Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

13

Amplifier and

loudspeaker protection

Categories of amplifier protection

The protection of solid-state amplifiers against overload is largely a matter
of safeguarding them from load impedances that are too low and endanger
the output devices; the most common and most severe condition being a
short across the output. This must be distinguished from the casual use of
the  word  overload to  mean  excessive  signal  that  causes  clipping  and
audible distortion.

Overload protection is not the only safety precaution required. An equally
vital requirement is DC-offset protection – though here it is the loudspeaker
load that is being protected from the amplifier, rather than the other way
round.

Similarly, thermal protection is also required for a fully-equipped amplifier.
Since a well-designed product will not overheat in normal operation, this
is required to deal with two abnormal conditions:

1 The amplifier heatsinking is designed to be adequate for the reproduc-

tion of speech and music (which has a high peak-to-volume ratio, and
therefore  brings  about  relatively  small  dissipation)  but  cannot  sustain
long-term sinewave testing into the minimum specified load impedance
without excessive junction temperatures. Heatsinking forms a large part
of the cost of any amplifier, and so economics makes this a common state
of affairs.

Similar considerations apply to the rating of amplifier mains transformers,
which are often designed to indefinitely supply only 70% of the current
required for extended sinewave operation. Some form of thermal cut-out
in the transformer itself then becomes essential (see Chapter 8).

370

Amplifier and loudspeaker protection

2 The amplifier is designed to withstand indefinite sinewave testing, but is

vulnerable  to  having  ventilation  slots,  etc.  blocked,  interfering  either
with natural convection or fan operation.

Finally, all amplifiers require internal fusing to minimise the consequences
of a component failure – i.e. protecting the amplifier from itself – and to
maintain safety in the event of a mains wiring fault.

Semiconductor failure modes

Solid-state  output  devices  have  several  main  failure  modes,  including
excess  current,  excess  power  dissipation,  and  excess  voltage.  These  are
specified  in  manufacturer’s  data  sheets  as  Absolute  Maximum  Ratings,
usually  defined  by  some  form  of  words  such  as  exceeding  these  ratings
even momentarily may cause degradation of performance and/or reduction
in operating lifetime. For semiconductor power devices ratings are usually
plotted as a Safe Operating Area (SOA) which encloses all the permissible
combinations of voltage and current. Sometimes there are extra little areas,
notably those associated with second-breakdown in BJTs, with time limits
(usually  in  microseconds)  on  how  long  you  can  linger  there  before
something awful happens.

It is of course also possible to damage the base-emitter junction of a BJT by
exceeding its current or reverse voltage ratings, but this is unlikely in power
amplifier  applications.  In  contrast  the  insulated  gate  of  an  FET  is  more
vulnerable  and  zener  clamping  of  gate  to  source  is  usually  considered
mandatory,  especially  since  FET  amplifiers  often  have  separate  higher
supply-rails for their small-signal sections.

BJTs  have  an  additional  important  failure  mode  known  as  second
breakdown, which basically appears as a reduction in permissible power
dissipation  at  high  voltages,  due  to  local  instability  in  current  flow.  The
details  of  this  mechanism  may  be  found  in  any  textbook  on  transistor
physics.

Excessive current usually causes failure when the I

2

R heating in the bond

wires  becomes  too  great  and  they  fuse.  This  places  a  maximum  on  the
current-handling of the device no matter how low the voltage across it, and
hence the power dissipation. In a TO3 package only the emitter bond wire
is  vulnerable,  as  the  collector  connection  is  made  through  the  transistor
substrate and flange. If this wire fails with high excess current then on some
occasions the jet of vaporised metal will drill a neat hole through the top of
the TO3 can – an event which can prove utterly mystifying to those not in
the know.

Any  solid-state  device  will  fail  from  excess  dissipation,  as  the  internal
heating  will  raise  the  junction  temperatures  to  levels  where  permanent
degradation occurs.

371

Audio Power Amplifier Design Handbook

Excess emitter-collector or source-drain voltage will also cause failure. This
failure  mode  does  not  usually  require  protection  as  such,  because
designing  against  it  should  be  fairly  easy.  With  a  resistive  load  the
maximum  voltage  is  defined  by  the  power  supply-rails,  and  when  the
amplifier output is hard against one rail the voltage across the device that
is  turned  off  will  be  the  sum  of  the  two  rails,  assuming  a  DC-coupled
design. If devices with a Vce(max.) greater than this is selected there should
be no possibility of failure. However, practical amplifiers will be faced with
reactive load impedances, and this can double the Vce seen by the output
devices. It is therefore necessary to select a device that can withstand at
least twice the sum of the HT rail voltages, and allow for a further safety
margin on top of this. Even greater voltages may be generated by abrupt
current changes in inductive loads, and these may go outside the supply-
rail  range  causing  device  failure  by  reverse  biasing.  This  possibility  is
usually  dealt  with  by  the  addition  of  catching diodes  to  the  circuit  (see
below)  and  does  not  in  itself  affect  the  output  device  specification
required.

Power  semiconductors  have  another  failure  mode  initiated  by  repeated
severe temperature changes. This is usually known as thermal cycling and
results  from  stresses  set  up  in  the  silicon  by  the  differing  expansion
coefficients  of  the  device  chip  and  the  header  it  is  bonded  to.  This
constitutes  the  only  real  wearout  mechanism  that  semiconductors  are
subject  to.  The  average  lifetimes  of  a  device  subjected  to  temperature
variations delta–T can be approximately predicted by the equation:

N = 10

7

· e

–0.05·del–T

Equation 13.1

Where N = cycles to failure, and delta–T is the temperature change.

This shows clearly that the only way open to the designer to minimise the
risk  of  failure  is  to  reduce  the  temperature  range  or  the  number  of
temperature  cycles.  Reducing  the  junction  temperature  range  requires
increasing heatsink size or improving the thermal coupling to it. Thermal
coupling  can  be  quickly  improved  by  using  high-efficiency  thermal
washers, assuming their increased fragility is acceptable in production, and
this is much more cost-effective than increasing the weight of heatsink. The
number of cycles can only be minimised by leaving equipment (such as
Class-A amplifiers) powered long-term, which has distinct disadvantages in
terms of energy consumption and possibly safety.

Overload protection

Solid-state  output  devices  are  much  less  tolerant  to  overload  conditions
than  valves,  and  often  fail  virtually  instantaneously.  Some  failure  modes
(such as overheating) take place slowly enough for human intervention, but
this can never be relied upon. Overload protection is therefore always an
important issue, except for specialised applications such as amplifiers built

372

Amplifier and loudspeaker protection

into powered loudspeakers, where there are no external connections and
no possibility of inadvertent short-circuits.

Driven by necessity, workable protection systems were devised relatively
early  in  the  history  of  solid-state  amplifiers;  see  Bailey

[1]

,  Becker

[2]

and

Motorola

[3]

.  Part  of  the  problem  is  defining  what  constitutes  adequate

current delivery into a load. Otala

[4]

has shown that a complex impedance,

i.e. containing energy-storage elements, can be made to draw surprisingly
large currents if specially optimised pulse waveforms are used that catch
the load at the worst part of the cycle; however it seems to be the general
view that such waveforms rarely if ever occur in real life.

Verifying that overload protection works as intended over the wide range of
voltages, currents, and load impedances possible is not a light task. Peter
Baxandall introduced a most ingenious method of causing an amplifier to
plot its own limiting lines

[5]

.

Overload protection by fuses

The use of fuses in series with the output line for overload protection is no
longer considered acceptable, as it is virtually impossible to design a fuse
that will blow fast enough to protect a semiconductor device, and yet be
sufficiently  resistant  to  transients  and  turn-on  surges.  There  are  also  the
obvious objections that the fuse must be replaced every time the protection
is brought into action, and there is every chance it will be replaced by a
higher  value  fuse  which  will  leave  the  amplifier  completely  vulnerable.
Fuses can react only to the current flowing through them, and are unable
to take account of other important factors such as the voltage drop across
the device protected.

Series output fuses are sometimes advocated as a cheap means of DC offset
protection, but they are not dependable in this role.

Putting a fuse in series with the output will cause low-frequency distortion
due to cyclic thermal changes in the fuse resistance. The distortion problem
can, in theory at least, be side-stepped by putting the fuse inside the global
feedback loop; however what will the amplifier do when its feedback is
abruptly removed when the fuse blows? (See also page 384 on DC offset
protection below.)

One way of so enclosing fuses that I have seen advocated is to use them
instead of output emitter-resistors Re; I have no personal experience of this
technique,  but  since  it  appears  to  add  extra  time-dependent  thermal
uncertainties  (due  to  the  exact  fuse  resistance  being  dependant  upon  its
immediate thermal history) to a part of the amplifier where they already
cause major difficulties, I don’t see this as a promising path to take. There
is  the  major  difficulty  that  the  failure  of  only  one  fuse  will  generate  a
maximal DC offset, so we may have dealt with the overload, but there is

373

Audio Power Amplifier Design Handbook

now a major DC offset to protect the loudspeaker from. The other fuse may
blow as a consequence of the large DC current flow, but sizing a fuse to
protect  properly  against  both  overload  and  DC  offset  may  prove
impossible.

Amplifier circuitry should always include fuses in each HT line. These are
not intended to protect the output devices, but to minimise the damage when
the output devices have already failed. They can and should therefore be of
the slow-blow type, and rated with a good safety margin, so that they are
entirely reliable; a fuse operated anywhere near its nominal fusing current
has a short life-time, due to heating and oxidation of the fuse wire. HT fuses
cannot save the output devices, but they do protect the HT wiring and the
bridge rectifier, and prevent fire. There should be separate DC fuses for each
channel, as this gives better protection than one fuse of twice the size, and
allows one channel to keep working in an emergency.

Similarly, the mains transformer secondaries should also be fused. If this is
omitted, a failure of the rectifier will inevitably cause the mains transformer
to burn out, and this could produce a safety hazard. The secondary fuses
can  be  very  conservatively  rated  to  make  them  reliable,  as  the  mains
transformer should be able to withstand a very large fault current for a short
time.  The  fuses  must  be  of  the  slow-blow  type  to  withstand  the  current
surge into the reservoir capacitors at switch-on.

The final fuse to consider is the mains fuse. The two functions of this are to
disconnect  the  live  line  if  it  becomes  shorted  to  chassis,  and  to  protect
against gross faults such as a short between live and neutral. This fuse must
also be of the slow-blow type, to cope with the transformer turn-on current
surge  as  well  as  charging  the  reservoirs.  In  the  UK,  there  will  be  an
additional fuse in the moulded mains plug. This does not apply to mains
connectors in other countries and so a mains fuse built into the amplifier
itself is absolutely essential.

Electronic overload protection

There  are  various  approaches  possible  to  overload  protection.  The
commonest form (called electronic protection here to distinguish it from
fuse methods) uses transistors to detect the current and voltage conditions
in the output devices, and shunts away the base drive from the latter when
the conditions become excessive. This is cheap and easy to implement (at
least in principle) and since it is essentially a clamping method requires no
resetting.  Normal  output  is  resumed  as  soon  as  the  fault  conditions  are
removed. The disadvantage is that a protection scheme that makes good
use  of  the  device  Safe  Operating  Area  (SOA)  may  allow  substantial
dissipation for as long as the fault persists undetected, and while this should
not cause short-term failure if the protection has been correctly designed,
the high temperatures generated may impair long-term reliability.

374