ーーー　目　次　ーーー

6. 改良

　　6.1 消費電力削減

　　　　6.1.1 回路変更

　　　　　　(1) 部品選定

　　　　　　(2) 回路シミュレーション

　　　　　　(3) 回路図

　　　　　　(4) 基板修正

　　　　6.1.2 ソフトウェア変更

　　　　　　(1) ソースコード修正

　　　　　　(2) リビルド、インストール

　　　　6.1.3 動作確認

　　　　　　(1) スピーカ出力波形

　　　　　　(2) 音質

　　　　　　(3) 消費電力

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６．改良

６．１ 消費電力削減

　実際の消費電流を実測すると、ボリューム位置に関わらず、常時大きい消費電流が流れているのを目の当たりにしました。これは、スピーカのPWM駆動を２値制御としている事に起因します。音質的には間違い無いので、これを承知で、この方式を採用した訳です。

　バージョン0.1でも設計当初３値制御にしたかった訳ですが、PWM駆動電圧を可変にした事で、設計上複雑な条件付けになってしまい、実際、音質的に不満が出るケースがありました。そのため、音質的に良好だった２値制御になった経緯があります。

　今回のバージョン0.2では、PWM駆動電圧を固定にしましたので、３値制御にハードルはありません。そこで、３値制御化による消費電力の削減と、音質上問題ない事を確認したいと思い改良を行います。

６．１．１ 回路変更

（１）部品選定

・３値制御の対応するブリッジコントローラ／ドライバ

　A4953かNJW4800が候補ですが、どちらも9V位の電源が必要で、出力容量がオーバスペックです。A4953はモーター用ドライバなので、BD6211のように3値制御不可の可能性があります。

・MOS-FET単体でブリッジ

　適当なMOS-FETを探しました。

　秋月電子で入手可能なものを中心に、小電流のMOS-FETをピックアップして、注目の仕様をリストにしたものです。条件としては、

・IDが1A以上

・Cissが100pF以下

・Qcが3nC以下

・VGSが3.3Vで制御可能

・P型/N型で特性が似ているもの

　やはり、1A級で入手しやすいものはなく、大きい容量のものを選択せざるを得ない状況です。この場合、ゲートドライバなどで２段構えの回路が必要になり、複雑化／部品数の増加で好ましくありません。

　結局、IRLML2246/2402の組み合わせしかありませんでした。IRLML2246は、データシートでロードスイッチ用途となっており、高速スイッチングは難しいかもしれません。実際Cissの条件も1kHzとなっていて怪しいのですが、たかだか40kHz位のスイッチングなので、大丈夫ではないかと踏み切りました。IRLML2402はたまたま、過去にDigi-Keyで入手していたものなので、やはりDigi-Keyなどの多品種を扱う部品屋を利用する必要があります。これだったら、もっと良い品種があったはずですが、今回はこれでいきます。

（２）回路シミュレーション

　次に、具体的な回路を引きますが、LTspiceで回路シミュレーションをしておくと安心です。 IRLML2246,2402 のモデルデータは Infineon のサイトでダウンロードできます。回路ファイルと同じフォルダにモデルファイルirlmlxxx.spiを置いて、ディレクティブで図のように書くと取り込みできます。実際の部品は、普通のpmosコンポーネントを配置し、右クリックでアトリビュートを表示させ、Prifix=X value=irlml2246trpbf の２箇所を変更すれば適用されます。間違っていれば「Run」時にエラーメッセージが出ます。

V1,V3はゲート信号で100kHz/デユーティ30%,70%を設定、V2がスピーカ駆動用の電源です。真ん中のコイルと抵抗は4Ωスピーカの代わりです。

ゲート駆動は3.3V, ドレイン〜ソースには5Vと電圧差がありますので、PMOS-FET(IRLML2246)のゲート駆動に一工夫が必要です。工夫なしに3.3Vでオン／オフしようとすれば以下のように、絶対オフにならない事態になります。

　IRLML2246ゲート条件は：VGS(on)=-1.5V以下 VGS(off)=-1.1V以上

　　　3.3V-5V=-1.7V  -> ON

　　　0.0V-5V=-5V  -> ON

そこで、5Vラインとの間で分圧させて、うまく閾値を調整します。以下は150:330=31%の例です。

　　　(3.3V-5V)*0.31=-0.53V  -> OFF

　　　(0.0V-5V)*0.31=-1.56V  -> ON

抵抗の定数は、計算が面倒なので、シミュレータで電流波形を確認しながらピークでも20mAを超えないように試行錯誤で決めました。

ゲート電圧の様子です。緑／紫はP側、赤／水色はN側です。設計通りの波形です。

ドレインの電圧変化です。緑がM1/2側、青がM3/4側です。

スピーカに流れる電流です。

　各FETのドレイン電流値の状況です。ゲートを余裕なしに駆動する設計にしましたので、貫通電流が気になるところです。針のような瞬間的な電流はありますが、許容範囲です。色々定数を変えていると増えたりしますので、やはり余裕のない設計です。やはり、小出力では許されるものの、これ以上の出力ではゲートドライバは避けて通れないようです。

（３）回路図

部品表

（４）基板修正

スピーカドライバ部分はサブ基板にしているので、差し替えで対応。

小さい部品なので、はんだ付けは細かい作業になります。サブ基板単独で電源を投入したら、大電流が流れてしまいました。考えられるのは、ゲートの配線間違いで貫通電流となったか、電源を逆につないで寄生ダイオードを貫通しているかぐらいでしょうか。見直してみると、P型とN型のFETを逆に部品配置してしまっていました。破壊されている可能性がありましたが、ダメ元で配線を変更して使ってみましたが、大丈夫でした。数秒しか通電させていないので、熱破壊などには至らなかったと思われます。

本体側の改造は一切なく、サブ基板を交換するだけです。

６．１．２ ソフトウェア変更

（１）ソースコード修正

ソフトウェアを変更しない場合、２値制御での動作となります。

3値制御対応は「main.c」のソースコードを修正します。

　　”#define PWM2_FULL”をコメントアウトし、”#define PWM3B”の定義を有効にします。

３値（３レベル）制御については、A式とB式を用意しました。

＜A式＞（PWM3A）

　一番単純な考え方で、正側と負側で別々に２値（２レベル）制御のようスイングさせる事によって、元の波形を再現させる手法です。

＜B式＞（PWM3B）

　２値制御のように常にスイングさせますが、異相の部分だけが電流が流れる事を利用します。

・H-L -> 電流は流れる

・L-H -> 電流は逆に流れる

・L-L -> 電流は流れない

・H-H -> 電流は流れない

下図に波形例を示します。上半分は正／下半分は負の場合です。グラフは、PWMモジュールのカウンタの変化を表したものです。Lを出力信号レベル（符号付）とします。

　正負判定ロジックが不要で、単純な加減算だけで実装できる利点があります。常に、スイングさせるのは結構強引なやりかたのように思えますが、繰り返し動作はある意味安定動作的な所もあります。放射ノイズ的には不利だと考えられます。この方式は、D級アンプ素子か何かのデータシートを見ている時に知ったもので、特許に抵触するかは判りませんので、商用にはご注意下さい。

（２）リビルド、インストール

　通常通り、ビルドしUSBでつなげてダウンロードします。

６．１．３ 動作確認

（１）スピーカ出力波形

　実際に８Ωのスピーカを接続し、オシロスコープで左スピーカ端子の電圧を計測しました。 黄色が正側／緑が負側です。

２値制御：

　綺麗な方形波ではありませんでしたが、この程度は許容範囲。

３値制御A：

　適当な音源を鳴らした時の状態。

３値制御B：

　適当な音源を鳴らした時の状態。分かりにくいですが、若干のデユーティ比の違いがあります。

　差の波形を見たものです。

　440Hzの正弦波、ボリューム100%。

（２）音質

　実際に耳で聞いた時の感じをまとめます。

　55, 110, 220, 440, 880, 1760, 3520, 7040, 14080Hz（A/ラ音の倍数）正弦波で視聴。

・２値制御：良好、特に問題は感じられない

・３値制御A：可、低音量時の音質低下（かさつき感）

・３値制御B：良好、特に問題は感じられない

　３値制御Bの選択とします。電源オン／オフ時の「ブチ」音がなくなったのは良かった。

（３）消費電力

３値制御Bの時の実測結果です。（使用した音源は440Hz正弦波、８Ωスピーカ、ACの測定はWHM0.6.5使用）

期待通りの結果で問題ありません。

（４）キャリア周波数変更

　PWMのピリオド値（キャリア周波数、搬送周波数）は、サンプリング周波数と同じ44.1kHzとしていましたが、これはブリッジドライバの制約から決定したものです。今回、この制約はありませんので、最適なキャリヤ周波数を選べます。

　仕組み的に、サンプリング周波数の整数倍となります。STM32CubeMXで、TIM1モジュールのコンフィグレーションで、Period値とRepetitionCounter値を変更すれば、キャリア周波数を変えられます。ソースコード生成とIDEでリビルドすれば対応完了です。（BTへの再対応作業[usb_host.c修正＆最適化-O3再設定]は必要）

　一般的にオーディオPWM変調のキャリア周波数は250kHz〜1.5MHzらしい（Maximのアプリケーションノート参照）のですが、そんなに高い周波数でなくとも、そこそこの音は出ます。AM放送にかぶる周波数帯なので、500kHz以下にした方が良いとは思います。長波帯のJJY40kHz/60kHzへも、高調波の影響が出ない方が良いでしょう。

　実際、試してみると８倍ぐらいから消費電流が増加しましたので、スイッチング動作に無理が出ているものと思われます。やはり、心配していたPMOS-FETのスイッチング速度がネックの可能性が考えられます。

　視聴した時の音質は、どの倍率でも大きな差は感じられませんでした。

　なんでも良かったのですが、しばらくは最大の７倍の設定（308.7kHz）で使ってみることとしました。→倍率を上げるとアナログ入力部へのノイズ混入（自家中毒的なもの？）が出てきます。また、ノイズ放射の影響も大きくなっていくような感じです。

　

以上