Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

8

Power supplies and PSRR

Power supply technologies

There are three principal ways to power an amplifier:

1 a simple unregulated power supply consisting of transformer, rectifiers,

and reservoir capacitors,

2 a linear regulated power supply,
3 a switch-mode power supply.

It is immediately obvious that the first and simplest option will be the most
cost-effective, but at a first glance it seems likely to compromise noise and
ripple  performance,  and  possibly  interchannel  crosstalk.  It  is  therefore
worthwhile  to  examine  the  pros  and  cons  of  each  technology  in  a  little
more detail:

Simple unregulated power supplies

Advantages

!

Simple, reliable, and cheap. (Relatively speaking – the traditional copper
and  iron  mains  transformer  will  probably  be  the  most  expensive
component in the amplifier.)

!

No  possibility  of  instability  or  HF  interference  from  switching
frequencies.

!

The amplifier can deliver higher power on transient peaks, which is just
what is required.

Disadvantages

!

Significant  ripple  is  present  on  the  DC  output  and  the  PSRR  of  the
amplifier will need careful attention.

!

The mains transformer will be relatively heavy and bulky.

235

Audio Power Amplifier Design Handbook

!

Transformer  primary  tappings  must  be  changed  for  different  countries
and mains voltages.

!

The absence of switch-mode technology does not mean total silence as
regards RF emissions. The bridge rectifier will generate bursts of RF at a
100 Hz  repetition  rate  as  the  diodes  turn  off.  This  worsens  with
increasing current drawn.

Linear regulated power supplies

Advantages

!

Can be designed so that virtually no ripple is present on the DC output (in
other words the ripple is below the white noise the regulator generates)
allowing  relaxation  of  amplifier  supply-rail  rejection  requirements.
However, you can only afford to be careless with the PSRR of the power
amp if the regulators can maintain completely clean supply-rails in the
face  of  sudden  current  demands.  If  not,  there  will  be  interchannel
crosstalk unless there is a separate regulator for each channel. This means
four for a stereo amplifier, making the overall system very expensive.

!

A  regulated  output  voltage  gives  absolutely  consistent  audio  power
output in the face of mains voltage variation.

!

The possibility exists of electronic shutdown in the event of an amplifier
DC fault, so that an output relay can be dispensed with. However, this
adds significant circuitry, and there is no guarantee that a failed output
device will not cause a collateral failure in the regulators which leaves
the speakers still in jeopardy.

Disadvantages

!

Complex  and  therefore  potentially  less  reliable.  The  overall  amplifier
system is at least twice as complicated. The much higher component-
count must reduce overall reliability, and getting it working in the first
place will take longer and be more difficult. For an example circuit see
Sinclair

[1]

. If the power amplifier fails, due to an output device failure,

then the regulator devices will probably also be destroyed, as protecting
semiconductors  with  fuses  is  a  very  doubtful  business;  in  fact  it  is
virtually  impossible.  The  old  joke  about  the  transistors  protecting  the
fuse  is  not  at  all  funny  to  power-amplifier  designers,  because  this  is
precisely what happens. Electronic overload protection for the regulator
sections is therefore essential to avert the possibility of a domino-effect
failure, and this adds further complications, as it will probably need to
be  some  sort  of  foldback  protection  characteristic  if  the  regulator
transistors are to have a realistic prospect of survival.

!

Comparatively  expensive,  requiring  at  least  two  more  power  semi-
conductors,  with  associated  control  circuitry  and  over-current  protec-
tion.  These  power  devices  in  turn  need  heatsinks  and  mounting
hardware, checking for shorts in production, etc.

236

Power supplies and PSRR

!

Transformer  tappings  must  still  be  changed  for  different  mains
voltages.

!

IC  voltage  regulators  are  usually  ruled  out  by  the  voltage  and  current
requirements, so it must be a discrete design, and these are not simple to
make bulletproof. Cannot usually be bought in as an OEM item, except
at uneconomically high cost.

!

May show serious HF instability problems, either alone or in combina-
tion  with  the  amplifiers  powered.  The  regulator  output  impedance  is
likely  to  rise  with  frequency,  and  this  can  give  rise  to  some  really
unpleasant  sorts  of  HF  instability.  Some  of  my  worst  amplifier  experi-
ences have involved (very) conditional stability in such amplifiers.

!

The amplifier can no longer deliver higher power on transient peaks.

!

The  overall  power  dissipation  for  a  given  output  is  considerably
increased,  due  to  the  minimum  voltage-drop  though  the  regulator
system.

!

The response to transient current demands is likely to be slow, affecting
slewing behaviour.

Switch-mode power supplies

Advantages

!

Ripple can be considerably lower than for unregulated power supplies,
though never as low as a good linear regulator design. 20 mV pk–pk is
typical.

!

There  is  no  heavy  mains  transformer,  giving  a  considerable  saving  in
overall equipment weight. This can be important in PA equipment.

!

Can be bought in as an OEM item; in fact this is virtually compulsory as
switch-mode design is a specialised job for experts.

!

Can  be  arranged  to  shutdown  if  amplifier  develops  a  dangerous  DC
offset.

!

Can be specified to operate properly, and give the same audio output
without adjustment, over the entire possible worldwide mains-voltage
range, which is normally taken as 90–260 V.

Disadvantages

!

A prolific source of high-frequency interference. This can be extremely
difficult to eradicate entirely from the audio output.

!

The 100 Hz ripple output is significant, as noted above, and will require
the usual PSRR precautions in the amplifiers.

!

Much  more  complex  and  therefore  less  reliable  than  unregulated
supplies.  Dangerous  if  not  properly  cased,  as  high  DC  voltage  is
present.

!

The  response  to  transient  current  demands  is  likely  to  be  relatively
slow.

237

Audio Power Amplifier Design Handbook

On perusing the above list, it seems clear that regulated supplies for power
amplifiers are a Bad Thing. Not everyone agrees with me; see for example
Linsley-Hood

[2]

.  Unfortunately  he  does  not  adduce  any  evidence  to

support his case.

The usual claim is that linear regulated supplies give tighter bass; advocates
of this position are always careful not to define tighter bass too closely, so
no-one  can  disprove  the  notion.  If  the  phrase  means  anything,  it
presumably  refers  to  changes  in  the  low-frequency  transient  response;
however since no such changes can be detected, this appears to be simply
untrue. If properly designed, all three approaches can give excellent sound,
so it makes sense to go for the easiest solution; with the unregulated supply
the main challenge is to keep the ripple out of the audio, which will be seen
to  be  straightforward  if  tackled  logically.  The  linear  regulated  approach
presents  instead  the  challenge  of  designing  not  one  but  two  complex
negative-feedback  systems,  close-coupled  in  what  can  easily  become  a
deadly  embrace  if  one  of  the  partners  shows  any  HF  instability.  As  for
switchmode supplies, their design is very much a matter for specialists.

The generic amplifier designs examined in this book have excellent supply-
rail rejection, and so a simple unregulated supply is perfectly adequate. The
use of regulated supplies is definitely unnecessary, and I would recommend
strongly against their use. At best, you have doubled the amount of high-
power circuitry to be bought, built, and tested. At worst, you could have
intractable  HF  stability  problems,  peculiar  slew-limiting,  and  some
expensive device failures.

Design considerations for power supplies

A typical unregulated power supply is shown in Figure 8.1. This is wholly
conventional in concept, though for optimal hum performance the wiring

238

Figure 8.1

A simple unregulated
power supply,
including rectifier-
snubbing and
X-capacitor.

Power supplies and PSRR

topology and physical layout need close attention, and this point is rarely
made.

For amplifiers of moderate power the total reservoir capacitance per rail
usually ranges from 4700 to 20,000 µF, though some designs have much
more. Ripple current ratings must be taken seriously. It is often claimed that
large amounts of reservoir capacitance give firmer bass; this is untrue for all
normal amplifier designs below clipping.

I do not propose to go through the details of designing a simple PSU, as
such data can be found in standard textbooks, but I instead offer some hints
and warnings that are either rarely published or are especially relevant to
audio amplifier design.

Mains transformers

The mains transformer will normally be either the traditional E-&-I frame
type, or a toroid. The frame type is used where price is more important than
compactness or external field, and vice-versa. There are various other types
of transformer, such as C-core, or R-core, but they do not seem to be able
to match the low external field of the toroid, while being significantly more
expensive than the frame type.

The external field of a frame transformer can be significantly reduced by
specifying a hum strap, or belly-band as it is sometimes rather indelicately
called. This is a wide strip of copper that forms a closed circuit around the
outside of the core and windings, so it does not form a shorted turn in the
main transformer flux. Instead it intersects with the leakage flux, partially
cancelling it.

The design of the mains transformer for a given voltage at a given current
is simple in principle, but in practice always seems to involve a degree of
trial and error. The main reason for this is that the voltage developed on the
reservoir capacitors depends on losses that are not easily predicted, and
this is inherent in any rectifier circuit where the current flows only in short
sharp peaks at the crest of the AC waveform.

Firstly the voltage developed depends on the transformer regulation, i.e. the
amount the voltage drops as more current is drawn. (The word regulation
in this context has nothing to do with negative-feedback voltage control –
unfortunate and confusing, but there it is.) Transformer manufactures are
usually reluctant to predict anything more than a very approximate figure
for this.

Voltage losses also depend strongly on the peak amplitude of the charging
pulses from the rectifier to the reservoir; these peaks cause voltage drops in
the AC wiring, transformer winding resistances, and rectifiers that are rather
larger  than  might  be  expected.  Unfortunately  the  peak  current  value  is
poorly defined, by wiring resistance and transformer leakage reactance (a

239