关于功率放大器保护

摘要：音频功率放大器工作在大功率、高电平状态，由于输入信号电平变化范围大，输出负载时有变动及经常发生连接导线短路或开路等，这些错误操作极易发生输入信号过载和输出功率过载，导致功放设备损坏。为保证功放能在各种条件下正常运行和在苛刻的环境中高可靠工作，功放设计中都考虑了

音频功率放大器工作在大功率、高电平状态，由于输入信号电平变化范围大，输出负载时有变动及经常发生连接导线短路或开路等，这些错误操作极易发生输入信号过载和输出功率过载，导致功放设备损坏。为保证功放能在各种条件下正常运行和在苛刻的环境中高可靠工作，功放设计中都考虑了比较完善的保护措施。优质功放的保护措施更为完善，它既能保护功放自身不受损坏，还能保护与其连接的扬声器系统不受损。

1、开机保护

功率放大器开机时，在电路到达稳定前都有一个短暂的“暂态电路过程”,这个暂态过程在输出端上出现一种瞬间冲击电压；对于无输出变压器的低阻功放，这个瞬间冲击电压会直接送到扬声器，使扬声器在每次开机时都会发出“啪”声。为消除扬声器发出的开机冲击声，功放中都设置了一个自动延时装置，每次开机5~10s后，才接通输出电路。

2、功放的稳定性

功放的稳定性是可靠性指标之一。试验方法如下：输出端开路，分别接上100pF、0.1μF和1μF三种容量的电容器，改变输入信号的频率和调节音量控制器使功放输出自额定功率降至最小，用示波器观察输出波形，均不应发生自激振荡和寄生振荡波形。

3、短路过载保护

使用中经常会发生功放外接线路短路或因输入过载使输出削波等功率过载等情况，为此，功放设计中都采用了短路过载保护装置。发生输出短路或输出过载时，该装置会自动切断输入信号，使其成为无信号输入(当然也无信号输出)状态，保护了功率放大器。放障解除后又会自动恢复。这种传统的短路过载保护装置必须精确地调整它的保护电平，否则会发生不到过载电平就切断输入信号的过早保护。

4、变压器过热保护

在环境温度过高场合运行的功放，如果功放内部的风冷散热效果不好，那么即使输出没有过载，功放内的电源变压器也会因温升过高而烧坏。为此，功放的电源变压器都设置有一个温度控制开关，超过规定温度时就会自动关机，保护了电源变压器的安全运行。温度降到正常工作范围时，可自动恢复接通。

5、直流输出保护

晶体管功放都采用正、负双路直流电源供电。输出端上的直流电压为0V。但是，如果电路中发生某些故障，就会打破这种平衡，在其输出端出现“正”或“负”的直流电压，此电压送到低频扬声器后，会直接烧毁该扬声器。因此功放中必须设置直流电压输出保护。最简单的保护方法是在输出端采用一个快速熔断保险丝。当然这种简单方法的保护效果并不理想，在低价功放中广泛采用。优质功放的直流保护电路设计得极为精确可靠，它还可把功放的推挽输出电路由于温度变化引起的输出0点漂移进行测定和控制。

6、 ODEP保护

以上五种可靠性保护是任何一种功放为保证正常运行必须具备的基本条件。但在实际使用中还会发生一些问题，例如在现场演出中，经常会在演出高潮时出现观众热烈欢呼的场面而使输人信号发生短暂的过载(不会损坏功放和扬声器),这种传统保护的功放此时会立即切断功放的输人，使全场“哑音”。作者曾亲临过一次现场爆破成形技术演示会的现场广播扩声，当巨大的爆炸声响起时，扩声系统也马上成了“哑巴”。

作为技术改进，美国CROWN公司发明了一种称为输出器件模拟保护装置ODEP(OutputDevice Emulation Protection),它是一种不停机的精密保护电路。ODEP采用严格的程序检测功放中每个输出晶体管的安全工作区域(SOA)。当偶然发生输出功率超过晶体管的安全工作区时，ODEP的智能电路马上会按比例限制其驱动信号电平，使晶体管回到安全工作区。换言之，ODEP能够预料潜在的问题，并且毫无察觉地进行补偿，使演出工作得以正常进行。

ODEP解决了功放传统设计中长期存在的两个问题：

一是避免功放在运行期间瞬时过载的停机问题；

二是提高了输出电路的效率。

7、限流保护技术

限流保护技术可以检测出信号电流是否流经负载和负载电流是否超出了功放输出电流的能力。通过限流指示器可指示扬声器负载与功放能力是否取得最佳的匹配和是否在安全区内正常工作。

8、 IOC保护技术(输人输出比较装置)

这是优质功放中采用的一种先进技术，这个装置将输出信号和输人信号进行连续对比，如果输出和输人信号之间的失真度超过0.05%,IOC指示器就会发出闪烁指示，提醒使用者。

IOC (Input/Output Comparator)指示器实质涵义是一个高传真输出指示器。它的进一步发展是通过功放内部的一个电压控制放大器(VCA)进行自动增益控制，使输出信号的失真度不会超过规定值。

9、输出驱动保护技术

为保护低音扬声器不受直流和次低音(10Hz以下的音频)引起的损坏，优质功放的输出端专门设有…个用来检测是否有次低音(Sub Sonic)和直流(DC)电压存在的保护装置。如果检测出有这些不正常的电压存在，保护装置立即会自动拆开功放和扬声器之间的联接。

10、 VZ电源供电技术

VZ(Variable Impedance)是一种可变阻抗专利技术。使功放电源的转换速率明显地向前推进了一大步。

功放电源必须具有足够大的电压和电流来保证功放负载的最大需求。功放内的大功率晶体管在把电源能量转换成信号功率输出时，会产生大量无用的热量，这样不仅消耗了许多宝贵的能源，而且还要千方百计地把这些热量散发出去。输出功率越大，晶体管的耗散热量也越大。

VZ电源根据负载阻抗的大小，可以改变施加到输出晶体管上的电压和电流，达到减少输出级的发热量，使功放在更安全的条件下高效工作。

VZ电源供电原理

a)小负载阻抗(大电流)时的VZ电源连接方式

b)高负载阻抗(电流小)时的VZ电源连接方式

VZ由两种直流电源组成，功放负载低于4Ω时，采用低电压大电流的并联模式供电。负载阻抗高时，采用串联高电压、小电流模式供电。这种高低电压模式的转换是由一个灵敏的监视信号电路自动决定的。VZ电路可保证在最安全的工作条件下，负载上获得最大的功率匹配。这一先进技术大大降低了失真，保证功放不会发生过热，提高了电源的利用效率。用户可方便地把功放设定到与负载达到最佳匹配状态。

11、扬声器偏置集成技术

扬声器偏置集成(Loudspeaker Offset Integration)是在不对称的音频信号输入时(含有直流成分的音频信号),为防止低频扬声器纸盆的偏心位移而设置的一种偏置集成补偿电路，这样可以增加低频输出能力，使音圈冷却均匀。