JPH08111615A - 電力増幅回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電源電圧の切替を高速に行なって消費電力の削
減、発熱の削減を行なう。 【構成】低周波電力増幅器１８に供給される電源電圧に
対する電圧切替手段３０が設けられる。電圧切替手段３
０には高圧電源制御用として高速電力スイッチング素子
Ｑｃ，Ｑｄが使用されると共に、電圧比較手段が設けら
れ、この電圧比較手段において、低圧電源と電力増幅器
１８の出力電圧との電圧比較によって高圧電源と低圧電
源が選択的に低周波電力増幅器１８に供給される。電力
増幅器１８の出力電圧が低圧の電源電圧ＶPLよりも高く
なる前に高圧電源ＶPHが電力増幅器１８に供給される。
これによって消費電力が削減され、発熱も減少するなど
の効果が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ミニコンポやＣＤラ
ジカセ、ステレオ装置などのオーディオ装置やオーディ
オ・ビデオ装置などに適用して好適な電力増幅回路、特
に電力損失を軽減できる電力増幅回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】ミニコンポやＣＤラジカセなどのオーデ
ィオ装置では、近年小型化が進む一方で高出力化の傾向
にある。出力を高めるには電力増幅器（パワーアンプ）
の電源電圧を高くする他、この電力増幅器に見合った容
量の大きな電源トランスや、パワーＩＣ，放熱器等を使
用すればよい。

【０００３】しかし、大容量トランスを使用するとコス
トアップを招来したり、高い電源電圧が電力増幅器や電
源トランスに印加されるため発熱量が多くなり、これに
伴って筐体内部の温度上昇に伴うメカニズムの動作不良
を起こしたり、素子の電気的特性が変化（劣化など）し
たりする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような問題を解決
するため、電力増幅器の出力電圧に注目し、出力電圧が
低いときは低い電源電圧を使用し、出力電圧が高いとき
には高い電源電圧を使用するように切り替え使用するこ
とが考えられる。例えば図６に示すように低周波信号の
出力電圧ＶOが低いとき（区間Ｌｂ）には低い電源電圧
ＶPL(２０ボルトぐらい）を動作電源として選択し、高
い出力電圧（区間Ｌａ）のときには高い電源電圧ＶPH
（４０〜４５ボルト）をその動作電源として選択する。

【０００５】このように出力電圧に応じて電源電圧を変
更できればトランスの大容量化を抑え、筐体内部の発熱
も抑制できる。これによって装置のコストダウンも図れ
る。電源電圧の切替手段としてはリレー装置などの機械
的なスイッチング手段を使用することができる。

【０００６】リレー装置を使用して電源電圧を切り換え
るときの切り替えタイミングを図７に示す。出力電圧Ｖ
Oが基準レベル±ＲＥＦを越えたときは（時点ａ）、こ
の時点ａでリレー装置が作動して電圧検出時点ａとほぼ
同時に低い電源電圧ＶPLから高い電源電圧ＶPHに切り替
えられる。

【０００７】しかし、リレー装置を切るときは動作作動
時のようには迅速に切り替えることができない。つまり
リレー装置への動作電圧を遮断しても、電圧遮断時点後
直ちにはリレーが作動しない。そのため、図７に示すよ
うにある時間τだけ遅れて作動するようになり、時点ｃ
になってから低い電源電圧ＶPHへと電源電圧が切り替え
られることになる。

【０００８】そのため、図８に示すように出力電圧ＶO
のレベルが断続的に変化し、その断続期間が上述したタ
イムラグτよりも短いようなとき、図８の例ではτ1〜
τ3のような断続期間であるときには、効果的に電源電
圧の切り替えを行なうことができなくなってしまう。し
たがって実際にこのリレー装置をオーディオ装置に搭載
したとしても、実効的な電源電圧の切り替えを行なうこ
とができず、発熱の問題、消費電力の問題は未解決のま
まとなる。

【０００９】そこで、この発明はこのような従来の課題
を解決したものであって、特に電源切り替え手段として
高速電力スイッチング素子を使用することによって出力
電圧に即応して電源電圧を切り替えることができるよう
にした電力増幅回路を提案するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、請求項１に記載したこの発明においては、低周波電
力増幅器に供給される電源電圧に対する電圧切替手段が
設けられ、この電圧切替手段には高圧電源制御用として
高速電力スイッチング素子が使用されると共に、電圧比
較手段が設けられ、この電圧比較手段において、低圧電
源と上記電力増幅器の出力電圧との電圧比較によって高
圧電源と低圧電源が選択的に上記低周波電力増幅器に供
給されるようになされたことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】図１に示す電力増幅回路１０にあって、点ｒの
電位Ｖｒが（６）式に示すように低い電源電圧ＶPLと基
準電圧ＶSとの差に等しくなるように出力電圧ＶOのレベ
ルが高くなると、このとき始めてトランジスタＱｅがオ
ンし、またトランジスタＱｃがオンする。

【００１２】したがって出力電圧ＶOがその電圧レベル
に至るまではトランジスタＱｃがオフとなっているか
ら、電力増幅器１８の電源電圧としては低い方の電源電
圧ＶPLが供給される。

【００１３】しかし、出力電圧ＶOが上述した電圧レベ
ルに至ると、トランジスタＱｅがオンし、これに伴って
トランジスタＱｃがオンする。そうすると、このトラン
ジスタＱｃを介して高い方の電源電圧ＶPHが電力増幅器
１８に印加され、電源電圧の切り替えが行なわれる。

【００１４】トランジスタＱｃがオンした後で出力電圧
ＶOが低下し始め、（６）式の値に近づくとトランジス
タＱｃがオフするから電源電圧は元の低い方の電源電圧
ＶPLに戻る。

【００１５】ここで電源電圧がＶPH側に切り替わると、
その時点から接続点ｒの電圧Ｖｒは（７）式のように、
電源電圧がＶPLからＶPHに変わる。そのため、今度はト
ランジスタＱｃがオフする接続点ｒの電圧レベルは、ト
ランジスタＱｅがオンする電圧レベルよりも高くなる。
これは（７）式右辺第２項の値が（６）式の右辺第２項
よりも大きくなるからである。したがって図３に示すよ
うにトランジスタＱｅのオンする出力電圧ＶOと、オフ
する出力電圧ＶOが異なってくる。これを電源切替手段
３０のヒステリシス特性と呼ぶ。

【００１６】電源電圧を高い方の電源電圧ＶPHに切り替
えるためのスイッチング素子としては高速電力スイッチ
ング素子を使用しているので、出力電圧のレベル変動に
正しく追従しながら電源電圧を切り替えることができ
る。

【００１７】

【実施例】続いて、この発明に係る電力増幅回路の一例
を上述したオーディオ装置の電力出力段に適用した場合
について、図面を参照して詳細に説明する。

【００１８】図１はこの発明をオーディオ装置の最終出
力段に設けられる電力増幅回路に適用した場合であっ
て、図はそのうちＲチャネルの構成を示す。この電力増
幅回路１０は電圧増幅器１４を有し、その入力端子１２
に供給された低周波信号（音声信号）が所定レベルまで
増幅される。電圧増幅器１４としては図のようにオペア
ンプ１６で構成された電圧アンプを使用することができ
る。

【００１９】電圧増幅器１４は２電源駆動方式であっ
て、端子１７（１７ａ，１７ｂ）より電圧の高い電源電
圧ＶPH（±ＶPH）が印加される。これは高出力アンプ
（１００〜１３０Ｗ程度）用であって、本例では４０〜
４５ボルトの動作電圧が使用される。

【００２０】電圧増幅器１４より出力された低周波信号
はさらに電力増幅器１８に供給される。この電力増幅器
１８は図のようにコンプリメンタリ接続された一対の電
力トランジスタＱａ，Ｑｂで構成され、その接続中点が
出力端子２０となる。出力端子２０には負荷となるＲチ
ャネル用のスピーカ（図示しない）が接続される。

【００２１】電力増幅器１８の電源も２電源方式であっ
て、端子２２（２２ａ，２２ｂ）を介して印加される電
源電圧ＶPLは上述した電源電圧ＶPHよりも低い電圧であ
る。この例では±２０ボルトに選ばれている。電源電圧
ＶPLに対する正負の電源路２８ａ，２８ｂ上には後述す
るように、電源電圧として高い方の電源電圧を使用した
ときの逆流阻止用のダイオード２４，２６が接続され
る。

【００２２】この発明では電力増幅器１８に対する電源
電圧として低圧の電源電圧ＶPLの他に、高圧の電源電圧
ＶPHによっても駆動される。そのため、電力増幅器１８
に対する電源路２７ａ，２７ｂ上には電源切替手段３０
が設けられる。

【００２３】まず、正側の高圧電源路２７ａと低圧電源
路２８ａとの間には高速電力スイッチング素子Ｑｃが接
続される。同じく負側の高圧電源路２７ｂと低圧電源路
２８ｂとの間には高速電力スイッチング素子Ｑｄが接続
される。高速で動作する電力スイッチング素子としては
パワーＭＯＳ・ＦＥＴなどを使用できる。

【００２４】これらスイッチング素子Ｑｃ，Ｑｄを制御
するために以下の構成が付加される。正側電源端子２２
ａと接地間には定電圧素子である定電圧ダイオード３２
と抵抗器３４の直列回路が接続されて接続中点ｐ１に対
し基準電圧が生成される。本例では定電圧ダイオードと
してツェナーダイオードが使用される。同様に、負側電
源端子２２ｂと接地間にも定電圧ダイオード３６と抵抗
器３８の直列回路が接続され、接続中点ｐ２に所定の基
準電圧が得られるように構成される。

【００２５】これら接続中点ｐ１，ｐ２と各スイッチン
グ素子Ｑｃ，Ｑｄとの間にはスイッチング素子として機
能するトランジスタＱｅ，Ｑｆが接続される。スイッチ
ング素子Ｑｃ，Ｑｄのゲートに接続された抵抗器４０，
４２，４４，４６はそれぞれ適切な制御用ゲート電圧を
得るための分圧用抵抗器である。

【００２６】一方、低圧電源路２８ａと低周波信号の出
力端子２０との間には直列接続された一対の抵抗器５
４，５６および５８，６０が接続され、一方の接続中点
ｒには正側出力電圧を検出するためのダイオード５０を
介して上述したトランジスタＱｅのベースが接続され
る。同じく、抵抗器５８，６０側の接続中点ｓにも負側
の出力電圧を検出するためのダイオード５２を介してト
ランジスタＱｆのベースが接続される。

【００２７】この構成にあって電源切替手段３０のうち
鎖線で囲まれた回路部分はＬチャネル側の電力増幅回路
の電源切替手段の一部として兼用できる。

【００２８】この発明では図２に示すように出力端子２
０に得られる低周波信号のうちその出力電圧ＶOが低圧
の電源電圧ＶPLではもはや駆動できないレベルになる前
に、電力増幅器１８に印加する電源電圧として、今まで
よりも高圧の電源電圧ＶPHに切り替えられる。上述した
ように高速の電力スイッチング素子Ｑｃ，Ｑｄが使用さ
れているためこの電源電圧の切り替えは高速に行なわれ
る。したがって低周波信号の波形が図２曲線ＬOのよう
な出力電圧波形であったときには、電力増幅器１８に印
加される電源電圧は同図曲線Ｌ+，Ｌ-のように出力電圧
波形に対応して変化する。

【００２９】続いて電源切替動作を詳細に説明する。正
側と負側とでは電源切り替え動作は全く同じであるの
で、正側の電源切り替え動作について以下に説明する。
定電圧ダイオード３２，３６の定電圧値をＶｚ、トラン
ジスタＱｅ，Ｑｆのベース・エミッタ間電圧をＶBE、ダ
イオード５０，５２の降下電圧をＶF、抵抗器５４，５
６の抵抗値をＲａ，Ｒｂとして説明する。

【００３０】出力端子２０に得られた出力電圧ＶOの電
圧波形は図２曲線ＬOであるものとする。接続中点ｒの
電圧Ｖｒは、出力端子２０したがって接続中点ｑの電圧
がＶOであることから、（１）式のように表わすことが
できる。

【００３１】

【数１】

【００３２】また、トランジスタＱｅがオンするための
条件は、 Ｖｒ−ＶF≧ＶP1＋ＶBE ・・・・・（２） ここに、 ＶP1＝ＶPL−ＶZ ・・・・・（３） ∴Ｖｒ≧ＶPL−（ＶZ−ＶF−ＶBE） ・・・・・（４） ここで、基準電圧ＶSとして、 ＶS＝ＶZ−ＶF−ＶBE ・・・・・・（５） とおけば、（４）式は、 Ｖｒ≧ＶPL−ＶS ・・・・・（６） となる。つまり、接続中点ｒの電圧Ｖｒが、低圧の電源
電圧ＶPLと基準電圧ＶSとの差の電圧に近づき、（６）
式を満たす値となったときにトランジスタＱｅがオンす
る。Ｖｒが大きくなるということは、数１でもわかると
おり出力電圧ＶOそのものが大きくなることである。そ
のため、図３に示すように出力電圧ＶOの値が（６）式
を満たす前まで、つまりＶｒ＜ＶPL−ＶSの間はトラン
ジスタＱｅはオフ状態を保持する。その結果、スイッチ
ング素子Ｑｃもオフのままであるから、電力増幅器１８
には端子２２ａからの低圧電源電圧＋ＶPLがその動作電
圧として印加される。

【００３３】ここで基準電圧ＶSは、電源電圧ＶPLと曲
線ＬO（すなわちＶO）がどのくらい近づいたときに電源
電圧ＶPLを電源電圧ＶPHに切り替えるかの値である。こ
の値は定電圧ダイオード３２、トランジスタＱｅ、ダイ
オード５０を適宜選択することにより設定可能で、本実
施例の場合例えばＶS＝４ボルト程度を設定する。この
ことから、トランジスタＱｅをオンさせるための電圧Ｖ
ｒは電源電圧ＶPLを基準としてそこから設定電圧ＶSを
引いた値を基に設定される（このときの出力ＶOは数１
により表される）。Ｖｒを、例えば接地点や出力ＶO＝
０の点等のような絶対値をとり得る点からの一定値とし
なかったのは次の理由による。

【００３４】本例のようなオーディオ機器では電源は家
庭用コンセントからの商用電源を使用するのが普通であ
る。その商用電源からの整流出力を利用するため商用電
源電圧の変動やリップル発生により電源電圧ＶPHやＶPL
も当然変動する。また電源電圧ＶPLは電力増幅器１８の
出力により負荷変動を起こし、これも電源電圧ＶPLが変
動する一因となる。

【００３５】例えば出力ＶOが０の点を基準にある一定
の電圧に達したとき、電源電圧ＶPLからＶPHに切り替わ
るよう設定すると、電源電圧ＶPLが低下しているときに
出力電圧ＶOが上昇した際、電源電圧ＶPLに出力ＶOの値
が接近しトランジスタＱａのコレクタ、エミッタ間の電
圧が低下するためＨＦＥが低下する。そして電源電圧Ｖ
PLがＶPHに切り替わる前に波形歪みを生ずる。

【００３６】それを防止するため本願ではトランジスタ
Ｑｅをオンし、電源電圧ＶPLをＶPHに切り替えるときの
Ｖｒの値を電源電圧ＶPLを基に設定している。

【００３７】これに対して、（６）式を満たすように出
力電圧ＶOのレベルが上昇すると、トランジスタＱｅが
オンする。そうすると、トランジスタＱｅの電流通路が
閉じるのでスイッチング素子Ｑｃがオンする。これによ
って端子１７ａを介して高圧の電源電圧＋ＶPHが電力増
幅器１８に印加され、この電源電圧＋ＶPHを基準にして
電力増幅される（図２参照）。

【００３８】図１の構成で、出力電圧ＶOの検出に対す
るヒステリシス特性を付与するため 、Ｒａ》Ｒｂ ・・・・・（７） のように選んである。例えば、 ＶPL＝２０Ｖ ＶS＝４Ｖ、よってＶｒ＝１６Ｖ Ｒａ＝１００ＫΩ Ｒｂ＝１ＫΩ のように選んだ場合、トランジスタＱｅがオンするため
の電圧ＶOは、数１より大凡、 ＶO＝１５．９６ボルト（図３の点ｍ） となる。つまり、出力電圧ＶOが１６ボルト程度まで高
くなると、電源電圧は高圧の電圧＋ＶPHに切り替えられ
る。

【００３９】これに対して、トランジスタＱｅがオフす
る条件を考えると次のようになる。（１）式は（８）式
のように変わる。これは電源電圧が切り替えられたため
である。

【００４０】

【数２】

【００４１】そのために、この（８）式を利用すると、
トランジスタＱｅがオフする出力電圧ＶOは、大凡、 ＶO＝１５．７ボルト（図３の点ｎ） となる。つまり、トランジスタＱｅがオンする電圧とオ
フする電圧が相違することになり、これは取りも直さず
電源電圧切り替えのための検出電圧に対してヒステリシ
ス特性が付与されたことになる。

【００４２】このヒステリシス特性によって、例えば図
４に示すように低周波信号ＬOに対してノイズＮが混入
したようなときでもそのノイズレベルが、上述した例に
よればおよそ０．２ボルト以上のノイズでないと、トラ
ンジスタＱｅがオフしない。

【００４３】つまり、一対の抵抗器５４，５６とその値
を上述したような値に選定することによって、ヒステリ
シス特性が付与され、このヒステリシス特性によってノ
イズに強く、非常に安定した電源切り替え処理を実現で
きる。

【００４４】ここで、上述したようにスイッチング素子
Ｑｃは高速動作をするパワーＭＯＳ・ＦＥＴなどの電気
的スイッチング素子を使用しているので、電源電圧の切
替は非常に高速で行なわれる。そのため、図２のように
低周波信号のレベル変動に追従してタイムラグを持つこ
となく即座に電源電圧の切り替えを実現できる。

【００４５】このように低周波信号のレベルの大きさに
応じて電源電圧の値を切り替えることによって電力増幅
器１８の放熱器としては小型のものを使用できるように
なり、それに伴って使用する電源トランスも小容量化で
きる。因みに、従来では同一の電源電圧（高電圧）ＶPH
を使用していたため、図５Ａのように斜線で示す領域が
電力増幅器１８の熱損失となる。

【００４６】これに対して、この発明のように低周波信
号のレベルに応じて電源電圧の切り替えを行なうと、電
力損失領域は同図Ｂの斜線図示のように減少する。その
結果、例えば１２０Ｗ（ワット）級電力増幅器であって
も、６０Ｗ級電力増幅器において使用される放熱器と、
それに見合った小容量電源トランスを使用できるように
なる。

【００４７】

【発明の効果】以上のように、この発明に係る電力増幅
回路では出力される低周波信号の電圧レベルに応じて電
力増幅器に印加される電源電圧の値を、高速電力スイッ
チング素子を使用して高速で切り替えるようにしたもの
である。

【００４８】これによれば、以下のような効果が得られ
る。 （１）高速スイッチングが可能なため消費電力が大幅に
節減され、省電力形の装置を実現できる。 （２）装置内での発熱部は従来と共通なためスイッチン
グ動作によって低圧の電源電圧を使用できる動作区間が
そのまま発熱減少領域となって、熱損失が大幅に低減で
きる。放熱器も小型化できる。 （３）電力増幅器の使用電力が少なくなるため電源トラ
ンスの小さなものを使用でき、装置の小型化、軽量化、
さらにはコストダウンに貢献する。 （４）図１鎖線で図示する回路部分はＲ，Ｌ２チャネル
で兼用できるので全体の回路構成を簡略化でき、これも
装置全体の小型化、コストダウンに寄与する。など数々
の特徴を得ることができる。

【００４９】したがってこの発明は上述したように各種
オーディオ機器やビデオ機器などの電力増幅系に適用し
て極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る電力増幅回路の一例を示す系統
図である。

【図２】電源電圧切り替え動作の説明図である。

【図３】電源電圧切り替え動作の詳細説明図である。

【図４】図３と同様に電源電圧切り替え動作の詳細説明
図である。

【図５】電源切り替えに伴う熱損失の説明図である。

【図６】電源電圧切換の説明図である。

【図７】従来の電源電圧切り替え例を示す説明図であ
る。

【図８】同じく従来の電源電圧切り替え例を示す説明図
である。

【符号の説明】

１４ 電圧増幅器 １８ 電力増幅器 ３０ 電源切替手段 Ｑｃ，Ｑｄ 高速電力スイッチング素子 Ｑｅ，Ｑｆ スイッチング用トランジスタ ＶPL 低圧の電源電圧 ＶPH 高圧の電源電圧

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低周波電力増幅器に供給される電源電圧
   に対する電圧切替手段が設けられ、 この電圧切替手段には高圧電源制御用として高速電力ス
   イッチング素子が使用されると共に、電圧比較手段が設
   けられ、 この電圧比較手段における低圧電源と上記電力増幅器の
   出力電圧との電圧比較によって高圧電源と低圧電源が選
   択的に上記低周波電力増幅器に供給されるようになされ
   たことを特徴とする電力増幅回路。
2. 【請求項２】 電圧比較のための基準電圧が設定され、
   低圧電源電圧とこの基準電圧との差よりも、上記出力電
   圧が大きくなったとき電源電圧が切り替えられて高圧電
   源が上記電力増幅器に供給されるようになされたことを
   特徴とする請求項２記載の電力増幅器。
3. 【請求項３】 上記電圧比較手段は、電圧比較のために
   ヒステリシス特性が付与されて安定した電圧比較が行な
   われるようになされたことを特徴とする請求項１記載の
   電力増幅器。