Файл: Audio Power Amp Design Handbook.pdf

Audio Power Amplifier Design Handbook

Single-slope VI limiting

Simple  current-limiting  makes  very  poor  use  of  the  device  SOA;  single-
slope VI limiting is greatly superior because it uses more of the available
information to determine if the output devices are endangered. The Vce as
well  as  the  current  is  taken  into  account.  The  most  popular  circuit
arrangement is seen in Figure 13.4, where R3 has been added to reduce the
current-limit threshold as Vce increases. This simple summation of voltage
and current seems crude at first sight, but Figure 13.5 shows it to be an
enormous improvement over simply limiting the current.

380

Figure 13.4

Single-slope VI limiter
circuit

Figure 13.5

Single-slope locus
plotted on MJ15024
SOA

Amplifier and loudspeaker protection

The protection locus has now a variable slope, making it much easier to fit
between reactive load lines and the SOA boundary; the slope is set by R3.
In Figure 13.5, Locus 1 is for R3 = 15k, and Locus 2 for 10k. If Locus 2 is
chosen the short-circuit current is reduced to 2 A, while still allowing the
full 4 ! resistive output.

Current capability at Vce = 20 V is increased from 5.5 A to 7.5 A.

Dual-slope VI limiting

The motivation for more complex forms of protection than single-slope VI
limiting is usually the saving of money, by exploiting more of the output
device  SOA.  In  a  typical  amplifier  required  to  give  165 W  into  8 ! and
250 W into 4 ! (assuming realistic losses) the number of device pairs in the
output  stage  can  be  reduced  from three to two by  the use of dual-slope
protection, and the cost saving is significant. The single-slope limiting line
is made dual-slope by introducing a breakpoint in the locus so it is made
of  two  straight-line  sections  as  in  Figure  13.7,  allowing  it  to  be  moved
closer to the curved SOA limit; the current delivery possible at low device
voltages is further increased.

A  dual-slope  system  is  shown  in  Figure  13.6.  The  action  of  the  Vce
component on sensing transistor TR1 is reduced when Vce is high enough
for Zener diode DZ1 to conduct. The series combination of R4 and R1 is
chosen to give the required initial slope with low Vce (i.e. the left-hand
slope) but as the voltage increases the Zener conducts and diverts current
through  R5,  whose  value  controls  the  right-hand  slope  of  the  protection
locus. Locii 1, 2 and 3 are for R5 = 2k7, 1k8 and 1k respectively.

Current capability at Vce = 20 V is further increased from 7.5 A to 9.5 A.

381

Figure 13.6

Dual-slope VI limiter
circuit

Audio Power Amplifier Design Handbook

Simulating overload protection systems

The calculations for protection circuitry can be time-consuming. Simula-
tion is quicker; Figure 13.8, shows a conceptual model of a dual-slope VI
limiter,  which  allows  the  simulated  protection  locus  to  be  directly
compared  with  the  loadline  and  the  SOA.  The  amplifier  output  stage  is
reduced to one half (the positive or upper half) by assuming symmetry, and
the combination of the actual output device and the load represented by

382

Figure 13.7

Dual-slope locus
plotted on MJ15024
SOA

Figure 13.8

A conceptual model of
an overload protection
circuit that implements
dual-slope limiting

Amplifier and loudspeaker protection

voltage-controlled current-source G. The output current from controlled-
source  G  is  the  same  as  the  output  device  current  in  reality,  and  passes
through current-sense resistor Re1.

The 6 mA current-source I models the current from the previous stage that
TR1 must shunt away from the output device. Usually this is an accurate
model because the VAS collector load will indeed be a current-source. The
feedback  loop  is  closed  by  making  the  voltage  at  the  collector  of  TR1
control the current flowing through G and hence Re1.

In this version of VI-protection the device voltage is sensed by R4 and the
current thus engendered is added to that from R1 at the base of TR1. This
may  seem  a  crude  way  of  approximating  a  constant  power  curve,  and
indeed it is, but it provides very effective protection for low and medium-
powered amplifiers.

Vin models the positive supply-rail, and exercises the simulation through
the  possible  output  voltage  range.  In  reality  the  emitter  of  TR1  and  Re1
would be connected to the amplifier output, which would be move up and
down to vary the voltage across the output devices, and hence the voltage
applied across R1, R2. Here it is easier to alter the voltage source V, as the
only  part  of  the  circuit  connected  to  HT+.  V+  is  fixed  at  a  suitable  HT
voltage, e.g. +50 V.

The  simulation  only  produces  the  protection  locus,  and  the  other  lines
making up the SOA plot are added at the display stage. Ic(max.) is drawn
by plotting a constant to give a horizontal line at 16 A. P(max.) is drawn as
a line of a constant power, by using the equation 250/Vce to give a 250 W
line. In PSpice there seems to be no way to draw a strictly vertical line to
represent Vce(max.), but in the case of the MJ15024 this is 250 V, and is for
most practical purposes off the right-hand end of the graph anyway. The
second-breakdown  region  is  more  difficult  to  show,  for  in  the  manu-
facturer’s data the region is shown as bounded by a non-linear curve. The
voltage/current  co-ordinates  of  the  boundary  were  read  from  manu-
facturer’s  data,  and  approximately  modelled  by  fitting  a  second  order
polynomial. In this case it is:

I = 24.96 – 0.463 . Vce + 0.00224 . Vce

2

Equation 13.2

This is only valid for the portion that extends below the 250 W constant-
power line, at the bottom right of the diagram.

Catching diodes

These are reverse-biased power diodes connected between the supply-rails
and the output of the amplifier, to allow it to absorb transients generated by
fast current-changes into an inductive load. All moving-coil loudspeakers
present an inductive impedance over some frequencies.

383

Audio Power Amplifier Design Handbook

When  an  amplifier  attempts  to  rapidly  change  the  current  flowing  in  an
inductive load, the inductance can generate voltage spikes that drive the
amplifier  output  outside  its  HT  rail  voltages;  in  other  words,  if  the  HT
voltage is +/–50 V, then the output might be forced by the inductive back-
EMF to 80 V or more, with the likelihood of failure of the reverse-biased
output devices. Catching diodes prevent this by conducting and clamping
the  output  so  it  cannot  move  more  than  about  1 V  outside  the  HT  rails.
These diodes are presumably so-called because they catch the output line
if it attempts to move outside the rails.

Diode  current  rating  should  be  not  less  than  2 A,  and  the  PIV  200 V  or
greater, and at least twice the sum of the HT rails. I usually specify 400 PIV
3 A diodes, and they never seem to fail.

DC-offset protection

In some respects, any DC-coupled power amplifier is an accident waiting
to happen. If the amplifier suffers a fault that causes its output to sit at a
significant distance away from ground, then a large current is likely to flow
through the loudspeaker system. This may cause damage either by driving
the  loudspeaker  cones  beyond  their  mechanical  limits  or  by  causing
excessive thermal dissipation in the voice-coils, the latter probably being
the most likely. In either case the financial loss is likely to be serious. There
is  also  a  safety  issue,  in  that  overheating  of  voice-coils  or  crossover
components could presumably cause a fire.

Since most power amplifiers consist of one global feedback loop, there are
many possible component failures that could produce a DC offset at the
output, and in most cases this will result in the output sitting at one of the
HT  rail  voltages.  The  only  way  to  save  the  loudspeaker  system  from
damage  is  to  remove  this  DC  output  as  quickly  as  possible.  The  DC
protection  system  must  be  functionally  quite  separate  from  the  power
amplifier itself or the same fault may disable both.

There are several possible ways to provide DC protection:

1 By fusing in the output line, the assumption being that a DC fault will

give a sustained current flow that will blow the fuse when music-type
current demands will not.

2 By means of a relay in the output line, which opens when a DC offset is

detected.

3 By triggering a crowbar that shunts the output line to ground, and blows

the HT fuses. The crowbar device is usually a triac, as the direction of
offset to be dealt with is unpredictable.

4 By shutting down the power supply when a DC fault is detected. This can

be  done  simply  by  an  inhibit  input  if  a  switched-mode  PSU  is  used.
Conventional supplies are less easy.

384