圧を、パルス幅変調部１３２で発生したパルス幅変調されたオーディオ信号（ＰＷＭオーディオ信号）によりＤ級出力端１３４でスイッチングし、そして、スイッチングされた直流電圧を、低域通過フィルタ１３６を通じて低域通過フィルタリングして、元来のオーディオ信号に相応する出力オーディオ信号を発生させる。出力オーディオ信号はスピーカーに提供される。一方、図示されていないが、オーディオ出力を安定化させるために絶縁トランス１１８の出力から負帰還信号を発生させて、パルス幅変調部１１４のパルス変調動作を制御するようにしている。

図２は、図１に示したＤ級デジタルオーディオ信号増幅器１３０の動作を示すための波形図である。図２を参照するに、２０Ｋｈｚ以下の入力オーディオ信号により１８０Ｋｈｚ以上の三角波搬送波を変調することにより、ＰＷＭオーディオ信号が得られる。このＰＷＭオーディオ信号により直流電圧をスイッチングすることでスイッチングされた直流電圧が得られる。また、スイッチングされた直流電圧を低域通過フィルタリングすることにより出力オーディオ信号が得られる。図２に示したように、入力オーディオ信号と出力オーディオ信号とは互いに類似していることが分かる。

しかし、図１に示したような従来のデジタルオーディオシステムは、電力効率が低くてコストが高いという問題点がある。例えば、ＳＭＰＳ１１０の電力効率をＰ１とし、デジタルオーディオ信号増幅器の電力効率をＰ２とすれば、デジタルオーディオシステム１００の電力効率ＰｔはＰ１ｘＰ２になる。ここで、Ｐ１及びＰ２は１より小さな値であるため、ＰｔはＰ１及びＰ２より小さくなる。したがって、従来のデジタルオーディオシステム１００は低い電力効率を持たざるを得ないということが分かる。

一方、図１に示したＳＭＰＳ１１０及びデジタルオーディオ信号増幅器１３０を説明すれば、パルス幅変調部１１４、１３２が同じパルス幅変調動作を行っており、整流及び平滑部１１２、１２０も同じ整流動作を行っており、また、スイッチング部１１６とＤ級出力端１３４も同じスイッチング動作を行っていることが分かる。すなわち、同じ機能を行う部材が重複設置されていて、コストが無駄遣いになっていることが分かる。

本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、ＳＭＰＳとデジタルオーディオ信号増幅器とで重なる部材を除去することにより電力効率を増大させ、コストダウンできるデジタルオーディオ信号増幅器を提供することをその目的とする。

本発明の他の目的は、電力効率を増大させてコストダウンできるデジタルオーディオ信号増幅方法を提供することにある。

前記の目的を達成する本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器は、入力オーディオ信号をパルス変調して、パルス変調されたオーディオ信号を発生させるパルス変調部と、前記パルス変調されたオーディオ信号に基づいて、直流電圧をスイッチングするスイッチング部と、前記スイッチング部の出力を変成して出力する絶縁トランスと、前記絶縁トランスの出力を低域通過フィルタリングして、前記オーディオ信号に相応する出力オーディオ信号を出力する低域通過フィルタと、を備えることを特徴とする。

望ましくは、前記スイッチング部及び前記低域通過フィルタは、前記絶縁トランスの１次側及び２次側にそれぞれ設置され、前記パルス変調されたオーディオ信号をフォトカップリングして、前記スイッチング部に提供するフォトカプラーをさらに備える。

さらに他には、前記スイッチング部及び前記低域通過フィルタは前記絶縁トランスの１次側に設置され、前記入力オーディオ信号をフォトカップリングして前記パルス変調部に提供する第２フォトカプラーをさらに備える。

前記の他の目的を達成する本発明によるデジタルオーディオ信号増幅方法は、入力オーディオ信号をパルス変調して、パルス変調されたオーディオ信号を発生させるステップと、前記パルス変調されたオーディオ信号に基づいて、直流電圧をスイッチングしてスイッチングされた直流電源を発生させるステップと、前記スイッチングされた直流電源を絶縁トランスを通じて変成するステップと、前記絶縁トランスの出力を低域通過フィルタリングして、前記オーディオ信号に相応する出力オーディオ信号を出力するステップと、を含むことを特徴とする。

実験によれば、ＳＭＰＳとＤ級デジタルオーディオ信号増幅器とで構成する場合、消費電力が１３０Ｗａｔｔであるのに対し、本発明の場合には１１１Ｗａｔｔ、すなわち、１９Ｗａｔｔの消費電力低減効果を得ることができた。その結果、電磁波障害を防止するための各種フィルタ、交流電圧の整流のためのブリッジ整流器、平滑コンデンサーなどの電流レートを低める効果を加えれば、さらに低コストでデジタルオーディオ信号増幅器を製造できるようになる。

本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器は、スイッチングモードパワーサプライとデジタルオーディオ信号増幅器とを一つに統合することにより、絶縁要件を満たしつつも、電力効率を高めることができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の構成及び動作を詳細に説明する。

図３は、本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器の構成を示すブロック図である。図３に示したデジタルオーディオ信号増幅器３００は、整流及び平滑部３０２、パルス変調部３０４、スイッチング部３０６、絶縁トランス３０８、そして低域通過フィルタ（ＬＰＦ）３１０を備える。

整流及び平滑部３０２は、商用交流電圧を直流電圧に変換する。パルス変調部３０４は、入力オーディオ信号をパルス変調して、パルス変調されたオーディオ信号を得て、これをスイッチング部３０６に提供する。スイッチング部３０６は、パルス変調されたオーディオ信号により整流及び平滑部３０２で提供される直流電圧をスイッチングして、スイッチングされた直流電圧を発生させる。絶縁トランス３０８は、スイッチ部３０６で出力されるスイッチングされた直流電圧を変成して出力する。低域通過フィルタ３１０は、絶縁トランス３０６の出力を低域通過フィルタリングして、入力オーディオ信号に相応する出力オーディオ信号を出力する。出力オーディオ信号はスピーカーに提供される。

ここで、絶縁トランス３０８により商用交流電圧と低域通過フィルタ３１０とが絶縁される。

図３を参照するに、図１に示した従来のデジタルオーディオシステム１００に比べて、整流及び平滑部、パルス変調部、そしてスイッチング部が重なっているという問題点が解消されていることが分かる。これにより、電力効率及びコストが改善される。

図４は、本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器３００の望ましい実施形態を示す回路図である。図４に示した例によれば、パルス変調器３０４が絶縁トランス３０８の２次側に設けられ、パルス変調器３０４の出力であるＰＷＭオーディオ信号がフォトカプラー４１０を通じて絶縁トランス３０８の１次側に設置されたスイッチング部３０６に提供される。

図４において、参照符号４０２はヒューズ、４０４は電磁波障害（ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ＥＭＩ）を防止するためのフィルタ、４０６は信号線の間あるいはラインとシャーシとの間のノイズフィルタリングのためのコンデンサー、４０８は負帰還信号発生器、４１０はパルス変調部３０４で発生したパルス変調されたオーディオ信号をフォトカップリングするためのフォトカプラー、そして４１２は、フォトカプラー４１０の出力をスイッチング部３０６のスイッチングトランジスタ３０６ａ、３０６ｂを駆動させるに十分な程に増幅するゲートドライバである。

整流及び平滑部３０２は、ブリッジ整流器３０２ａ及び平滑コンデンサー３０２ｂを備える。スイッチング部３０６は、互いに相補的に動作するスイッチングトランジスタ３０６ａ、３０６ｂを備える。図４に示したスイッチング部３０６は、ハーフブリッジ方式のＤ級デジタルオーディオ信号増幅器に該当するスイッチング動作を行う。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、スイッチング部３０６がフルブリッジ方式のＤ級デジタルオーディオ信号増幅器に準ずるスイッチング動作を行うように構成することもできるということを理解せねばならない。

図５は、フルブリッジ方式のＤ級デジタルオーディオ信号増幅器の例を示すものである。

絶縁トランス３０８は電磁波障害を低減し、効率を高めるようにフェライトコアで作られる。

パルス変調器３０４は、積分回路３０４ａとシュミットトリガー３０４ｂとを備える。積分回路３０４ａは、オーディオ信号及び負帰還信号を積分し、そして、シュミットトリガー３０４ｂは積分回路３０４ａの出力により発振する。積分回路３０４ａ及びシュミットトリガー３０４ｂによりＰＷＭオーディオ信号が得られる。

図６は、図５に示したシュミットトリガー３０４ｂの動作を示す波形図である。シュミットトリガー３０４ｂは、二つのしきい電圧を持つ。例えば、入力電圧Ｖ_ｉｎが第１しきい電圧より大きくなれば、出力電圧Ｖ_ｏｕｔがロジック１になる。一旦、出力電圧Ｖ_ｏｕｔがロジック１になれば、入力電圧が第１しきい電圧と第２しきい電圧との間にある間にロジック１を維持する。入力電圧Ｖ_ｉｎが第２しきい電圧より小さくなれば、出力電圧Ｖ_ｏｕｔはロジック０に復帰する。

したがって、シュミットトリガー３０４ｂは、積分回路３０４ａの出力変化に相応するパルス幅変調された信号を出力することが分かる。

パルス変調部３０４から出力されるＰＷＭオーディオ信号は、フォトカプラー４１０を通じてゲートドライバ４１０に提供される。ゲートドライバ４１０は、フォトカプラー４１０の出力を、スイッチング部３０６のスイッチングトランジスタ３０６ａ、３０６ｂを駆動させるに十分な程に増幅させる。

スイッチング部３０６のスイッチング動作により、直流電圧はスイッチング、すなわち、パルス幅変調される。スイッチング部３０６の出力は、絶縁トランス３０８を通じて変成され、再び低域通過フィルタ３１０により低域通過フィルタリングされて出力オーディオ信号に変換される。

入力電源の変動及び出力電流の変動に関係なく、出力オーディオ信号が安定するように、負帰還信号発生器４０８が提供される。負帰還信号発生器４０８は、絶縁トランス３０８の出力から出力オーディオ信号の大きさに相応する負帰還信号を発生させる。負帰還信号発生器４０８は、例えば、抵抗器などで簡単に具現できる。

負帰還信号は積分回路３０４ａに提供される。積分回路３０４ａは、オーディオ信号及び負帰還信号を積分、すなわち、オーディオ信号と負帰還信号との合成信号を増幅させる。

出力オーディオ信号が安定した状態、すなわち、負帰還信号が一定の値を持つ状態で、入力電源の変動及び出力電流の変動により出力オーディオ信号のレベルが正常より高くなれば、負帰還信号が小さくなり、その結果、ＰＷＭオーディオ信号のデューティ比が小さくなる。これにより、スイッチングされた直流電圧のデューティ比も小さくなることで、出力オーディオ信号のレベルが低下する。

逆に、入力電源の変動及び出力電流の変動により出力オーディオ信号のレベルが正常より低くなれば、負帰還信号が大きくなり、その結果、ＰＷＭオーディオ信号のデューティ比が大きくなる。これにより、スイッチングされた直流電圧のデューティ比も大きくなることで、出力オーディオ信号のレベルが上昇する。

図７は、本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器の第１変形実施形態を示す回路図である。図７に示した例によれば、図４に示した望ましい実施形態のように、パルス変調器３０４が絶縁トランス３０８の２次側に設置され、パルス変調器３０４の出力であるＰＷＭオーディオ信号が、フォトカプラー４１０を通じて絶縁トランス３０８の１次側に設置されたスイッチング部３０６に提供される。しかし、図７に示した第１変形実施形態は、図４に示した望ましい実施形態でのシュミットトリガー３０４ｂの代りに比較器３０４ｃが使われているという点で異なる。

比較器３０４ｃは、積分回路３０４ａの出力と三角波搬送波とを比較してＰＷＭオーディオ信号を出力する。比較器３０４ｃの動作及びデジタルオーディオ信号増幅器３００の動作は、図２に示した波形図を参照して明確に理解できる。

図８は、本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器３００の第２変形実施形態を示す回路図である。図８に示した例によれば、図４に示した望ましい実施形態とは異なって、パルス変調器３０４が絶縁トランス３０８の１次側に設置され、入力オーディオ信号及び負帰還信号がフォトカプラー８０２、８０４それぞれを通じてパルス変調部３０４に提供される。これにより、オーディオ信号と負帰還信号との絶縁が達成される。

図９は、本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器３００の第３変形実施形態を示す回路図である。図９に示した例によれば、図８に示した第２変形実施形態のようにパルス変調器３０４が絶縁トランス３０８の１次側に設置され、入力オーディオ信号及び負帰還信号がフォトカプラー８０２、８０４それぞれを通じてパルス変調部３０４に提供される。

しかし、図９に示した第３変形実施形態は、図８に示した第２変形実施形態でのシュミットトリガー３０４ｂの代りに比較器３０４ｃが使われているという点で異なる。

本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器を使用すれば、ＳＭＰＳとＤ級デジタルオーディオ信号増幅器とで互いに重なるパルス幅変調部及びスイッチング部を簡略化できて、部品数の減少、コストダウン、そして設置空間の縮小などの効果を得ることができる。

一方、回路が簡単になって、それだけ信頼性が向上する効果が期待できる。

また、本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器を使用すれば、ＳＭＰＳの省略により電力効率が向上し、さらに、放熱のためのスペースを縮めることができる。

従来のデジタルオーディオシステムの構成を示すブロック図である。図１に示したＤ級デジタルオーディオ信号増幅器の動作を示すための波形図である。本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器の構成を示すブロック図である。本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器の望ましい実施形態を示す回路図である。フルブリッジ方式のデジタルオーディオ信号増幅器の例を示す図である。図５に示したシュミットトリガーの動作を示す波形図である。本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器の第１変形実施形態を示す回路図である。本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器の第２変形実施形態を示す回路図である。本発明によるデジタルオーディオ信号増幅器の第３変形実施形態を示す回路図である。

Claims

入力オーディオ信号をパルス変調して、パルス変調されたオーディオ信号を発生させるパルス変調部と、
前記パルス変調されたオーディオ信号に基づいて、直流電圧をスイッチングするスイッチング部と、
前記スイッチング部の出力を変成して出力する絶縁トランスと、
前記絶縁トランスの出力を低域通過フィルタリングして、前記オーディオ信号に相応する出力オーディオ信号を出力する低域通過フィルタと、を備えるデジタルオーディオ信号増幅器。
前記スイッチング部及び前記低域通過フィルタは、前記絶縁トランスの１次側及び２次側にそれぞれ設置され、
前記パルス変調されたオーディオ信号をフォトカップリングして、前記スイッチング部に提供するフォトカプラーをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記パルス変調部は、前記入力オーディオ信号をパルス幅変調することを特徴とする請求項２に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記パルス変調部は、
前記入力オーディオ信号を積分する積分回路と、
前記積分回路の出力によって発振するシュミットトリガーと、を備え、
ここで、前記積分回路及び前記シュミットトリガーにより、前記入力オーディオ信号をパルス幅変調することを特徴とする請求項３に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記絶縁トランスの出力から負帰還信号を発生させる負帰還信号発生器をさらに備え、
ここで、前記積分回路は、前記入力オーディオ信号及び前記負帰還信号を積分することを特徴とする請求項４に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記パルス変調部は、
前記入力オーディオ信号を積分する積分回路と、
前記積分回路の出力と三角波搬送波とを比較する比較器と、を備え、
ここで、前記積分回路及び前記比較器により、前記入力オーディオ信号をパルス幅変調することを特徴とする請求項３に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記絶縁トランスの出力から負帰還信号を発生させる負帰還信号発生器をさらに備え、
ここで、前記積分回路は、前記入力オーディオ信号及び前記負帰還信号を積分することを特徴とする請求項６に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記スイッチング部及び前記低域通過フィルタは、前記絶縁トランスの１次側に設置され、
前記入力オーディオ信号をフォトカップリングして前記パルス変調部に提供する第２フォトカプラーをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記パルス変調部は、前記第２フォトカプラーの出力をパルス幅変調することを特徴とする請求項８に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記パルス変調部は、前記第２フォトカプラーの出力を積分する積分回路と、
前記積分回路の出力により発振するシュミットトリガーと、を備え、
ここで、前記積分回路及び前記シュミットトリガーにより、前記入力オーディオ信号に相応するパルス幅変調されたオーディオ信号を得ることを特徴とする請求項９に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記絶縁トランスの出力から負帰還信号を発生させる負帰還信号発生器と、
前記負帰還信号をフォトカップリングして前記積分回路に提供する第３フォトカプラーと、をさらに備え、
ここで、前記積分回路は、前記第２フォトカプラーの出力及び前記第３フォトカプラーの出力を積分することを特徴とする請求項１０に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記パルス変調部は、
前記第２フォトカプラーの出力を積分する積分回路と、
前記積分回路の出力と三角波搬送波とを比較する比較器と、を備え、
ここで、前記積分回路及び前記比較器により、前記オーディオ信号に相応するパルス幅変調されたオーディオ信号を得ることを特徴とする請求項９に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記絶縁トランスの出力から負帰還信号を発生させる負帰還信号発生器と、
前記負帰還信号をフォトカップリングする第３フォトカプラーと、をさらに備え、
ここで、前記積分回路は、前記第２フォトカプラーの出力及び前記第３フォトカプラーの出力を積分することを特徴とする請求項１２に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記絶縁トランスはフェライトコアを持つことを特徴とする請求項１に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
交流電源を整流及び平滑させて前記直流電圧を提供する整流及び平滑部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
前記変調されたオーディオ信号のレベルを、前記スイッチング部を駆動させるのに十分な程度に増幅させるゲートドライバをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のデジタルオーディオ信号増幅器。
入力オーディオ信号をパルス変調して、パルス変調されたオーディオ信号を発生させるステップと、
前記パルス変調されたオーディオ信号に基づいて、直流電圧をスイッチングしてスイッチングされた直流電源を発生させるステップと、
前記スイッチングされた直流電源を絶縁トランスを通じて変成するステップと、
前記絶縁トランスの出力を低域通過フィルタリングして、前記オーディオ信号に相応する出力オーディオ信号を出力するステップと、を含むデジタルオーディオ信号増幅方法。