具有光电耦合器（OC）隔离输出的脉冲宽度调制（PWM）信号工作频率问题

概述

脉冲宽度调制（Pulse-width modulation）在近边缘控制应用场景中，会使被调制后的信号直接驱动末级功率器件，以实现对目标对象的控制。

对于调制信号的控制器来说，其运行的电压域并不会太高，而与之相连的末级功率器件则因为输出功率的需要，要有足够的电压*电流输出。

如果直接将控制级与功率级两者相连，显而易见地会存在有电气风险，因此需要使用隔离器件来对两者进行隔离的同时，满足信号的传输。

光电隔离，就是一种普遍的隔离方式，涉及到的器件为“光电耦合器（optical coupler ）”。光电耦合器能够胜任千伏级的电气隔离，有效防止控制器因异常的电气冲击而失效，但与此同时，光电耦合器的性能能否满足调制信号的传输，也是一个必须注意的问题。

光电耦合器

光电耦合器（以下简称“光耦”），是一种将电信号转换为光信号，再转换回电信号的器件，因为光的传播并不需要直接的电气连接，由此来实现电气隔离保护的目的。

通过以上电路符号我们可知光耦的输入端接有一个发光二极管，输出端接有一个光电三极管，当发光二极管通电发光时，输出的光电三极管导通，否则截止。电信号由发光二极管转化为光，在介质中传输至光电三极管，再被转换为电，毋庸置疑，这种转换并非是无消耗的，对于给定的阶跃信号，光耦需要经过一定延迟，才能将阶跃信号输出，这之中的转换延迟，可以在光耦的数据手册中查到。

就以以上类型的光耦为例，其开启和关断的转换耗时约为10微秒，也就是说，输入阶跃需要等待10微秒后，输出才会开始跳变，对于一开一关这一个完整的周期，必然存在着两次由光耦引入的延时，约为20微秒。

脉冲宽度调制（PWM）

脉冲宽度调制（以下简称“PWM”），是一种普遍使用的数字调制方式，其原理是通过改变特定定频率方波信号的有效平时间（占空比）来改变有效输出值。与此同时，PWM调制的信号频率，也会对输出特性产生影响，如使用较低的调制频率，会产生人耳可闻的噪音等。要将调制频率提升至20千赫兹以上，才能避免这个问题。

总地来说，PWM调制信号的工作频率和占空比，同时影响着调制结果的质量。

对于传输PWM调制信号的隔离器件，自然是要求其尽可能地还原输入PWM信号的频率和占空比，但如之前所说，光耦的信号转换无可避免地存在着延迟，必然会使PWM信号在通过后产生失真，问题是在什么样的情况下，光耦延迟引入的失真是不可容忍的？

PWM占空比分辨率

对于一个特定频率的PWM调制信号，其占空比的变化必然是以数字形式跳跃的，假设有一个占空比分辨率为1%的PWM信号，那么它的占空比必然以1%为最小阶梯跳变（1%-2%-3%），无法精确到更小如0.1%的尺度（1%-1.1%-1.2%）。

越小的占空比分辨率，就代表着越精细的调制输出，而当占空比分辨率达到100%时，则PWM调制信号完全变成了一个开关信号，只能在打开（100%）和关闭（0%）之间变换，此时PWM调制完全失调。

这时候再来回答之前所提到的问题：“在什么样的情况下，光耦延迟引入的失真是不可容忍的？”

以最宽容的标准来看，给出的答案是光耦的延迟使得占空比的分辨率降低到100%甚至更低时。

此时，光耦的上升延时或下降延时将占用整个PWM信号周期，由之前给出的典型延时为例，10微秒，对应着PWM信号的频率为100kHz。

看上去不错，但如果真的将设备的工作频率设定为该值或略小于该值，则会因为上升/下降延时占用了过多的时间而使得一定范围外的占空比完全失效。

因此我们会希望，要有至少1%的有效占空比，这样一来，光耦的上升延时或下降延时应小于等于1%占空比所持续的时间，因此那么上限频率将降低100倍，变成1kHz，远低于人耳听力上限，非常捉急。

分辨率定性分析

假设我们对前文中提到的光耦输入一个占空比为50%的方波，并且该方波的工作频率为100千赫兹，那么我们的输入波形与输出波形将如下图所示：

由图中可以看出，因为光耦所引入的延迟过大，而导致输出波形根本无法达到最高电平，而是呈现出一种峰值电压为50%左右的三角波。

我们将输入信号的频率降低到50千赫兹，那么波形图将会如下所示：

此时我们可以看到，光耦的输出波形变成了一个峰值电压为100%的三角波。

继续降低频率到25千赫兹，则光耦的输出将从三角波转变为梯形波，如下：

我们假设光耦的后级具有波形整形，当电压达到100%时开启，0%时关闭，那么当工作频率为100千赫兹时，后级根本无法正常开启，无法工作，当频率为50千赫兹时，后级刚好能够工作，降低到25千赫兹时，自然也能正常工作。

我们以25千赫兹为例，降低输入信号的占空比为5%，则光耦的输出波形如下：

这时波形再次呈现出三角波，因为峰值电压达不到100%而无法驱动后级功率器件正常开启。

如果我们将占空比升高到95%，则输出波形如下：

这时波形将变成倒三角波，波形无法下降至0%就再次开始上升，因此无法驱动后级功率器件正常关闭。

同样的25千赫兹工作频率，当占空比为50%时工作正常，5%和95%时则无法正常驱动后级，因此该工作频率无法支持5%占空比分辨率的输出。

由此我们可以得出，对于上升、下降延时，只有当上升延时和下降延时同时低于最小占空比分辨率所需要保持的高、低电平时间时，才能正常输出该分辨率的波形。

然而以上分析，却是十分理想的，因为只考虑了上升时间和下降时间的影响，实际当光耦的输入方波达到100%时，光耦的输出并不会立即开始上升，还需要经过一定时间延时才会开始上升。同时对于栅极驱动器，往往也不需要100%的电压来使功率级开启。因此实际效果还是要通过示波器测量，才能够确定，以上分析只能提供一个大致的参考。

解决方案

从根本上解决问题的方式是使用速度更快的隔离器件，比如将光电三极管输出的光耦更换为逻辑输出的光耦，或是在电压允许的情况下，使用数字隔离器。但毫无疑问这需要通过更改硬件来实现，非常麻烦，那么有没有方法能够绕开这个问题呢？

有，但不完全有。

经过占空比分辨率的定性分析我们知道，脉冲宽度调制时，隔离器件的上升延时将会影响到输出的最小开启时间，而下降延时将会影响到输出的最小关断时间，此消彼长，互相制衡。

但如果使用脉冲频率调制（PFM）时，事情会略有不同。

PFM通过固定开启的时间增加关断的时间来控制输出，也就是说开启时间与关断时间互不影响，不会左右牵制，当PFM调制占空比为50%时，波形的高电平时间与低电平时间正好相等，如果占空比继续下降仅仅会增加波形低电平的持续时间而已。

如果我们令高电平的持续时间刚好等于隔离器件的上升时间，占空比为50%，对于前文的上升下降延时，此时调制频率为50千赫兹，如果占空比为25%，则调制频率为25千赫兹，仍高于20千赫兹。因为高电平的持续时间不变，且等于上升延时，而低电平的时间随着占空比降低只会变长不会变短，理想化地说，此时的占空比分辨率是无穷大，不需要被考虑的。

结论就是，如果输出信号工作在50%占空比以下，那么在保证占空比分辨率的同时，使用PFM将大大提高输出信号的频率，只有在极低占空比的情况下，PFM输出信号的频率才会低于PWM，对于之前1%占空比分辨率的PWM需要低至1千赫兹的调制频率，PFM需要输出1%占空比以下的信号才能低于PWM。