(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-08-15
(45)【発行日】2022-08-23
(54)【発明の名称】電力増幅装置及び音響装置
(51)【国際特許分類】
H03F 3/217 20060101AFI20220816BHJP
H04R 3/00 20060101ALI20220816BHJP
【ＦＩ】
H03F3/217
H04R3/00 310
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2018114375
(22)【出願日】2018-06-15
(65)【公開番号】P2019220740
(43)【公開日】2019-12-26
【審査請求日】2021-03-16
(73)【特許権者】
【識別番号】000003562
【氏名又は名称】東芝テック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100075672
【弁理士】
【氏名又は名称】峰 隆司
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100179062
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 正
(74)【代理人】
【識別番号】100189913
【氏名又は名称】鵜飼 健
(72)【発明者】
【氏名】宇佐美 豊
【審査官】小林 正明
(56)【参考文献】
【文献】特開２００７－１１６２６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００７／１０８１１５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１４／１１９０４０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１２／１６４７８７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２００９－５０７４６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－１７６５４０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０３Ｆ １／００－３／７２
Ｈ０４Ｒ ３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電源に接続された第１のキャパシタに並列に接続された第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチの直列と、第２のキャパシタに並列に接続された第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチの直列と、
前記第２のキャパシタと負荷とに直列接続された第３のキャパシタと、
前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点である第１の接続点と、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点である第２の接続点との間に接続された第１のインダクタと、
前記第１の接続点と前記第２の接続点との間において、前記第１のインダクタと直列接続された電流検出器と、
入力音声信号の微分値及び音量信号に基づいて、正の値である第１の閾値以上の正側電流目標値と、負の値である第２の閾値以下の負側電流目標値との中心である中心電流目標値を決定し、前記中心電流目標値に基づいて、前記正側電流目標値及び負側電流目標値を設定し、前記電流検出器により検出された電流値が前記正側電流目標値を超えた場合、前記第１の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチをオフし、前記第２の半導体スイッチ及び前記第３の半導体スイッチをオンし、前記電流検出器により検出された電流値が前記負側電流目標値を下回った場合、前記第１の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチをオンし、前記第２の半導体スイッチ及び前記第３の半導体スイッチをオフする制御回路と、
を具備する電力増幅装置。
【請求項2】
前記制御回路は、前記中心電流目標値が正の値である間、前記中心電流目標値の倍の値を前記第１の閾値に加算した値を前記正側電流目標値として設定し、前記中心電流目標値が負の値である間、前記中心電流目標値の倍の値を前記第２の閾値に加算した値を前記負側電流目標値として設定する請求項１に記載の電力増幅装置。
【請求項3】
前記第２のキャパシタの両端に接続され、且つ低周波数で電流を通しやすく高周波数で電流を通しにくい第２のインダクタと第４のキャパシタとが直列に接続された直列回路をさらに具備する請求項１または２に記載の電力増幅装置。
【請求項4】
前記制御回路は、前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、及び前記第４の半導体スイッチをオフからオンにする場合、所定時間遅延させてオンにする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力増幅装置。
【請求項5】
前記制御回路は、前記入力音声信号が無い状態が一定時間続いた場合、前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、及び前記第４の半導体スイッチを全て停止させる状態と、前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、及び前記第４の半導体スイッチをオンオフ制御する状態とを定期的に繰り返すバーストモード動作を行う請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力増幅装置。
【請求項6】
音声を出力するスピーカと、電源に接続された第１のキャパシタに並列に接続された第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチと、
第２のキャパシタに並列に接続された第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチと、
前記第２のキャパシタと負荷とに直列接続された第３のキャパシタと、
前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点である第１の接続点と、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点である第２の接続点との間に接続されたインダクタと、
前記第１の接続点と前記第２の接続点との間において、前記インダクタと直列接続された電流検出器と、
入力音声信号の微分値及び音量信号に基づいて、正の値である第１の閾値以上の正側電流目標値と、負の値である第２の閾値以下の負側電流目標値との中心である中心電流目標値を決定し、前記中心電流目標値に基づいて、前記正側電流目標値及び負側電流目標値を設定し、前記電流検出器により検出された電流値が前記正側電流目標値を超えた場合、前記第１の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチをオフし、前記第２の半導体スイッチ及び前記第３の半導体スイッチをオンし、前記電流検出器により検出された電流値が前記負側電流目標値を下回った場合、前記第１の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチをオンし、前記第２の半導体スイッチ及び前記第３の半導体スイッチをオフする制御回路と、
を具備する音響装置。
【請求項7】
電源に接続された第１のキャパシタに並列に接続された第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチと、第２のキャパシタに並列に接続された第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチと、
前記第２のキャパシタと負荷とに直列接続された第３のキャパシタと、
前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点である第１の接続点と、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点である第２の接続点との間に接続された第１のインダクタと、
前記第１の接続点と前記第２の接続点との間において、前記第１のインダクタと直列接続された電流検出器と、
前記第２のキャパシタの両端に接続され、且つ低周波数で電流を通しやすく高周波数で電流を通しにくい第２のインダクタと第４のキャパシタとが直列に接続された直列回路と、
入力音声信号の微分値及び音量信号に基づいて、正の値である第１の閾値以上の正側電流目標値と、負の値である第２の閾値以下の負側電流目標値との中心である中心電流目標値を決定し、前記中心電流目標値に基づいて、前記正側電流目標値及び負側電流目標値を設定し、前記電流検出器により検出された電流値が前記正側電流目標値を超えた場合、前記第１の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチをオフし、前記第２の半導体スイッチ及び前記第３の半導体スイッチをオンし、前記電流検出器により検出された電流値が前記負側電流目標値を下回った場合、前記第１の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチをオンし、前記第２の半導体スイッチ及び前記第３の半導体スイッチをオフする制御回路と、
を具備する電力増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、電力増幅装置及び音響装置に関する。
【背景技術】
【0002】
入力された音声信号（入力音声信号）に基づき、スピーカで出力する為の音声信号（出力音声信号）を生成する電力増幅装置（所謂アンプ）が実用化されている。電力増幅装置は、交流電源を直流電圧に変換する電源と、直流電圧を用いて、入力音声信号である小信号（small signal）を出力音声信号である大信号（large signal）に増幅する増幅器（amplifier）とを有する。
【0003】
一般的なアンプでは、小信号を大信号に増幅する方法として、Ａ級増幅（class A amplification）、及びＢ級増幅（class B amplification）などが用いられている。
【0004】
Ａ級増幅により信号を増幅するＡ級増幅器（class A amplifier）は、トランジスタの直流電流増幅率ｈｆｅを利用する。即ち、Ａ級増幅器は、小信号をｈｆｅ倍することにより、大信号に増幅する。Ａ級増幅器は、ベース電流を調整する回路によって、ｈｆｅ倍されたコレクタ電流を調整する。増幅率は、コレクタ電流をベース電流により除算した値である。
【0005】
Ｂ級増幅により信号を増幅するＢ級増幅器（class B amplifier）は、正極側の波形を増幅する第１の増幅器と、負極側の波形を増幅する第２の増幅器とを有する。Ｂ級増幅器は、入力音声信号が正極であるか負極であるかを判断し、判断結果に基づき第１の増幅器と第２の増幅器とのいずれかを選択し、動作させる。また、Ｂ級増幅器と同等の内容をディジタル回路により実現するＤ級増幅器が用いられている。
【0006】
しかしながら、Ａ級増幅器は、トランジスタのＡ級動作を用いる為、電力効率が悪いという課題がある。また、Ｂ級増幅器及びＤ級増幅器は、入力音声信号が０Ｖ付近（ゼロクロス付近）である場合に、入力音声信号の極性を厳密に判断することができない可能性がある。この為、Ｂ級増幅器及びＤ級増幅器は、第１の増幅器及び第２の増幅器の接続の遅延や偏りが生じ、出力音声信号に歪みが生じる可能性がある。このように、Ｂ級増幅器及びＤ級増幅器は、音質が低下する可能性があるという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開２００３－５２７０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明が解決しようとする課題は、高音質であり且つ電力効率の良い電力増幅装置及び音響装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
一実施形態に係る電力増幅装置は、電源に接続された第１のキャパシタに並列に接続された第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチの直列と、第２のキャパシタに並列に接続された第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチの直列と、第２のキャパシタと負荷とに直列接続された第３のキャパシタと、前記第１の半導体スイッチと前記第２の半導体スイッチとの接続点である第１の接続点と、前記第３の半導体スイッチと前記第４の半導体スイッチとの接続点である第２の接続点との間に接続された第１のインダクタと、前記第１の接続点と前記第２の接続点との間において、第１のインダクタと直列接続された電流検出器と、制御回路とを具備する。制御回路は、入力音声信号の微分値及び音量信号に基づいて、正の値である第１の閾値以上の正側電流目標値と、負の値である第２の閾値以下の負側電流目標値との中心である中心電流目標値を決定し、前記中心電流目標値に基づいて、前記正側電流目標値及び負側電流目標値を設定し、前記電流検出器により検出された電流値が前記正側電流目標値を超えた場合、前記第１の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチをオフし、前記第２の半導体スイッチ及び前記第３の半導体スイッチをオンし、前記電流検出器により検出された電流値が前記負側電流目標値を下回った場合、前記第１の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチをオンし、前記第２の半導体スイッチ及び前記第３の半導体スイッチをオフする。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、一実施形態に係る電力増幅装置１の構成例を示す説明図である。
電力増幅装置１は、入力された音声信号（入力音声信号）に基づき、スピーカ２で出力する為の音声信号（出力音声信号）を生成する装置である。電力増幅装置１は、音声を出力するスピーカ２が接続されることにより、音響装置３が構成される。
図１は、一実施形態に係る電力増幅装置１の構成例を示す説明図である。
電力増幅装置１は、入力された音声信号（入力音声信号）に基づき、スピーカ２で出力する為の音声信号（出力音声信号）を生成する装置である。電力増幅装置１は、音声を出力するスピーカ２が接続されることにより、音響装置３が構成される。
【0012】
電力増幅装置１は、電源入力端子１１、音声信号入力端子１２、音声信号出力端子１４、音量信号入力端子１３、双方向電力変換回路１５、電流検出器１６、電圧検出器１７、及び制御回路１８を備える。
【0013】
電源入力端子１１は、直流電圧源ＤＣに接続される。電源入力端子１１には、直流電圧源ＤＣから直流電圧が入力される。
【0014】
音声信号入力端子１２は、アナログの音声信号（入力音声信号）を出力する機器に接続されるＡＵＸ端子である。音声信号入力端子１２には、入力音声信号が入力される。例えば、音声信号入力端子１２には、マイク、プリアンプなど、小信号の音声信号を出力する機器が接続される。
【0015】
音量信号入力端子１３は、音量信号が入力されるＶｏｌｕｍｅ端子である。音量信号は、音声信号入力端子１２に入力された入力音声信号を増幅させる為の信号である。
【0016】
音声信号出力端子１４は、スピーカ２に接続されるＶｏｕｔ端子である。音声信号出力端子１４は、入力音声信号に応じて電力増幅装置１により生成されたアナログの音声信号（出力音声信号）を出力し、スピーカ２に供給する。
【0017】
双方向電力変換回路１５は、制御回路１８の制御に基づいてスイッチングを行うことにより、入力された直流電圧を、任意の電圧の直流に変換する回路である。これに直流カットキャパシタＣ３を設けることにより、直流成分が排除された交流の音声信号が負荷に出力される。
【0018】
双方向電力変換回路１５は、第１の平滑キャパシタＣ１、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、第４の半導体スイッチＳ４、第１のインダクタＬ１、第２の平滑キャパシタＣ２、直流カットキャパシタＣ３、第４の平滑キャパシタＣ４、及び第２のインダクタＬ２を備える。
【0019】
第１の平滑キャパシタＣ１の一対の端子は、それぞれ電源入力端子１１の一対の端子に接続される。第１の平滑キャパシタＣ１は、電源入力端子１１から供給された直流電圧を平滑し、後段の回路に供給する。
【0020】
第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、半波導通スイッチである。第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、ドレインからソースへの導通状態を、ゲートの電位によって導通（オン）と遮断（オフ）に切り替える。
【0021】
また、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、いずれもソース側からドレイン側の向きのボディダイオードとしても機能する。即ち、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、ゲートの電位に関わらずソースからドレインに電流が流れるダイオードとして機能する。
【0022】
なお、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、それぞれＰチャネルＭＯＳＦＥＴであってもよい。また、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、それぞれＩＧＢＴ、ＳｉＣ、ＧａＮ－ＨＥＭＴなどの半導体スイッチであってもよい。また、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４は、複数の半導体スイッチが１つのパッケージに納められたインテリジェントパワーモジュールであってもよい。
【0023】
第１の半導体スイッチＳ１のドレイン端子は、第１の平滑キャパシタＣ１の正極側の端子に接続されている。第１の半導体スイッチＳ１のソース端子は、第２の半導体スイッチＳ２のドレイン端子に接続されている。第２の半導体スイッチＳ２のソース端子は、第１の平滑キャパシタＣ１の負極側の端子に接続されている。即ち、第１の半導体スイッチＳ１と第２の半導体スイッチＳ２との直列（直列接続）は、第１の平滑キャパシタＣ１に並列接続されている。
【0024】
第３の半導体スイッチＳ３のドレイン端子は、第２の平滑キャパシタＣ２の正極側の端子に接続されている。第３の半導体スイッチＳ３のソース端子は、第４の半導体スイッチＳ４のドレイン端子に接続されている。第４の半導体スイッチＳ４のソース端子は、第２の平滑キャパシタＣ２の負極側の端子に接続されている。即ち、第３の半導体スイッチＳ３と第４の半導体スイッチＳ４との直列（直列接続）は、第２の平滑キャパシタＣ２に並列接続されている。
【0025】
第１の半導体スイッチＳ１と第２の半導体スイッチＳ２との接続点を第１の接続点Ｍ１と称し、第３の半導体スイッチＳ３と第４の半導体スイッチＳ４との接続点を第２の接続点Ｍ２と称する。第１のインダクタＬ１及び電流検出器１６は、第１の接続点Ｍ１と第２の接続点Ｍ２との間に直列接続されている。
【0026】
第４の平滑キャパシタＣ４は、第２のインダクタＬ２と直列に接続され、直列回路ＳＣ１を構成している。第４の平滑キャパシタＣ４の負極側の端子は、第２の平滑キャパシタＣ２の負極側の端子に接続されている。第４の平滑キャパシタＣ４の正極側の端子は、第２のインダクタＬ２の一方の端子に接続されている。第２のインダクタＬ２の他方の端子は、第２の平滑キャパシタＣ２の正極側の端子に接続されている。即ち、直列回路ＳＣ１は、第２の平滑キャパシタＣ２と並列に接続されている。
【0027】
第２のインダクタＬ２は、低周波では電流を通しやすく高周波では電流を通しにくい特性を有する。第２のインダクタＬ２のインダクタンスをＬ、第２のインダクタＬ２に流れる電流ＩＬ２の周波数をｆとした場合、第２のインダクタＬ２に流れる電流ＩＬ２は、ＩＬ２＝Ｖ／（２πｆＬ）となる。例えば、第２のインダクタＬ２に流れる電流ＩＬ２の周波数が１００Ｈｚである時の電流ＩＬ２を１とすると、１ｋＨｚの時は０．１、１０ｋＨｚの時は０．０１となる。
【0028】
第４の平滑キャパシタＣ４と第２のインダクタＬ２とからなる直列回路ＳＣ１は、第２の平滑キャパシタＣ２と並列に接続されることにより、電荷を蓄えるタンク回路ＴＣ１を構成する。タンク回路ＴＣ１の容量は、第２の平滑キャパシタＣ２と第４の平滑キャパシタＣ４との和の容量である。第１の平滑キャパシタＣ１の容量を双方向電力変換回路１５の入力側容量とすると、双方向電力変換回路１５の出力側容量は、第２の平滑キャパシタＣ２と直列回路ＳＣ１とからなるタンク回路ＴＣ１の合成容量となる。すなわち、第２の平滑キャパシタＣ２及び直列回路ＳＣ１は、出力電圧を保持する電圧源として機能する。
【0029】
第４の平滑キャパシタＣ４に第２のインダクタＬ２が直列接続されている。この為、直列回路ＳＣ１は、周波数依存性がある。すなわち、タンク回路ＴＣ１の容量は、電流の周波数によって変動する。タンク回路ＴＣ１の容量は、電流の周波数が高くなる程、第２の平滑キャパシタＣ２の容量に近づく。また、タンク回路ＴＣ１の容量は、電流の周波数が低くなる程、第２の平滑キャパシタＣ２の容量と第４の平滑キャパシタＣ４との和に近づく。例えば、周波数が十分に低い場合、タンク回路ＴＣ１の容量は、第２の平滑キャパシタＣ２の容量と第４の平滑キャパシタＣ４との合成容量になる。また、周波数が十分に高い場合、タンク回路ＴＣ１の容量は、第２の平滑キャパシタＣ２の容量になる。また、周波数が十分に低い場合と十分に高い場合との間では、タンク回路ＴＣ１の容量は、第２の平滑キャパシタＣ２の容量に、直列回路ＳＣ１の周波数に応じた容量が加算される。なお、周波数が十分に高い状態とは、第２のインダクタＬ２にほとんど電流が流れない状態を示す。また、周波数が十分に低い状態とは、第２のインダクタＬ２により電流が減少しない状態を示す。
【0030】
タンク回路ＴＣ１の第２の平滑キャパシタＣ２及び直列回路ＳＣ１の正極側の端子は、直流カットキャパシタＣ３の一方の端子に接続されている。直流カットキャパシタＣ３の他方の端子は、音声信号出力端子１４の一方に接続されている。また、第２の平滑キャパシタＣ２及び直列回路ＳＣ１の負極側の端子は、音声信号出力端子１４の他方に接続されている。音声信号出力端子１４に負荷としてのスピーカ２が接続された場合、直流カットキャパシタＣ３は、タンク回路ＴＣ１と、負荷とに直列接続される。直流カットキャパシタＣ３は、タンク回路ＴＣ１の電位が、ゼロを中心とした交流となるように電圧を変換し、負荷に出力する。すなわち、直流カットキャパシタＣ３は、タンク回路ＴＣ１の直流成分のみをカットし、ゼロを中心とした交流電圧に変換し、負荷に供給する。
【0031】
電流検出器１６は、第１の接続点Ｍ１と第２の接続点Ｍ２との間を流れる電流を検出する。電流検出器１６は、例えば第１の接続点Ｍ１と第２の接続点Ｍ２との間に、第１のインダクタＬ１と直列接続される。電流検出器１６は、検出結果である電流信号ＩＳ１を制御回路１８に供給する。
【0032】
電圧検出器１７は、第２の平滑キャパシタＣ２の両端士間の電圧を検出する。電圧検出器１７は、第２の平滑キャパシタＣ２の両端士の間に接続される。電圧検出器１７は、検出結果である電圧信号ＶＳ１を制御回路１８に供給する。
【0033】
制御回路１８は、双方向電力変換回路１５の第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４のオンオフを制御する。制御回路１８は、音声信号入力端子１２に入力される入力音声信号ＡＵＸ、音量信号入力端子１３に入力される音量信号Ｖｏｌｕｍｅ、電流検出器１６から供給される電流信号ＩＳ１、及び電圧検出器１７から供給される電圧信号ＶＳ１に基づいて、第１の半導体スイッチＳ１を制御する制御信号Ｐ１、第２の半導体スイッチＳ２を制御する制御信号Ｐ２、第３の半導体スイッチＳ３を制御する制御信号Ｐ３、及び第４の半導体スイッチＳ４を制御する制御信号Ｐ４をそれぞれ生成する。制御回路１８は、制御信号Ｐ１を第１の半導体スイッチＳ１に入力し、制御信号Ｐ２を第２の半導体スイッチＳ２に入力し、制御信号Ｐ３を第３の半導体スイッチＳ３に入力し、制御信号Ｐ４を第４の半導体スイッチＳ４に入力する。これにより、制御回路１８は、入力音声信号ＡＵＸを音量信号Ｖｏｌｕｍｅに応じた強度の出力音声信号Ｖｏｕｔに変換するように、双方向電力変換回路１５を制御する。
【0034】
次に、制御回路１８の動作について説明する。
まず、タンク回路ＴＣ１の電位を増減させる場合の制御回路１８の動作について説明する。なお、本例では、第１のインダクタＬ１を流れる電流を電流ＩＬ１とし、第２の平滑キャパシタＣ２の両端子間の電圧を電圧ＶＣ２として説明する。また、電流ＩＬ１の値は、電流検出器１６から供給される電流信号ＩＳ１により示され、電圧ＶＣ２の値は、電圧検出器１７から供給される電圧信号ＶＳ１により示されるものとして説明する。
まず、タンク回路ＴＣ１の電位を増減させる場合の制御回路１８の動作について説明する。なお、本例では、第１のインダクタＬ１を流れる電流を電流ＩＬ１とし、第２の平滑キャパシタＣ２の両端子間の電圧を電圧ＶＣ２として説明する。また、電流ＩＬ１の値は、電流検出器１６から供給される電流信号ＩＳ１により示され、電圧ＶＣ２の値は、電圧検出器１７から供給される電圧信号ＶＳ１により示されるものとして説明する。
【0035】
図２及び図３は、電圧ＶＣ２を増加させる場合の制御信号Ｐ１乃至Ｐ４と、第１のインダクタＬ１を流れる電流ＩＬ１の値と、電圧ＶＣ２の値と、出力音声信号Ｖｏｕｔとの関係について説明する為の説明図である。図２及び図３の横軸は、時間を示す。縦軸は、上から順に制御信号Ｐ１及びＰ４、制御信号Ｐ２及びＰ３、第１のインダクタＬ１を流れる電流ＩＬ１の値、電圧ＶＣ２の値、出力音声信号Ｖｏｕｔの値をそれぞれ示す。
【0036】
図２は、電圧ＶＣ２を増加させる場合の制御信号Ｐ１及びＰ４、制御信号Ｐ２及びＰ３、電流ＩＬ１、電圧ＶＣ２、及び出力音声信号Ｖｏｕｔについて説明する為の説明図である。また、図３は、電圧ＶＣ２を減少させる場合の制御信号Ｐ１及びＰ４、制御信号Ｐ２及びＰ３、電流ＩＬ１、電圧ＶＣ２、及び出力音声信号Ｖｏｕｔについて説明する為の説明図である。
【0037】
図２では、制御回路１８は、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間、制御信号Ｐ１及びＰ４をオン状態（即ち第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオン）にし、制御信号Ｐ２及びＰ３をオフ状態（即ち第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオフ）にする。
【0038】
この場合、第１の平滑キャパシタＣ１の電位によって、第１の平滑キャパシタＣ１の高圧側の端子、第１の半導体スイッチＳ１、第１のインダクタＬ１、電流検出器１６、第４の半導体スイッチＳ４、第１の平滑キャパシタＣ１の低圧側の端子の順の経路で形成された閉ループに電流ＩＬ１が流れる。この閉ループを流れる電流ＩＬ１は、第１のインダクタＬ１の電磁気的作用の為、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間に徐々に増加する。即ち、この閉ループに電流ＩＬ１が流れることによって、電気的エネルギーが第１のインダクタＬ１の磁気エネルギーに変換される。
【0039】
次に、制御回路１８は、タイミングｔ２において、制御信号Ｐ１及びＰ４をオフ状態にする。これにより、タイミングｔ２からタイミングｔ３までの間、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４がオフになる。
【0040】
第１の半導体スイッチＳ１がオフされると、第１の接続点Ｍ１の電位が０以下になる。この為、第２の半導体スイッチＳ２のドレイン端子は、第２の半導体スイッチＳ２のソース端子より電位が低い状態になる。この為、第２の半導体スイッチＳ２は、ソース側からドレイン側の向きのボディダイオードとして機能する。
【0041】
また、第４の半導体スイッチＳ４がオフされると、第２の接続点Ｍ２の電位が電圧ＶＣ２よりも高くなる。この為、第３の半導体スイッチＳ３のドレイン端子は、第３の半導体スイッチＳ３のソース端子より電位が低い状態になる。この為、第３の半導体スイッチＳ３は、ソース側からドレイン側の向きのボディダイオードとして機能する。
【0042】
第１のインダクタＬ１には、電気エネルギーから変換された磁気エネルギーが蓄積されている。第１のインダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーによって、第１のインダクタＬ１、第３の半導体スイッチＳ３、タンク回路ＴＣ１、第２の半導体スイッチＳ２、第１のインダクタＬ１の順の経路で形成された閉ループに電流ＩＬ１が流れる。この閉ループに電流ＩＬ１が流れることによって、磁気エネルギーが電気的エネルギーに変換される。この向きの電流ＩＬ１は、タンク回路ＴＣ１のキャパシタ（第２の平滑キャパシタＣ２及び第４の平滑キャパシタＣ４）の電荷を増やし、タンク回路ＴＣ１の電圧を上昇させる。即ち、第１のインダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーが、電気エネルギーに再変換され、タンク回路ＴＣ１に蓄積される。
【0043】
なお、電気エネルギーがタンク回路ＴＣ１に蓄積されるにつれて、第１のインダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーが減少する。この結果、タイミングｔ１からタイミングｔ２の間で右上がりだった電流ＩＬ１は、タイミングｔ２から右下がりに変化する。
【0044】
次に、制御回路１８は、タイミングｔ３において、制御信号Ｐ２及びＰ３をオン状態にする。これにより、タイミングｔ３からタイミングｔ４までの間、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３がオンになる。この場合、動作は変わらない。この場合も、第１のインダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーによって、第１のインダクタＬ１、第３の半導体スイッチＳ３、タンク回路ＴＣ１、第２の半導体スイッチＳ２、第１のインダクタＬ１の順に電流ＩＬ１が流れる。これにより、タンク回路ＴＣ１の電圧が増加する。
【0045】
また、第１のインダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーが減少し、磁気エネルギーが全てタンク回路ＴＣ１の電荷エネルギーに変換されると、電流ＩＬ１がゼロになる。さらに、タンク回路ＴＣ１の電圧が第１のインダクタＬ１と逆向きに印加されている為、逆向きの電流が流れ始める。すなわち、タンク回路ＴＣ１の電荷エネルギーが、再び第１のインダクタＬ１の磁気エネルギーに変換され始める。即ち、電流ＩＬ１がマイナスになり、第１のインダクタＬ１、第２の半導体スイッチＳ２、タンク回路ＴＣ１、第３の半導体スイッチＳ３、第１のインダクタＬ１の順に電流ＩＬ１が流れる。
【0046】
次に、制御回路１８は、タイミングｔ４において、制御信号Ｐ２及びＰ３をオフ状態にする。これにより、タイミングｔ４からタイミングｔ５までの間、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４がオフになる。
【0047】
この場合、第１の接続点Ｍ１の電位は、第１の平滑キャパシタＣ１の電位以上に上昇する。この為、第１の半導体スイッチＳ１は、ソース側からドレイン側の向きのボディダイオードとして機能する。また、第２の接続点Ｍ２の電位は、ＧＮＤ電圧以下に下がる。この為、第４の半導体スイッチＳ４は、ソース側からドレイン側の向きのボディダイオードとして機能する。
【0048】
さらに、第１のインダクタＬ１は、第２の接続点Ｍ２から第１の接続点Ｍ１の向きに電流ＩＬ１を流し続けようとする。この為、第１のインダクタＬ１、第１の半導体スイッチＳ１、第１の平滑キャパシタＣ１、第４の半導体スイッチＳ４、第１のインダクタＬ１の順に電流ＩＬ１が流れる。
【0049】
次に、制御回路１８は、タイミングｔ５において、再び制御信号Ｐ１及びＰ４をオン状態にする。これにより、タイミングｔ５からタイミングｔ６までの間、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオンにし、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオフにする。
【0050】
この場合、第１のインダクタＬ１は、第２の接続点Ｍ２から第１の接続点Ｍ１の向きに電流ＩＬ１を流し続けようとする。この為、第１のインダクタＬ１、第１の半導体スイッチＳ１、第１の平滑キャパシタＣ１、第４の半導体スイッチＳ４、第１のインダクタＬ１の順に電流ＩＬ１が流れる閉ループが維持される。
【0051】
また、第１のインダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーが減少し、磁気エネルギーが全て第１の平滑キャパシタＣ１の電荷エネルギーに変換されると、電流ＩＬ１がゼロになる。さらに、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧により第１のインダクタＬ１に第１の接続点Ｍ１から第２の接続点Ｍ２の向きで電流が流れ始める。すなわち、第１の平滑キャパシタＣ１の電荷エネルギーが、再び第１のインダクタＬ１の磁気エネルギーに変換され始める。
【0052】
即ち、電流ＩＬ１がプラスになり、第１の平滑キャパシタＣ１、第１の半導体スイッチＳ１、第１のインダクタＬ１、第４の半導体スイッチＳ４、第１の平滑キャパシタＣ１の順に電流ＩＬ１が流れる。これは、上記のタイミングｔ１からタイミングｔ２までの間と同様である。また、これ以降の処理も、上記のタイミングｔ２からタイミングｔ４までの間と同様である。
【0053】
制御回路１８は、上記のタイミングｔ１乃至タイミングｔ４に亘るフェーズを周期的に繰り返すことにより、第１のインダクタＬ１に流れる高周波三角波電流である電流ＩＬ１を生成する。
【0054】
なお、電流ＩＬ１の傾きは、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧と、タンク回路ＴＣ１の電圧との両方によって決まる。具体的には、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４がオンである場合、電流ＩＬ１は増加する。さらに、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４がオンである場合の電流ＩＬ１の傾きは、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧に依存する。より具体的には、電流ＩＬ１の正の勾配（右上がり）は、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧に依存し、電流ＩＬ１の負の勾配（右下がり）は、タンク回路ＴＣ１の電圧に依存する。即ち、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧が高ければ、右上がりの勾配が急になり、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧が低ければ、右上がりの勾配が緩くなる。また、タンク回路ＴＣ１の電圧が高ければ、右下がりの勾配が急になり、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧が低ければ、右下がりの勾配が緩くなる。
【0055】
制御回路１８は、まず第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオンし、第１のインダクタＬ１に流れる高周波三角波電流である電流ＩＬ１が、図２に示される正側電流目標値に達した場合、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオフする。また、制御回路１８は、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオンし、第１のインダクタＬ１に流れる高周波三角波電流である電流ＩＬ１が、図２に示される負側電流目標値に達した場合、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオフする。これにより、制御回路１８は、正側電流目標値と負側電流目標値とを往復する高周波三角波電流である電流ＩＬ１を双方向電力変換回路１５に生成させる。
【0056】
制御回路１８は、電流ＩＬ１が図２における範囲ＲＩを最低限往復するように正側電流目標値及び負側電流目標値を設定する。範囲ＲＩは、双方向電力変換回路１５の仕様によって決まる。例えば、範囲ＲＩは、第１の平滑キャパシタＣ１、タンク回路ＴＣ１、及び第１のインダクタＬ１のインダクタンスなどによって決まる。範囲ＲＩは、０［Ａ］を中心とした、正の値である第１の閾値から、負の値である第２の閾値までの範囲である。即ち、第１の閾値と第２の閾値との絶対値は同じ値である。第１の閾値は、例えば＋ｍ［Ａ］であり、第２の閾値は、－ｍ［Ａ］である。即ち、範囲ＲＩは、－ｍ［Ａ］から＋ｍ［Ａ］の範囲である。電流ＩＬ１が範囲ＲＩを往復する高周波三角波電流である場合、電流の平均値はゼロとなる。
【0057】
なお、すなわち、電流ＩＬ１が往復する振幅が、正側と負側とで同じであれば、電流ＩＬ１の平均値は０になる。例えば、電流ＩＬ１を＋ｍ［Ａ］と－ｍ［Ａ］との間で往復させる、すなわち、最低限往復させる必要がある範囲で、正側と負側とで同じ振幅で電流ＩＬ１を往復させることにより、回路に余計な電流を流す必要がなくなる。また、電流ＩＬ１を＋ｍ［Ａ］と－ｍ［Ａ］との間で往復させるようにすることにより、第１の半導体スイッチＳ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４のオンオフによる一連の動作を担保することができる。すなわち電流ピーク値が変化するだけで、回路動作自体は同じ動作の繰り返しを維持できる。
【0058】
例えば、電流ＩＬ１の正側のピークが＋ｍ［Ａ］を超え、電流ＩＬ１の負側のピークが－ｍ［Ａ］程度である場合、電流の平均値が正側になる。この場合、第１の平滑キャパシタＣ１の電荷は、より多く電流として引き抜かれ、電流ＩＬ１がゼロに達するまでの間に、タンク回路ＴＣ１にチャージされる。即ち、第１の平滑キャパシタＣ１の電荷がタンク回路ＴＣ１に移動し、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧が減少し、タンク回路ＴＣ１の電圧が増加する。なお、第１の平滑キャパシタＣ１は、電源入力端子１１から供給された直流電力により蓄電される。即ち、第１の平滑キャパシタＣ１は、直流電圧源ＤＣから供給された電力により復活し、直流電圧源ＤＣから供給される一定の電圧に維持される。
【0059】
制御回路１８は、正側電流目標値を第１の閾値より大きく設定し、負側電流目標値を第２の閾値程度に設定することにより、電流ＩＬ１の平均を正側に振ることができる。この結果、制御回路１８は、電圧ＶＣ２を増加させることができる。
【0060】
図２の例では、正側電流目標値が第１の閾値より大きく設定されている。この為、電圧ＶＣ２が徐々に増加している。電圧ＶＣ２は、直流カットキャパシタＣ３によって直流成分がカットされ、出力音声信号Ｖｏｕｔとして音声信号出力端子１４から出力される。出力音声信号Ｖｏｕｔは、電圧ＶＣ２の変化に伴って徐々に増加する。
【0061】
また、図３でも、制御回路１８の動作は、図２の例と同様である。即ち、図３のタイミングｔ１１乃至タイミングｔ１６において、制御回路１８は、図２のタイミングｔ１乃至タイミングｔ６と同様の処理を行う。図３の例は、正側電流目標値が電流ＩＬ１の第１の閾値程度に設定され、負側電流目標値が電流ＩＬ１の第２の閾値よりも低く設定されている点が図２の例と異なる。
【0062】
図３の例では、電流ＩＬ１の平均値が負側になる。この場合、タンク回路ＴＣ１の電荷は、充電される量に比べて第１のインダクタＬ１に引き抜かれる量の方が多くなる。即ち、双方向電力変換の動作（逆動作）により、タンク回路ＴＣ１の電荷が第１の平滑キャパシタＣ１に移動し、第１の平滑キャパシタＣ１の電圧が増加し、タンク回路ＴＣ１の電圧が減少する。
【0063】
上記の様に、制御回路１８は、正側電流目標値を第１の閾値程度に設定し、負側電流目標値を第２の閾値よりも低く設定することにより、電流ＩＬ１の平均を負側に振ることができる。この結果、制御回路１８は、電圧ＶＣ２を減少させることができる。
【0064】
図３の例では、負側電流目標値が第２の閾値よりも小さく設定されている。この為、電圧ＶＣ２が徐々に減少している。電圧ＶＣ２は、直流カットキャパシタＣ３によって直流成分がカットされ、出力音声信号Ｖｏｕｔとして音声信号出力端子１４から出力される。出力音声信号Ｖｏｕｔは、電圧ＶＣ２の変化に伴って徐々に減少する。
【0065】
次に、タンク回路ＴＣ１の電位を増減させることにより、出力音声信号Ｖｏｕｔを生成する場合の、制御回路１８の動作について説明する。
【0066】
制御回路１８は、入力音声信号ＡＵＸに基づいて、上記のスイッチング動作、及び電流目標値の設定を繰り返し実行することにより、入力音声信号ＡＵＸに応じた出力音声信号Ｖｏｕｔを双方向電力変換回路１５に生成させる。制御回路１８は、例えば、１００ｋＨｚ乃至１ＭＨｚ程度の周波数で、上記のスイッチング動作を行うことにより、入力音声信号ＡＵＸに応じた出力音声信号Ｖｏｕｔを、双方向電力変換回路１５に生成させる。
【0067】
制御回路１８は、上記のスイッチング動作によって、電流ＩＬ１の平均値を正側に偏極させることにより、電圧ＶＣ２を増加させる。また、制御回路１８は、上記のスイッチング動作によって、電流ＩＬ１の平均値を負側に偏極させることにより、電圧ＶＣ２を減少させる。この変動は、直流カットキャパシタＣ３を介することによって、ゼロ電圧を基準とした電圧変動として現れる。例えば、制御回路１８は、電圧ＶＣ２を増加させる動作と減少させる動作とを、５００Ｈｚ周期で切り替えて行うことにより、５００Ｈｚ周期の電圧変動を発生させる。
【0068】
また、電圧変動の振幅は、出力音声信号Ｖｏｕｔにおける音量に相当する。出力音声信号Ｖｏｕｔにおける変動は、電流ＩＬ１の平均値の絶対値に応じて大きくなる。電流ＩＬ１の平均値の絶対値は、範囲ＲＩの上限と正側電流目標値との差、または範囲ＲＩの下限と負側電流目標値との差に応じて決まる。
【0069】
例えば、制御回路１８は、大きい入力音声信号ＡＵＸが入力された場合、正極側に多くの電流を流すように正側電流目標値及び負側電流目標値を設定する。これにより、第１の平滑キャパシタＣ１からタンク回路ＴＣ１に移動する電荷量が増加する。これにより、電圧ＶＣ２が比較的早く増加する。これに伴い、出力音声信号Ｖｏｕｔの電圧の増加も早くなる。この結果、同一時間内で比較して、出力音声信号Ｖｏｕｔが著しく高くなる。
【0070】
次に、制御回路１８は、負極側に多くの電流を流すように、正側電流目標値及び負側電流目標値を設定する。これにより、タンク回路ＴＣ１から第１の平滑キャパシタＣ１に移動する電荷量が増加する。これにより、電圧ＶＣ２が比較的早く減少する。これに伴い、出力音声信号Ｖｏｕｔの電圧の減少も早くなる。この結果、同一時間内で比較して、出力音声信号Ｖｏｕｔが著しく低くなる。制御回路１８は、このような処理によって、変動が大きい出力音声信号Ｖｏｕｔを生成させる。
【0071】
また、例えば、制御回路１８は、入力音声信号ＡＵＸが小さくなった場合、電流ＩＬ１の平均値の絶対値が減少するように、正側電流目標値及び負側電流目標値を設定する。これにより、第１の平滑キャパシタＣ１とタンク回路ＴＣ１との間で移動する電荷量が減少する。これにより、電圧ＶＣ２の変動が減少する。この結果、同一時間内で比較して、出力音声信号Ｖｏｕｔの変動が小さくなる。
【0072】
このように、制御回路１８は、範囲ＲＩの外側で電流ＩＬ１が往復しつつ、且つ電流ＩＬ１の平均値が、電流目標値となるように正側電流目標値及び負側電流目標値を設定する。これにより、出力音声信号Ｖｏｕｔの変動の振幅を制御することができる。即ち、制御回路１８は、正側電流目標値及び負側電流目標値の設定によってを音量を制御することができる。
【0073】
図４は、入力音声信号ＡＵＸと、電流ＩＬ１の平均値と、出力音声信号Ｖｏｕｔとの関係について説明する為の説明図である。ここでは、入力音声信号ＡＵＸは、例えば１００Ｈｚの音声信号と、８００Ｈｚの音声信号が重畳された信号であるとする。
【0074】
例えば、タイミングｔ２１のように、入力音声信号ＡＵＸの傾きがゼロである場合、出力音声信号Ｖｏｕｔも変化させる必要がない。この為、第１の平滑キャパシタＣ１とタンク回路ＴＣ１との間で電荷を移動させる必要が無い。即ち、電流ＩＬ１の平均値はゼロでよい。この場合、制御回路１８は、例えば、正側電流目標値を範囲ＲＩの上限に設定し、負側電流目標値を範囲ＲＩの下限に設定する。
【0075】
また、例えば、タイミングｔ２２のように、入力音声信号ＡＵＸの傾きが右上がりである場合、出力音声信号Ｖｏｕｔの傾きも右上がりにする必要がある。この場合、第１の平滑キャパシタＣ１からタンク回路ＴＣ１に電荷を移動させる必要がある。また、第１の平滑キャパシタＣ１からタンク回路ＴＣ１への電荷の移動量は、入力音声信号ＡＵＸの傾きによって決まる。即ち、電流ＩＬ１の平均値は、入力音声信号ＡＵＸの微分値として表される。微分値の算出方法としては、微小時間前の入力音声信号ＡＵＸと、現時刻における入力音声信号ＡＵＸとの電圧値を比較する方法がある。具体的には、微分値＝（現時刻の入力音声信号ＡＵＸの電圧値－微小時間前の入力音声信号ＡＵＸの電圧値）／（現時刻－微小時間前の時刻）により算出される。制御回路１８は、この微分値に相当する電流が流れるように、正側電流目標値及び負側電流目標値を適宜設定する。
【0076】
また、例えば、タイミングｔ２３のように、入力音声信号ＡＵＸの傾きが右下がりである場合、出力音声信号Ｖｏｕｔの傾きも右下がりにする。この場合、タンク回路ＴＣ１から第１の平滑キャパシタＣ１に電荷を移動させる必要がある。この場合も、制御回路１８は、入力音声信号ＡＵＸの傾きの微分値に相当する電流が流れるように、正側電流目標値及び負側電流目標値を適宜設定する。微分値の算出方法としては、上記の方法と同様である。
【0077】
なお、入力音声信号ＡＵＸの傾きがゼロである場合も、上記の微分値の算出方法により微分値を算出した結果、微分値がゼロになる。これは、現時刻の入力音声信号ＡＵＸの電圧値と微小時間前の入力音声信号ＡＵＸの電圧値とが等しい為である。この結果、電流ＩＬ１の平均値がゼロになるように制御が働く。
【0078】
以上のように、入力音声信号ＡＵＸに複数の周波数の信号が重畳されており、且つ入力音声信号ＡＵＸの強弱がある場合であっても、制御回路１８は、入力音声信号ＡＵＸの微分値に応じた電流ＩＬ１が流れるように、正側電流目標値及び負側電流目標値を設定することにより、入力音声信号ＡＵＸに応じた出力音声信号Ｖｏｕｔを、生成させることができる。
【0079】
次に、上記のような動作を行う制御回路１８の構成例について詳細に説明する。
図５は、制御回路１８の構成例について説明する為の説明図である。制御回路１８は、入力音声信号ＡＵＸが入力される端子、音量信号Ｖｏｌｕｍｅが入力される端子、電流信号ＩＳ１が入力される端子、及び電圧信号ＶＳ１が入力される端子を備える。また、制御回路１８は、制御信号Ｐ１乃至制御信号Ｐ４を出力する端子を備える。
図５は、制御回路１８の構成例について説明する為の説明図である。制御回路１８は、入力音声信号ＡＵＸが入力される端子、音量信号Ｖｏｌｕｍｅが入力される端子、電流信号ＩＳ１が入力される端子、及び電圧信号ＶＳ１が入力される端子を備える。また、制御回路１８は、制御信号Ｐ１乃至制御信号Ｐ４を出力する端子を備える。
【0080】
また、制御回路１８は、フィードバック制御器ＰＩＤ、乗算器ＭＵＬ、積分器ＩＮＴ、差分器ＳＵＢ、第１の加算器ＡＤＤ１、第２の加算器ＡＤＤ２、第３の加算器ＡＤＤ３、第４の加算器ＡＤＤ４、第５の加算器ＡＤＤ５、絶対値変換器ＡＢＳ、反転変換器ＩＮＶ、第１のコンパレータＣＰ１、第２のコンパレータＣＰ２、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１、第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２、ラッチ回路ＬＡＴＣＨ、判定回路２１、及び強制停止回路２２を備える。
【0081】
フィードバック制御器ＰＩＤは、入力信号の積分、微分、定数項などのパラメータ調整をする制御器である。即ち、フィードバック制御器ＰＩＤは、Proportional Integral Differential（ＰＩＤ）制御を行う。
【0082】
乗算器ＭＵＬは、入力される２つの信号を乗算した値を出力する。
【0083】
積分器ＩＮＴは、入力信号の積分値を出力する。
【0084】
差分器ＳＵＢは、入力される２つの信号の差分値を出力する。
【0085】
第１の加算器ＡＤＤ１乃至第５の加算器ＡＤＤ５は、入力信号の加算値を出力する。
【0086】
絶対値変換器ＡＢＳは、入力信号の絶対値（正の値）を出力する。
【0087】
反転変換器ＩＮＶは、入力信号の極性を反転させて出力する。
【0088】
第１のコンパレータＣＰ１及び第２のコンパレータＣＰ２は、入力される２つの信号の正負の判定結果に基づいて、トリガー信号を出力する。
【0089】
第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１及び第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２は、条件分岐付き制御器である。第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１及び第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２は、入力信号がＬレベル（Ｌｏｗレベル）からＨレベル（Ｈｉｇｈレベル）に代わる場合に、予め設定された時間だけ入力信号を遅延させて出力する。なお、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１及び第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２は、入力信号がＨレベルからＬレベルに代わる場合、入力信号を遅延させずに出力する。
【0090】
ラッチ回路ＬＡＴＣＨは、１ビットの情報を保持する回路である。ラッチ回路ＬＡＴＣＨは、Ｓ端子に第２のコンパレータＣＰ２からトリガー信号が入力された場合、それ以降Ｑ端子から出力する信号をＨレベルで維持する状態になる。また、ラッチ回路ＬＡＴＣＨは、Ｒ端子に第１のコンパレータＣＰ１からトリガー信号が入力された場合、それ以降Ｑ端子から出力する信号をＬレベルで維持する状態になる。
【0091】
判定回路２１は、入力音声信号ＡＵＸの有無を判定する回路である。判定回路２１は、判定結果を示す信号を強制停止回路２２に供給する。
【0092】
強制停止回路２２は、判定回路２１からの信号に応じて、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１と制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３の出力端子との接続、第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２と制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４の出力端子との接続をそれぞれ遮断する。
【0093】
次に、制御回路１８における信号の流れについて説明する。
フィードバック制御器ＰＩＤには入力音声信号ＡＵＸが入力される。フィードバック制御器ＰＩＤは、入力音声信号ＡＵＸにＰＩＤ制御を行い、結果を乗算器ＭＵＬに出力する。フィードバック制御器ＰＩＤの主な演算効果は、微分である。即ち、フィードバック制御器ＰＩＤは、入力音声信号ＡＵＸの電圧の変化（微分値）を出力する。また、フィードバック制御器ＰＩＤは、積分項及び定数項も適宜調整する。
フィードバック制御器ＰＩＤには入力音声信号ＡＵＸが入力される。フィードバック制御器ＰＩＤは、入力音声信号ＡＵＸにＰＩＤ制御を行い、結果を乗算器ＭＵＬに出力する。フィードバック制御器ＰＩＤの主な演算効果は、微分である。即ち、フィードバック制御器ＰＩＤは、入力音声信号ＡＵＸの電圧の変化（微分値）を出力する。また、フィードバック制御器ＰＩＤは、積分項及び定数項も適宜調整する。
【0094】
乗算器ＭＵＬには、フィードバック制御器ＰＩＤの出力と、音量信号Ｖｏｌｕｍｅとが入力される。乗算器ＭＵＬは、フィードバック制御器ＰＩＤの出力と、音量信号Ｖｏｌｕｍｅとを乗算した値を、第１の加算器ＡＤＤ１に出力する。即ち、乗算器ＭＵＬは、入力音声信号ＡＵＸの微分値を「音量信号Ｖｏｌｕｍｅ倍」した値を出力する。
【0095】
積分器ＩＮＴには、電圧ＶＣ２を示す電圧信号ＶＳ１が入力される。積分器ＩＮＴは、電圧信号ＶＳ１を所定の時間範囲で積分する。例えば、積分器ＩＮＴは、電圧信号ＶＳ１を比較的大きな時間範囲で積分する。これにより、音声信号の周波数及び振幅がキャンセルされ、電圧ＶＣ２の平均値が積分値（信号中心電圧）として算出される。積分器ＩＮＴは、電圧信号ＶＳ１の積分値を差分器ＳＵＢに出力する。
【0096】
差分器ＳＵＢは、予め設定された定数ＮＥＵと、積分器ＩＮＴからの積分値との差分を第１の加算器ＡＤＤ１に出力する。定数ＮＥＵは、電圧ＶＣ２の振幅の最大値の半分の値として設定される。例えば、電圧ＶＣ２の振幅の最大値を２００Ｖに設定する場合、定数ＮＥＵは、１００Ｖとして設定される。差分器ＳＵＢは、定数ＮＥＵから積分器ＩＮＴの積分値を減算した値を出力する。即ち、定数ＮＥＵより積分器ＩＮＴの積分値が大きい場合、差分器ＳＵＢは、マイナスの値を出力する。また、定数ＮＥＵより積分器ＩＮＴの積分値が小さい場合、差分器ＳＵＢは、プラスの値を出力する。すなわち差分器ＳＵＢは、電圧ＶＣ２の平均値が定数ＮＥＵと等しい値になるように補正をかけている。
【0097】
上記の処理により、第１の加算器ＡＤＤ１には、乗算器ＭＵＬの出力及び差分器ＳＵＢの出力が入力される。第１の加算器ＡＤＤ１は、乗算器ＭＵＬの出力と、差分器ＳＵＢの出力とを加算し、加算値を第２の加算器ＡＤＤ２、第３の加算器ＡＤＤ３、及び絶対値変換器ＡＢＳに出力する。変位信号の周波数は、積分器ＩＮＴの積分時間（積分器ＩＮＴが信号を出力するタイミング）、または電圧検出器１７がＶＳ１を出力するタイミングに依存する。変位信号の周波数は、例えば人間の耳に聞こえない１０Ｈｚ以下の周波数に設定される。である。これにより、電圧ＶＣ２の振幅中心は、常に定数ＮＥＵに保たれる。このように生成された第１の加算器ＡＤＤ１の出力を、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃと称する。中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃは、後述する正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐと負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍとの中心（平均）の値である。
【0098】
絶対値変換器ＡＢＳは、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃの絶対値を第４の加算器ＡＤＤ４及び反転変換器ＩＮＶに出力する。
【0099】
反転変換器ＩＮＶは、絶対値変換器ＡＢＳから出力された正の値である中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃの極性を負に反転させ、絶対値の極性を反転させ、第５の加算器ＡＤＤ５に出力する。即ち、反転変換器ＩＮＶは、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃの絶対値に「－１」を乗算したものを出力する。
【0100】
第４の加算器ＡＤＤ４には、絶対値変換器ＡＢＳから出力された中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃの絶対値と、定数ＢＡＳＥＰとが入力される。第４の加算器ＡＤＤ４は、絶対値変換器ＡＢＳから出力された中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃの絶対値と、定数ＢＡＳＥＰとの和を第２の加算器ＡＤＤ２に出力する。定数ＢＡＳＥＰは、上記の図２及び図３における範囲ＲＩの第１の閾値に相当する値である。即ち、定数ＢＡＳＥＰは、「＋ｍ［Ａ］」である。定数ＢＡＳＥＰは、双方向電力変換回路１５の仕様によって定まる。
【0101】
第２の加算器ＡＤＤ２には、第１の加算器ＡＤＤ１の出力である中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃと、第４の加算器ＡＤＤ４の出力とが入力される。第２の加算器ＡＤＤ２は、第１の加算器ＡＤＤ１の出力である中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃと、第４の加算器ＡＤＤ４の出力との和を、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐとして第１のコンパレータＣＰ１に出力する。即ち、第２の加算器ＡＤＤ２は、第１の加算器ＡＤＤ１の出力である中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃと、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃの絶対値と、定数ＢＡＳＥＰとの和を、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐとして第１のコンパレータＰ１に出力する。
【0102】
第５の加算器ＡＤＤ５には、反転変換器ＩＮＶの出力と定数ＢＡＳＥＭとが入力される。即ち、第５の加算器ＡＤＤ５には、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃの絶対値の極性が反転された値と、定数ＢＡＳＥＭとが入力される。第５の加算器ＡＤＤ５は、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃの絶対値の極性が反転された値と、定数ＢＡＳＥＭとの和を第３の加算器ＡＤＤ３に出力する。定数ＢＡＳＥＭは、上記の図２及び図３における範囲ＲＩの第２の閾値に相当する値である。即ち、定数ＢＡＳＥＭは、「－ｍ［Ａ］」である。定数ＢＡＳＥＭは、双方向電力変換回路１５の仕様によって定まる。
【0103】
第３の加算器ＡＤＤ３には、第１の加算器ＡＤＤ１の出力である中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃと、第５の加算器ＡＤＤ５の出力とが入力される。第３の加算器ＡＤＤ３は、第１の加算器ＡＤＤ１の出力である中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃと、第５の加算器ＡＤＤ５の出力との和を、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍとして第２のコンパレータＣＰ２に出力する。即ち、第３の加算器ＡＤＤ３は、第１の加算器ＡＤＤ１の出力である中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃと、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃの絶対値の極性が反転された値と、定数ＢＡＳＥＰとの和を、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍとして第２のコンパレータＣＰ２に出力する。
【0104】
また、上記の構成によると、第２の加算器ＡＤＤ２及び第３の加算器ＡＤＤ３は、電圧ＶＣ２の平均値（信号中心電圧）の変位が、リアルタイムで正側電流目標値及び負側電流目標値に反映される。
【0105】
上記の構成により、第１のコンパレータＣＰ１には、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐと電流信号ＩＳ１とが入力される。第１のコンパレータＣＰ１は、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐと電流信号ＩＳ１とを比較し、比較結果をラッチ回路ＬＡＴＣＨのＲ端子に出力する。第１のコンパレータＣＰ１は、電流信号ＩＳ１が正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐより大きい場合、トリガー信号を出力する。
【0106】
第２のコンパレータＣＰ２には、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍと電流信号ＩＳ１とが入力される。第２のコンパレータＣＰ２は、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍと電流信号ＩＳ１とを比較し、比較結果をラッチ回路ＬＡＴＣＨのＳ端子に出力する。第２のコンパレータＣＰ２は、電流信号ＩＳ１が負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍより小さい場合、トリガー信号を出力する。
【0107】
ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＲ端子には、第１のコンパレータＣＰ１の出力が入力され、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＳ端子には、第２のコンパレータＣＰ２の出力が入力される。また、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子は、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１に接続され、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子は、第２の遅延器ＤＥＬＡＹ１に接続されている。
【0108】
ラッチ回路ＬＡＴＣＨは、Ｓ端子にＨレベルの信号（Ｈトリガー）が入力された場合、Ｑ端子から第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１にＨレベルの信号を出力し、ＱＢＥＲ端子から第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２に、Ｌレベルの信号を出力する状態を保持する。
【0109】
また、ラッチ回路ＬＡＴＣＨは、Ｒ端子にＨレベルの信号（Ｈトリガー）が入力された場合、Ｑ端子から第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１にＬレベルの信号を出力し、ＱＢＥＲ端子から第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２に、Ｈレベルの信号を出力する状態を保持する。
【0110】
第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１は、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子からの出力を、制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３として出力する。なお、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１は、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子からの出力が、ＬレベルからＨレベルに変化する場合、所定時間遅延させてＨレベルの信号を出力する。
【0111】
第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２は、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子からの出力を、制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４として出力する。なお、第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２は、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子からの出力が、ＬレベルからＨレベルに変化する場合、所定時間遅延させてＨレベルの信号を出力する。
【0112】
判定回路２１は、例えば、第１の加算器ＡＤＤ１から出力された中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃに基づいて、入力音声信号ＡＵＸの有無を判定する。判定回路２１は、例えば、入力音声信号ＡＵＸが０である状態が一定時間継続したか否かを判定する。判定回路２１は、通常時に強制停止回路２２にイネーブル信号を供給し続け、入力音声信号ＡＵＸが０である状態が一定時間継続したと判定した場合、イネーブル信号の出力を停止する。
【0113】
強制停止回路２２は、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１と制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３の出力端子との間、並びに第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２と制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４の出力端子との間に設けられる。強制停止回路２２は、判定回路２１からイネーブル信号を受信している間、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１からの入力を制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３の出力端子に出力し、第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２からの入力を制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４の出力端子に出力する。強制停止回路２２は、判定回路２１からイネーブル信号が供給されない場合、制御信号Ｐ１乃至制御信号Ｐ４の出力端子に対して、強制的にＬレベルを出力する。
【0114】
この構成によると、次に音声信号が入力された場合に、判定回路２１からイネーブル信号が強制停止回路２２に入力される。強制停止回路２２は、判定回路２１からイネーブル信号が入力されると、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１からの入力を制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３の出力端子に出力し、第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２からの入力を制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４の出力端子に出力する。また、ＶＳ１が定数ＮＥＵに対して変位した場合にも、判定回路２１からイネーブル信号が強制停止回路２２に入力される。これは、ＶＳ１が定数ＮＥＵに対して変位した場合に、変位信号が発生する為である。これにより、電圧ＶＣ２の平均値が定数ＮＥＵと等しい値になるように補正される。
【0115】
次に、上記の構成において、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃに基づいて、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐ及び負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍを決定する例について説明する。
【0116】
図６及び図７は、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃに基づいて、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐ及び負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍを決定する処理について説明する為の説明図である。図６及び図７の横軸は、時間を示し、縦軸は、電流値を示す。
【0117】
図６の例では、タイミングｔ３１からタイミングｔ３２に亘って、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが正側の値となっており、タイミングｔ３２からタイミングｔ３３に亘って、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが負側の値となっている。
【0118】
中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃは、絶対値変換器ＡＢＳによって絶対値に変換され、第４の加算器ＡＤＤ４に入力される。絶対値に変換された中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃには、第４の加算器ＡＤＤ４によって定数ＢＡＳＥＰ（＝＋ｍ［Ａ］）が加算される。これにより、第４の加算器ＡＤＤ４は、図６に示す信号３１を第２の加算器ＡＤＤ２に出力する。
【0119】
第２の加算器ＡＤＤ２は、信号３１と中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃとを加算する。この結果、図７に示されるように、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐが決定される。中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが正の値「＋ｄ」である場合、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍが「－ｍ」となるため、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐの値が、「２ｄ＋ｍ」となる。
【0120】
また、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃは、絶対値変換器ＡＢＳによって絶対値に変換され、反転変換器ＩＮＶにより極性が反転され、第５の加算器ＡＤＤ５によって定数ＢＡＳＥＭ（＝－ｍ［Ａ］）が加算される。これにより、第５の加算器ＡＤＤ５は、図６に示す信号３２を第３の加算器ＡＤＤ３に出力する。
【0121】
第３の加算器ＡＤＤ３は、信号３２と中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃとを加算する。この結果、図７に示されるように、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍが決定される。中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが負の値「－ｄ」である場合、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐの値が「＋ｍ」となるため、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍの値が、「－２ｄ－ｍ」となる。
【0122】
上記の様に、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐは、範囲ＲＩの上限である＋ｍ以上の値であり、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍは、範囲ＲＩの下限である－ｍ以下の値である。正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐ及び負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍは、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐと負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍとの平均値が中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃとなるように設定される。
【0123】
例えば、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが０である場合、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐは、範囲ＲＩの上限である「＋ｍ」に設定されるため、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍが－ｍに設定される。
【0124】
以上の制御により入力音声信号を増幅する際の電流目標値として、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐ、及び負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍが決定される。
【0125】
次に、上記の構成において、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐ及び負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍと電流ＩＬ１との関係について説明する。
【0126】
【0127】
電流ＩＬ１は、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐと、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍとの間を往復する。例えば、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが０である場合、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐが「＋ｍ」に設定され、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍは「－ｍ」に設定される。この為、電流ＩＬ１は、「＋ｍ」と「－ｍ」との間を往復する。電流ＩＬ１が「＋ｍ」と「－ｍ」との間を往復している場合、第１の平滑キャパシタＣ１とタンク回路ＴＣ１との間での電荷の行き来の釣り合いが取れている為、電圧ＶＣ２に変化が生じない。この状態が、双方向電力変換回路１５の最小電流となる。即ち、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが０ではない場合、双方向電力変換回路１５をより大きな電流が流れる。
【0128】
また、タイミングｔ３１からタイミングｔ３２に亘って、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが正側の値「＋ｄ」となっている。この為、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐが「２ｄ＋ｍ」となり、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍが「－ｍ」となる。この場合、制御回路１８は、「２ｄ＋ｍ」と「－ｍ」との間を電流ＩＬ１が往復するように、制御信号Ｐ１乃至Ｐ４を生成する。
【0129】
また、タイミングｔ３２からタイミングｔ３３に亘って、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが負側の値「－ｄ」となっている。この為、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐが「＋ｍ」となり、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍが「－２ｄ－ｍ」となる。この場合、制御回路１８は、「＋ｍ」と「－２ｄ－ｍ」との間を電流ＩＬ１が往復するように、制御信号Ｐ１乃至Ｐ４を生成する。なお、これらの制御は、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが正か負かを意識することなく、同一の制御処理によって行われる。すなわち、従来増幅に用いられるＢ級増幅またはＤ級増幅のように、正と負とで選択する回路を分ける構成ではない。
【0130】
次に、制御回路１８における各種の信号のタイミングチャートについて説明する。
図９及び図１０は、図５に示す制御回路１８の各部における信号について説明する為のタイミングチャートである。図９及び図１０の横軸は、時間を示す。縦軸は、上から順に電流ＩＬ１の値、第１のコンパレータＣＰ１の出力、第２のコンパレータＣＰ２の出力、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子の出力、制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子の出力、制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４をそれぞれ示す。
図９及び図１０は、図５に示す制御回路１８の各部における信号について説明する為のタイミングチャートである。図９及び図１０の横軸は、時間を示す。縦軸は、上から順に電流ＩＬ１の値、第１のコンパレータＣＰ１の出力、第２のコンパレータＣＰ２の出力、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子の出力、制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子の出力、制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４をそれぞれ示す。
【0131】
図９は、増幅すべき入力音声信号ＡＵＸが０である場合の各種の信号のタイミングチャートの例を示す。入力音声信号ＡＵＸが０である場合、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐが「＋ｍ」となり、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍが「－ｍ」となる。このように正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐが定数ＢＡＳＥＰとして設定され、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍが定数ＢＡＳＥＭとして設定されている場合、正側と負側で電流が等しくなる。この為、電流ＩＬ１の平均値は０となる。即ち、出力音声信号Ｖｏｕｔが出力されていない状態である。このように、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐとして定数ＢＡＳＥＰが設定され、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍとして定数ＢＡＳＥＭが設定されている状態を基底状態と称する。図９は、基底状態におけるタイミングチャートを示す。この場合、最も少ない電流量で平均値ゼロを実現している。
【0132】
図９に示されるように、タイミングｔ４１で電流ＩＬ１が正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐに達した場合、第１のコンパレータＣＰ１からＨレベルの信号（Ｈトリガー）が出力される。これにより、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子からの出力がＨレベルになり、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子からの出力がＬレベルになる。Ｑ端子からの出力がＬレベルからＨレベルになる為、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１は、所定時間遅延させてＨレベルの信号を制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３として出力する。また、ＱＢＥＲ端子からの出力がＨレベルからＬレベルになる為、第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２は、遅延させずにＬレベルの信号を制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４として出力する。
【0133】
制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３がＨレベルの信号となり、制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４がＬレベルの信号となると、電流ＩＬ１が右下がりになる（即ち減少し始める）。この為、第１のコンパレータＣＰ１は、すぐにＬレベルの信号を出力する状態になる。この為、第１のコンパレータＣＰ１から出力されるＨレベルの信号は、細いパルス状（トリガー信号）となる。
【0134】
また、図９に示されるように、タイミングｔ４２で電流ＩＬ１が負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍに達した場合、第２のコンパレータＣＰ２からＨレベルの信号（Ｈトリガー）が出力される。これにより、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱ端子からの出力がＬレベルになり、ラッチ回路ＬＡＴＣＨのＱＢＥＲ端子からの出力がＨレベルになる。Ｑ端子からの出力がＨレベルからＬレベルになる為、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１は、遅延させずにＬレベルの信号を制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３として出力する。また、ＱＢＥＲ端子からの出力がＬレベルからＨレベルになる為、第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２は、所定時間遅延させてＨレベルの信号を制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４として出力する。
【0135】
制御信号Ｐ１及び制御信号Ｐ４がＨレベルの信号となり、制御信号Ｐ２及び制御信号Ｐ３がＬレベルの信号となると、電流ＩＬ１が右上がりになる（即ち増加し始める）。この為、第２のコンパレータＣＰ２は、すぐにＬレベルの信号を出力する状態になる。この為、第２のコンパレータＣＰ２から出力されるＨレベルの信号も、細いパルス状と（トリガー信号）なる。
【0136】
上記のように第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１及び第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２が、ＬレベルからＨレベルになる際に信号を遅延させない場合、第１の半導体スイッチＳ１と第２の半導体スイッチＳ２が同時にオンされる可能性がある。第１の半導体スイッチＳ１と第２の半導体スイッチＳ２が同時にオンされると、第１の平滑キャパシタＣ１、第１の半導体スイッチＳ１、及び第２の半導体スイッチＳ２が短絡し、短絡電流が流れ、スイッチが破損する可能性がある。また、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１及び第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２が、ＬレベルからＨレベルになる際に信号を遅延させない場合、第３の半導体スイッチＳ３と第４の半導体スイッチＳ４が同時にオンされる可能性がある。第３の半導体スイッチＳ３と第４の半導体スイッチＳ４が同時にオンされると、タンク回路ＴＣ１、第３の半導体スイッチＳ３、及び第４の半導体スイッチＳ４が短絡し、短絡電流が流れ、スイッチが破損する可能性がある。しかし、上記のように、第１の遅延器ＤＥＬＡＹ１及び第２の遅延器ＤＥＬＡＹ２は、信号がＬレベルからＨレベルに切り替えられる際に、所定時間Ｈレベルの立ち上がりを遅延させる。これにより、第１の半導体スイッチＳ１乃至第４の半導体スイッチＳ４が同時にオフされるデッドタイムが設けられ、短絡電流の発生が防がれる。
【0137】
制御回路１８は、このような処理を、電流ＩＬ１が、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐまたは負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍに達したタイミングで、繰り返し行うことにより、電流ＩＬ１を周期的に発振させる。
【0138】
図１０は、電圧ＶＣ２を増加させる場合のタイミングチャートの例を示す。図１０の例は、図９の例に比べて正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐがより大きく設定されている点が異なる。なお、各種の信号処理については、図９の例と同様である為、説明を省略する。
【0139】
このように、電流ＩＬ１が正である期間が電流ＩＬ１が負である期間に比べて長い場合、電流ＩＬ１の平均値が正側に増加し、第１の平滑キャパシタＣ１の電荷がタンク回路ＴＣ１に移動する電流が優勢となり、タンク回路ＴＣ１の電圧が増加する。
【0140】
上記の実施形態によると、電力増幅装置１は、電源に接続された第１の平滑キャパシタＣ１に並列に接続された第１の半導体スイッチＳ１及び第２の半導体スイッチＳ２と、キャパシタを有するタンク回路ＴＣ１に並列に接続された第３の半導体スイッチＳ３及び第４の半導体スイッチＳ４と、タンク回路ＴＣ１と負荷とに直列接続された直流カットキャパシタＣ３と、第１の半導体スイッチＳ１と第２の半導体スイッチＳ２との接続点である第１の接続点Ｍ１と、第３の半導体スイッチＳ３と第４の半導体スイッチＳ４との接続点である第２の接続点Ｍ２との間に接続された第１のインダクタＬ１と、第１の接続点Ｍ１と第２の接続点Ｍ２との間において、第１のインダクタＬ１と直列接続された電流検出器１６と、制御回路１８とを備える。
【0141】
制御回路１８は、入力音声信号ＡＵＸと、音量信号Ｖｏｌｕｍｅとに基づいて、正の値である第１の閾値以上の正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐと、負の値である第２の閾値以下の負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍと、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐと負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍとの中心である中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃを決定する。制御回路１８は、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃに基づいて、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐ及び負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍを設定する。制御回路１８は、電流検出器１６により検出された電流値ＩＳ１が正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐを超えた場合、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオフし、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオンする。また、制御回路１８は、電流検出器１６により検出された電流値ＩＳ１が負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍを下回った場合、第１の半導体スイッチＳ１及び第４の半導体スイッチＳ４をオンし、第２の半導体スイッチＳ２及び第３の半導体スイッチＳ３をオフする。これにより、第１の平滑キャパシタＣ１の電気エネルギーを第１のインダクタＬ１に磁気エネルギーとして蓄えさせる状態、第１のインダクタＬ１の磁気エネルギーをタンク回路ＴＣ１に電気エネルギーとして蓄えさせる状態、タンク回路ＴＣ１の電気エネルギーを第１のインダクタＬ１に磁気エネルギーとして蓄えさせる状態、第１のインダクタＬ１の磁気エネルギーを第１の平滑キャパシタＣ１に電気エネルギーとして蓄えさせる状態が順に切り替わる。この結果、第１のインダクタＬ１を介して第１の平滑キャパシタＣ１とタンク回路ＴＣ１との間で電荷が移動し、第２の平滑キャパシタＣ２の電圧が、入力音声信号ＡＵＸの音量信号Ｖｏｌｕｍｅ倍になるように制御される。
【0142】
さらに、制御回路１８は、第２の加算器ＡＤＤ２、第３の加算器ＡＤＤ３、第４の加算器ＡＤＤ４、第５の加算器ＡＤＤ５、絶対値変換器ＡＢＳ、及び反転変換器ＩＮＶを備える。第２の加算器ＡＤＤ２、第３の加算器ＡＤＤ３、第４の加算器ＡＤＤ４、第５の加算器ＡＤＤ５、絶対値変換器ＡＢＳ、及び反転変換器ＩＮＶにより、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが正の値である間の負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍが第２の閾値である「－ｍ」に設定され、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐが「２ｄ＋ｍ」に設定される。また、中心電流目標値ＥＮＶ－Ｃが負の値である間の正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐが第１の閾値である「＋ｍ」に設定され、負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍが「－２ｄ－ｍ」に設定される。この構成によると、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐと負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍとの間で往復する電流ＩＬ１の往復幅を狭めることができる。電流ＩＬ１が正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐと負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍとの間を往復するということは、双方向電力変換回路１５の回路を実際に電流が流れ、電流が熱などに変換され、電力が消費されることと同義である。しかしながら、上記のように電流ＩＬ１が往復する幅を狭めることにより、双方向電力変換回路１５で消費される電力を抑えることができる。また、双方向電力変換回路１５は、発熱を抑える事ができる為、大音量の出力が可能になる。
【0143】
このような構成によると、入力音声信号ＡＵＸがゼロである場合、双方向電力変換回路１５が基底状態になる為、入力音声信号ＡＵＸが入力されていない状態での電力消費を抑える事ができる。また、通常の動作時においても、双方向電力変換回路１５の動作に必要な経路に抵抗成分が無い為、消費電力を抑える事ができる。また、入力音声信号ＡＵＸが０Ｖを跨ぐ場合であっても、双方向電力変換回路１５内における信号処理に変化が無い為、遅延、偏り、歪などの発生を防ぐことができる。
【0144】
また、制御回路１８は、入力音声信号ＡＵＸ及び音量信号Ｖｏｌｕｍｅに基づいて、正側電流目標値ＥＮＶ－Ｐ及び負側電流目標値ＥＮＶ－Ｍを設定することにより、出力音声信号Ｖｏｕｔを出力することが可能になる。このように、制御回路１８の制御を簡素にすることができる。
【0145】
また、出力インピーダンスが極めて低い為、スピーカのインピーダンスマッチングを考慮する必要が無くなり、選択可能なスピーカが増える。この結果、高音質であり且つ電力効率の良い電力増幅装置及び音響装置を提供することが可能になる。
【0146】
また、上記のように構成された双方向電力変換回路１５では、キャパシタの容量が大きくなるほど、信号の増幅に要する電流が大きくなる。双方向電力変換回路１５で必要とされる電流は、信号電圧の微分である。この為、高周波数であるほど電圧の変動の勾配が大きくなり、双方向電力変換回路１５で必要とされる電流が大きくなる。この為、同じ振幅の信号であっても、高周波数時の方が低周波数時に比べて多くの電流が必要とされる。
【0147】
上記の実施形態によると、電力増幅装置１の双方向電力変換回路１５のタンク回路ＴＣ１は、第２の平滑キャパシタＣ２と、第４の平滑キャパシタＣ４と第２のインダクタＬ２との直列回路ＳＣ１とが並列に接続された構成を備える。第２のインダクタＬ２は、低周波では電流を通しやすく高周波では電流を通しにくい特性を有する。この為、タンク回路ＴＣ１は、電流ＩＬ１の周波数によって容量が変動する。具体的には、タンク回路ＴＣ１は、高周波数時に容量が小さくなり、低周波数時に容量が大きくなるように構成されている。このように、高周波数時に容量が小さくなることにより、高周波数時に双方向電力変換回路１５を流れる電流を減らすことができる。
【0148】
次に、制御回路１８の動作の変形例について説明する。
図１１は、無音状態における電流ＩＬ１について説明する為の説明図である。
無音状態とは、出力音声信号Ｖｏｕｔが変化しない状態を意味する。例えば、双方向電力変換回路１５が基底状態で動作する場合、無音状態となる。しかし、長時間無音状態が続く場合の省電力効果をさらに高める為に、制御回路１８は、双方向電力変換回路１５に定期的に発振動作を行わせる構成であってもよい。即ち、制御回路１８は、双方向電力変換回路１５の第１の半導体スイッチＳ１乃至第４の半導体スイッチＳ４のオンオフ制御を停止させる停止状態と、基底状態とを間欠的に繰り返してもよい。
図１１は、無音状態における電流ＩＬ１について説明する為の説明図である。
無音状態とは、出力音声信号Ｖｏｕｔが変化しない状態を意味する。例えば、双方向電力変換回路１５が基底状態で動作する場合、無音状態となる。しかし、長時間無音状態が続く場合の省電力効果をさらに高める為に、制御回路１８は、双方向電力変換回路１５に定期的に発振動作を行わせる構成であってもよい。即ち、制御回路１８は、双方向電力変換回路１５の第１の半導体スイッチＳ１乃至第４の半導体スイッチＳ４のオンオフ制御を停止させる停止状態と、基底状態とを間欠的に繰り返してもよい。
【0149】
例えば、停止状態が長時間続く場合、タンク回路ＴＣ１の電荷が空気中に放電される、または回路内の抵抗で消費される可能性がある。この状態で入力音声信号ＡＵＸが入力された場合、タンク回路ＴＣ１の信号中心電圧がずれた状態で出力音声信号Ｖｏｕｔが生成される可能性がある。これに対し、基底状態では、第１の平滑キャパシタＣ１からタンク回路ＴＣ１に電荷が供給され、タンク回路ＴＣ１の信号中心電圧を一定の値に保たれる。そこで、制御回路１８は、停止状態と、基底状態とを間欠的に繰り返す（以下バーストモード動作と称する）ことにより、タンク回路ＴＣ１の信号中心電圧を一定の値に保つことができる。
【0150】
上記の構成により、制御回路１８は、入力音声信号ＡＵＸが０であり、乗算器ＭＵＬの出力が０である状態が一定時間継続した場合、即ち、判定回路２１から強制停止回路２２にイネーブル信号が供給されない時間が一定時間継続した場合、停止状態と基底状態とを間欠的に実行するバーストモード動作を行う。この結果、電力増幅装置１は、省電力効果をさらに高めるとともに、音質の低下を防ぐことができる。
【0151】
なお、上記の実施形態では、双方向電力変換回路１５の出力側にタンク回路ＴＣ１が設けられていると説明したが、この構成に限定されない。双方向電力変換回路１５は、タンク回路ＴＣ１の代わりに１つのキャパシタを備える構成であってもよい。即ち、タンク回路ＴＣ１の第４の平滑キャパシタＣ４と第２のインダクタＬ２との直列回路ＳＣ１が省略されていても、制御回路１８が上記の制御を行うことにより、省電力化を実現することができる。
【0152】
また、上記の実施形態では、双方向電力変換回路１５の第１の平滑キャパシタＣ１への入力が、直流電圧源ＤＣからの直流電圧であると説明したが、この構成に限定されない。交流電源が全波整流された直流電圧、または脈流電圧が第１の平滑キャパシタＣ１への入力として用いられる構成であってもよい。
【0153】
また、電力増幅装置１は、入力音声信号ＡＵＸに基づき、スピーカ２で出力する為の出力音声信号Ｖｏｕｔを生成する装置であると説明したが、この構成に限定されない。電力増幅装置１の対象の信号は、如何なる信号であってもよい。例えば、電力増幅装置１は、音楽信号、あるいは産業用アンプ用の数十～数万ヘルツの信号を増幅することも可能である。
【0154】
また、電力増幅装置１に接続される負荷は、スピーカ２に限定されない。電力増幅装置１に接続される負荷は、発光負荷、発熱負荷、その他電力を消費する各種負荷であってもよい。即ち、電力増幅装置１は、発光負荷、発熱負荷、その他電力を消費する各種負荷用の信号を増幅することも可能である。
【0155】
また、上記の実施形態において、電力増幅装置１の例について説明したが、この構成に限定されない。電力増幅装置１の各構成は、同等の機能を有する他の構成により置き換えられてもよい。また、制御回路１８の各ブロックは、アナログ回路、ディジタル回路、及びソフトウエアのいずれにより構成されるものであってもよい。
【0156】
具体的には、アナログ加算器、アナログ乗算器、オペアンプ（差分器）、コンパレータ（条件分岐制御器）などを組み合わせることにより、制御回路１８をアナログ回路として構成することができる。
【0157】
また、音声信号入力端子１２に入力されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器、ディジタル信号をアナログ信号に変換して音声信号出力端子１４から出力するＤＡ変換器、ディジタル加算ＩＣ、ディジタル乗算ＩＣ、及びディジタル差分ＩＣなどを組み合わせることにより、制御回路１８をディジタル回路として構成することができる。また、加算、減算、乗算などを行うマイコンをディジタル加算ＩＣ、ディジタル乗算ＩＣ、及びディジタル差分ＩＣの代わりに組み合わせることにより、制御回路１８をソフトウエアとして構成することができる。
【0158】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0159】
１…電力増幅装置、２…スピーカ、３…音響装置、１１…電源入力端子、１２…音声信号入力端子、１３…音量信号入力端子、１４…音声信号出力端子、１５…双方向電力変換回路、１６…電流検出器、１７…電圧検出器、１８…制御回路、２１…判定回路、２２…強制停止回路、ＡＤＤ１…第１の加算器、ＡＤＤ２…第２の加算器、ＡＤＤ３…第３の加算器、ＡＤＤ４…第４の加算器、ＡＤＤ５…第５の加算器、Ｃ１…第１の平滑キャパシタ、Ｃ２…第２の平滑キャパシタ、Ｃ３…直流カットキャパシタ、Ｃ４…第４の平滑キャパシタ、ＣＰ１…第１のコンパレータ、ＣＰ２…第２のコンパレータ、ＤＥＬＡＹ１…第１の遅延器、ＤＥＬＡＹ２…第２の遅延器、Ｌ１…第１のインダクタ、Ｌ２…第２のインダクタ、Ｍ１…第１の接続点、Ｍ２…第２の接続点、Ｓ１…第１の半導体スイッチ、Ｓ２…第２の半導体スイッチ、Ｓ３…第３の半導体スイッチ、Ｓ４…第４の半導体スイッチ、ＳＣ１…直列回路、ＴＣ１…タンク回路。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
