JP4235812B2 - D class amplifier - Google Patents
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本発明は、デジタルオーディオアンプやモータドライバに用いられるDクラスアンプ(D級アンプ或いはD級電力増幅器とも云う。)に関する。 The present invention relates to a D class amplifier (also referred to as a D class amplifier or a D class power amplifier) used for a digital audio amplifier or a motor driver.
デジタルアンプ機器に用いられているPWM(パルス幅変調)出力或いはPDM(パルス持続変調)出力等の逆位相の2つのパルス入力波によって交互に駆動されるスイッチング出力段のハイサイドMOSトランジスタとローサイドMOSトランジスタを備えるDクラスアンプは、デジタルオーディオアンプやモータドライバに汎用されており、一般にスイッチング出力段の±B電源間に直列接続された前記ハイサイドMOSトランジスタ(MOSFET)及びローサイドMOSトランジスタ(MOSFET)のON/OFF時のデッドタイムをコントロールすることによって前記ハイサイドMOSトランジスタと前記ローサイドMOSトランジスタに瞬間的に流れる貫通電流を低減すると共に歪率を抑制する駆動方式を採っている。 High-side MOS transistor and low-side MOS in the switching output stage that are alternately driven by two anti-phase pulse input waves such as PWM (pulse width modulation) output or PDM (pulse continuous modulation) output used in digital amplifier equipment A D-class amplifier including a transistor is widely used in a digital audio amplifier and a motor driver. Generally, the high-side MOS transistor (MOSFET) and the low-side MOS transistor (MOSFET) connected in series between ± B power sources of a switching output stage. By controlling the dead time at ON / OFF, a driving method is adopted in which the through current that flows instantaneously to the high-side MOS transistor and the low-side MOS transistor is reduced and the distortion is suppressed.
そして駆動出力方式は、大きく分けて図6に示されるような±B電源間に接続されたハイサイドMOSトランジスタQ1とローサイドMOSトランジスタQ2を逆位相のパルス入力波P1、P2で各々スイッチング駆動するハーフ・ブリッジ型と、図7に示されるような(ハイサイドMOSトランジスタ、ローサイドMOSトランジスタ)の(Q1、Q2)と(Q3、Q4)の2組のスイッチング出力段からなるフル・ブリッジ型がある。なお、図6、図7中のコイルLとコンデンサCはローパスフィルタLPFを構成し、符号1、2はデッドタイム調整回路、符号3はレベルシフト回路、符号4、5はドライバー回路である。
The drive output system is roughly divided into half-drives in which high-side MOS transistor Q1 and low-side MOS transistor Q2 connected between ± B power supplies as shown in FIG. 6 are switched and driven by pulse input waves P1 and P2 having opposite phases. There are a bridge type and a full bridge type consisting of two sets of switching output stages (Q1, Q2) and (Q3, Q4) of (high side MOS transistor, low side MOS transistor) as shown in FIG. 6 and 7, the coil L and the capacitor C constitute a low-pass filter LPF.
Dクラスアンプに関する公知文献としては、例えば下記[特許文献1]にDクラスアンプの歪みの低減が可能なオーディオ電力増幅回路に関する技術が記載されている。 As a publicly known document related to the D class amplifier, for example, the following [Patent Document 1] describes a technique related to an audio power amplifier circuit capable of reducing distortion of the D class amplifier.
従来のDクラスアンプにおける前記ハーフ・ブリッジ型(図6)とフル・ブリッジ型(図7)のどちらにおいても、歪率を改善するためには前記デッドタイムを短くする必要がある。 In both the half-bridge type (FIG. 6) and the full-bridge type (FIG. 7) in the conventional D-class amplifier, it is necessary to shorten the dead time in order to improve the distortion.
しかし、デッドタイムを短くすればするほど、前記ハイサイドMOSトランジスタQ1やQ3とローサイドMOSトランジスタQ2やQ4に流れる貫通電流(ショート・スルー)が増大し、効率の悪化(電力損失の悪化)、更にはトランジスタ素子の破壊を引き起こすことになる。 However, as the dead time is shortened, the through current (short-through) flowing through the high-side MOS transistors Q1 and Q3 and the low-side MOS transistors Q2 and Q4 increases, resulting in deterioration of efficiency (deterioration of power loss), and Will cause destruction of the transistor element.
例えば、前述の図7のフル・ブリッジ型の駆動出力方式のDクラスアンプの場合のデッドタイム(Dead Time;単位ns)に対する歪率THD(%)及び電力損失(単位W)の依存特性のシミュレーション結果を表す図8の対数グラフから判るように、Dクラスアンプにおける歪率と効率は相反する特性となっており、従来は適当な妥協ポイントで設計されていた。 For example, a simulation of the dependence characteristics of the distortion rate THD (%) and the power loss (unit W) with respect to the dead time (Dead Time; unit ns) in the case of the above-described D-class amplifier of the full bridge type drive output system of FIG. As can be seen from the logarithmic graph of FIG. 8 showing the results, the distortion rate and efficiency in the D-class amplifier have contradictory characteristics, and the conventional design has been made with an appropriate compromise point.
尤も、例えばデジタルオーディオアンプにおける歪率の改善は主命題であるため、妥協ポイントにおいても貫通電流は効率の面から見れば大きいものとなっていた。 However, for example, since improvement of the distortion factor in a digital audio amplifier is a main proposition, the through current is large from the viewpoint of efficiency even at the compromise point.
そして、大きな貫通電流は電源の電圧リップルを増長し、周辺機器への電源変動に起因する動作異常或いは不要輻射量を増やす要因になる場合がある。また、大きな貫通電流によって電流検出機能(保護回路)が誤動作し、アンプ出力回路が停止する場合もあり得る。 A large through current may increase the voltage ripple of the power supply, and may cause abnormal operation due to power supply fluctuations to peripheral devices or an increase in the amount of unnecessary radiation. Also, the current detection function (protection circuit) may malfunction due to a large through current, and the amplifier output circuit may stop.
本発明は、上記Dクラスアンプの孕む歪率と効率の相反する特性に鑑みて為されたものであり、簡単な構成でありながら歪率の改善を図りつつ貫通電流をより小さく抑えるように構成されたDクラスアンプを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the contradictory characteristics of the distortion rate and efficiency of the D-class amplifier, and is configured to suppress the through current to a smaller size while improving the distortion rate with a simple configuration. An object of the present invention is to provide a D-class amplifier.
本発明は、パルス入力波P1、P2によって駆動されるスイッチング出力段のハイサイドMOSトランジスタQ1とローサイドMOSトランジスタQ2を備えるDクラスアンプ10において、前記ハイサイドMOSトランジスタQ1と前記ローサイドMOSトランジスタQ2との間に接続された直列接続の2個のコイルL1及びL2と、アノードが前記ローサイドMOSトランジスタQ2に接続されるとともにカソードが前記ハイサイドMOSトランジスタQ1に接続されるように前記直列接続の2個のコイルL1及びL2に対して並列に接続されたダイオードD1と、前記2個のコイルL1及びL2の接続共点Mと接地間に接続されて前記2個のコイルL1及びL2とともにローパスフィルタLPFを構成するコンデンサC1と、を有して、前記2個のコイルL1及びL2の接続共点Mを出力端とすることを特徴とするDクラスアンプ10を提供することにより、上記課題を解決する。
The present invention relates to a D-
本発明に係るDクラスアンプは、上記のように構成されているため、
(1)スイッチング出力段のハイサイドMOSトランジスタ及びローサイドMOSトランジスタに流れる貫通電流が低減できるため、両MOSトランジスタの劣化を最小限にとどめることができ、長寿命化が図れる。
(2)簡単な構成でありながらDクラスアンプにおける相反する特性である歪率と効率を同時に改善することができる。
(3)貫通電流の低減により、電源電圧リップルによる周辺機器への電源変動に起因する動作異常等の影響の回避、不要輻射量の低減が可能であり、電流検出回路などの誤動作の防止にも有効である。
(4)高効率動作と低歪率を同時に満たすデジタルオーディオアンプが実現できる。
Since the D class amplifier according to the present invention is configured as described above,
(1) Since the through current flowing through the high-side MOS transistor and the low-side MOS transistor in the switching output stage can be reduced, the deterioration of both MOS transistors can be minimized and the life can be extended.
(2) While having a simple configuration, it is possible to simultaneously improve the distortion and efficiency, which are conflicting characteristics in the D-class amplifier.
(3) By reducing the through current, it is possible to avoid the effects of abnormal operation due to power supply fluctuations to peripheral devices due to power supply voltage ripple, and to reduce the amount of unnecessary radiation. It is valid.
(4) A digital audio amplifier that simultaneously satisfies high efficiency operation and low distortion can be realized.
本発明に係るDクラスアンプの最良の実施の形態について図面に基づいて説明する。なお、従来のDクラスアンプにおけるスイッチング出力段より手前のPWM変調回路等の回路は公知技術であるので説明を省略し、専らスイッチング出力段とその貫通電流の低減の作用に絞って説明する。また、従来のDクラスアンプのスイッチング出力段の回路図の図6、図7と同等回路部については同符号で示す。 The best mode of the D class amplifier according to the present invention will be described with reference to the drawings. Since circuits such as a PWM modulation circuit before the switching output stage in the conventional D-class amplifier are well-known techniques, description thereof will be omitted, and only the switching output stage and its through current reduction will be described. Further, the same circuit portions as those in FIGS. 6 and 7 in the circuit diagram of the switching output stage of the conventional D class amplifier are denoted by the same reference numerals.
図1は本発明に係るDクラスアンプにおけるスイッチング出力段の回路構成の従来回路からの変更内容と貫通電流低減の作用を説明する図であり、図2は本発明に係るDクラスアンプにおけるハーフ・ブリッジ型のスイッチング出力段の回路図である。図3は本発明に係るDクラスアンプにおけるフル・ブリッジ型のスイッチング出力段の回路図である。図4はフル・ブリッジ型における2個のコイルを結合させて、コイル数を減らしたDクラスアンプの実施の形態例である。図5は本発明に係るDクラスアンプにおけるフル・ブリッジ型の駆動出力方式のデッドタイム(単位ns)に対する歪率THD(%)及び電力損失(単位W)の依存特性のシミュレーション結果を表す対数グラフである。 FIG. 1 is a diagram for explaining changes in the circuit configuration of the switching output stage in the D-class amplifier according to the present invention from the conventional circuit and the effect of reducing the through current. FIG. It is a circuit diagram of a bridge type switching output stage. FIG. 3 is a circuit diagram of a full-bridge type switching output stage in the D-class amplifier according to the present invention. FIG. 4 shows an embodiment of a D class amplifier in which two coils in the full bridge type are coupled to reduce the number of coils. FIG. 5 is a logarithmic graph showing a simulation result of the dependence characteristics of the distortion rate THD (%) and the power loss (unit W) with respect to the dead time (unit ns) of the full-bridge type drive output system in the D-class amplifier according to the present invention. It is.
先ず、図1において、スイッチング出力段の従来回路と本発明の回路とを比較すれば明らかなように、本発明では、スイッチング出力段のハイサイドMOSトランジスタQ1とローサイドMOSトランジスタQ2にスイッチング切換遷移時に流れる貫通電流の低減手段として、従来回路におけるハイサイドMOSトランジスタQ1及びローサイドMOSトランジスタQ2との間に直列接続の2個のコイルL1、L2(同等特性)が接続されるとともにフライバック電流吸収用のダイオードD1が前記直列接続の2個のコイルL1、L2と並列に接続されている点に特徴を有する。 First, as apparent from comparing the conventional circuit of the switching output stage with the circuit of the present invention in FIG. 1, in the present invention, at the time of switching switching between the high side MOS transistor Q1 and the low side MOS transistor Q2 of the switching output stage. As means for reducing the flowing through current, two coils L1 and L2 (equivalent characteristics) connected in series are connected between the high-side MOS transistor Q1 and the low-side MOS transistor Q2 in the conventional circuit and also used for absorbing flyback current. The diode D1 is characterized in that it is connected in parallel with the two coils L1 and L2 connected in series.
これにより、デッドタイムを短くしてもハイサイドMOSトランジスタQ1及びローサイドMOSトランジスタQ2に流れるON/OFF切換時の貫通電流は2個のコイルL1、L2を流れるので、該コイルL1、L2のリアクタンスによって急峻に流れるのではなく、緩やかに大きくなるため大電流とはならず、且つフライバック電流吸収用のダイオードD1により安定動作を行うことができるのである。 Thereby, even if the dead time is shortened, the through current at the time of ON / OFF switching flowing through the high-side MOS transistor Q1 and the low-side MOS transistor Q2 flows through the two coils L1 and L2, so that the reactance of the coils L1 and L2 Since the current does not flow steeply but gradually increases, a large current is not generated, and stable operation can be performed by the flyback current absorbing diode D1.
なお、前記ハイサイドMOSトランジスタQ1がON時にはコイルL1とコンデンサC1がローパスフィルタとなり、前記ローサイドMOSトランジスタQ2がON時はコイルL2とコンデンサC1がローパスフィルタを構成する。 When the high-side MOS transistor Q1 is ON, the coil L1 and the capacitor C1 serve as a low-pass filter. When the low-side MOS transistor Q2 is ON, the coil L2 and the capacitor C1 constitute a low-pass filter.
以下、上記貫通電流の低減手段を適用した具体例を説明する。 Hereinafter, a specific example to which the means for reducing the through current is applied will be described.
図2において、ハーフ・ブリッジ型のDクラスアンプ10は、互いに逆位相のパルス入力波P1、P2によって駆動されるスイッチング出力段のハイサイドMOSトランジスタQ1とローサイドMOSトランジスタQ2を備えるDクラスアンプであって、特に、従来の±B電源間に直列接続された前記ハイサイドMOSトランジスタQ1と前記ローサイドMOSトランジスタQ2との接続を切り離してその間に挿入された直列接続の2個のコイルL1及びL2と、アノードが前記ローサイドMOSトランジスタQ2に接続されるとともにカソードが前記ハイサイドMOSトランジスタQ1に接続されるように前記直列接続の2個のコイルL1及びL2に対して並列に挿入されたダイオードD1と、前記2個のコイルL1及びL2の接続共点Mと接地間に接続されて前記2個のコイルL1及びL2とともにローパスフィルタLPFを構成するコンデンサC1と、を有して、前記2個のコイルL1及びL2の接続共点Mを出力端とする回路構成となっている。これは図1で示す貫通電流の低減手段をそのまま適用した事例である。
In FIG. 2, a half-bridge type D-
次に、図3において、フル・ブリッジ型のDクラスアンプ20は、前述のハーフ・ブリッジ型のDクラスアンプ10を2組(S1とS2)合わせた構成(但し、2組S1、S2の各パルス入力波P1、P2の逆位相の関係は逆となっている。)となっており、S1の組(或いはS2の組、以下括弧書)では、互いに逆位相のパルス入力波P1、P2(P2、P1)によって駆動されるスイッチング出力段のハイサイドMOSトランジスタQ1(Q3)とローサイドMOSトランジスタQ2(Q4)を備えるDクラスアンプであって、特に、従来の±B電源間に直列接続された前記ハイサイドMOSトランジスタQ1(Q3)と前記ローサイドMOSトランジスタQ2(Q4)との間に接続された直列接続の2個のコイルL1及びL2(L3及びL4)と、アノードが前記ローサイドMOSトランジスタQ2(Q4)に接続されるとともにカソードが前記ハイサイドMOSトランジスタQ1(Q3)に接続されるように前記直列接続の2個のコイルL1及びL2(L3及びL4)に対して並列に接続されたダイオードD1(D2)と、前記2個のコイルL1及びL2(L3及びL4)の接続共点M1(M2)と接地間に接続されて前記2個のコイルL1及びL2(L3及びL4)とともにローパスフィルタLPF1(LPF2)を構成するコンデンサC1(C2)と、を有して、前記2個のコイルL1及びL2(L3及びL4)の接続共点M1(M2)を出力端とする回路構成となっている。
Next, in FIG. 3, a full-bridge type
次に、図4において、フル・ブリッジ型のDクラスアンプ30は、前記フル・ブリッジ型のDクラスアンプ20におけるコイルL1とコイルL4及びコイルL2とコイルL3が各々同タイミングで電流が流れることに着目して各々一つのコイルL14、L23に結合させて回路構成を簡単にしたものであり、動作は前述のDクラスアンプ20と同様である。
Next, in FIG. 4, the full-bridge type D-
以上のような本発明に特有の貫通電流の低減手段を備えるDクラスアンプ10、20、30では、例えば図5のフル・ブリッジ型のDクラスアンプ20(図3)における100W出力時のデッドタイム(単位ns)に対する歪率THD(%)及び電力損失(単位W)の依存特性のシミュレーション結果を表す対数グラフと、従来のフル・ブリッジ型のDクラスアンプ(図7)のシミュレーション結果(図8)と、を比較すると明らかなように、歪率が十分に小さくなる短いデッドタイムに設定されていても、電力損失は悪化することなく十分に抑えられていて、従来の電力損失よりも一桁程度小さくできることが判る。換言すれば、本発明のDクラスアンプは、効率を悪化(電力損失を悪化)させることなくデッドタイムを短くすることができるため、歪率を大幅に改善できるのである(歪率と効率の両立)。
In the
また、貫通電流の低減により、電源に負担が掛からないので、電源電圧リップルによる周辺機器への電源変動に起因する動作異常等の影響が回避される。 Further, since the power supply is not burdened by the reduction of the through current, the influence of abnormal operation due to the power supply fluctuation to the peripheral device due to the power supply voltage ripple is avoided.
さらに、貫通電流の低減により、不要輻射量が低減され、電流検出回路等の誤動作が防止されることになる。 Furthermore, the amount of unnecessary radiation is reduced by reducing the through current, and malfunction of the current detection circuit and the like is prevented.
特に、歪率の改善と電力損失の低減が強く要請されるデジタルオーディオアンプにおいては、本発明のDクラスアンプの貫通電流低減の回路構成が有効であることは言うまでもない。 In particular, in a digital audio amplifier that is strongly required to improve distortion and reduce power loss, it goes without saying that the circuit configuration for reducing the through current of the D-class amplifier of the present invention is effective.
1、2 デッドタイム調整回路
3 レベルシフト回路
4、5 ドライバー回路
10、20、30、40 Dクラスアンプ
Q1、Q3 ハイサイドMOSトランジスタ
Q2、Q4 ローサイドMOSトランジスタ
C、C1、C2 コンデンサ
D、D1、D2 フライバック吸収用のダイオード
LPF、LPF1、LPF2 ローパスフィルタ
L、L1、L2、L3、L4、L14、L23 コイル
P1、P2 パルス入力波
M1、M2 接続共点
1, 2 Dead time adjustment circuit
3
Claims (1)
前記ハイサイドMOSトランジスタと前記ローサイドMOSトランジスタとの間に接続された直列接続の2個のコイルと、アノードが前記ローサイドMOSトランジスタに接続されるとともにカソードが前記ハイサイドMOSトランジスタに接続されるように前記直列接続の2個のコイルに対して並列に接続されたダイオードと、前記2個のコイルの接続共点と接地間に接続されて前記2個のコイルとともにローパスフィルタを構成するコンデンサと、を有して、前記2個のコイルの接続共点を出力端とすることを特徴とするDクラスアンプ。 In a D-class amplifier including a high-side MOS transistor and a low-side MOS transistor in a switching output stage driven by a pulse input wave,
And two coils connected in series connection, a cathode with an anode connected to said low side MOS transistor capacitor connected to the high-side MOS transistor capacitor between the low-side MOS transistor and said high-side MOS transistor A diode connected in parallel to the two coils connected in series, a capacitor connected between the connection point of the two coils and the ground, and constituting a low-pass filter together with the two coils; A D-class amplifier, characterized in that the connection point of the two coils is the output end.
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