STM32 TIM高級定時器死區時間的計算

STM32 TIM高級定時器的互補PWM支持插入死區時間，本文將介紹如何計算以及配置正確的死區時間。

文章目錄

• 什么是死區時間？
• 數據手冊的參數
• 如何計算合理的死區時間？
• STM32中配置死區時間

什么是死區時間？

死區時間主要是在逆變電路中，防止一個橋臂的上下兩個開關器件同時導通，那么會導致電路電流上升，從而對系統造成損害。因為開關元器件的 $t_{don}$和 $t_{doff}$嚴格意義並不是相同的。所以在驅動開關元器件門極的時候需要增加一段延時，確保另一個開關管完全關斷之后再去打開這個開關元器件，這里的延時就是需要施加的死區時間。

數據手冊的參數

這里看了一下NXP的IRF540的數據手冊，門極開關時間如下所示；

然后找到相關的 $t_{don}$， $t_{dff}$， $t_r$， $t_f$的相關典型參數；

• $t_{don}$：門極的開通延遲時間
• $t_{doff}$：門極的關斷延遲時間
• $t_r$：門極上升時間
• $t_f$：門極下降時間

下面是一個IGBT的數據手冊；

下圖是IGBT的開關屬性，同樣可以找到 $t_{don}$， $t_{dff}$， $t_r$， $t_f$等參數，下面計算的時候會用到；

如何計算合理的死區時間？

這里用 $t_{dead}$表示死區時間，因為門極上升和下降時間通常比延遲時間小很多，所以這里可以不用考慮它們。則死區時間滿足；
$T_{dead}=[(T_{doffmax}-T_{donmin})+(T_{pddmax}-T_{pddmin})]*1.2$

• $T_{doffmax}$ :最大的關斷延遲時間；
• $T_{donmin}$ :最小的開通延遲時間；
• $T_{pddmax}$ :最大的驅動信號傳遞延遲時間；
• $T_{pddmin}$ :最小的驅動信號傳遞延遲時間；

其中 $T_{doffmax}$ 和 $T_{donmin}$正如上文所提到的可以元器件的數據手冊中找到；
$T_{pddmax}$ 和 $T_{pddmin}$ 一般由驅動器廠家給出，如果是MCU的IO驅動的話，需要考慮IO的上升時間和下降時間，另外一般會加光耦進行隔離，這里還需要考慮到光耦的開關延時。

STM32中配置死區時間

STM32的TIM高級定時器支持互補PWM波形發生，具體可以參考之前的文章《STM32 TIM 多通道互補PWM波形輸出配置快速入門》和《STM32 TIM1高級定時器配置快速入門》，同時它支持插入死區時間和剎車的配置。

直接看參考手冊里的寄存器TIMx_BDTR，這是配置剎車和死區時間的寄存器；

可以看到死區時間DT由UTG[7：0]決定，這里還有一個問題是 $T_{DTS}$是什么？
在TIMx_CR1的寄存器可以得知， $t_{DTS}$由TIMx_CR1寄存器的CKD決定；如果這里配置成00，那么 $t_{DTS}$和內部定時器的頻率相同，為8M；

結合代碼做一下計算；系統頻率為72M,下面是時基單元的配置；

#define PWM_FREQ ((u16) 16000) // in Hz (N.b.: pattern type is center aligned)
#define PWM_PRSC ((u8)0)
#define PWM_PERIOD ((u16) (CKTIM / (u32)(2 * PWM_FREQ *(PWM_PRSC+1)))) 

  TIM_TimeBaseStructInit(&TIM1_TimeBaseStructure);
  /* Time Base configuration */
  TIM1_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0x0;
  TIM1_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_CenterAligned1;
  TIM1_TimeBaseStructure.TIM_Period = PWM_PERIOD;
  TIM1_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV2;

PWM的頻率是16K，注意這里的PWM是中央對齊模式，因此配置的時鍾頻率為32K;

下面時剎車和死區時間，BDTR寄存器的配置，因此這里的CK_INT為32M

#define CKTIM ((u32)72000000uL) /* Silicon running at 72MHz Resolution: 1Hz */
#define DEADTIME_NS ((u16) 500) //in nsec; range is [0...3500]
#define DEADTIME (u16)((unsigned long long)CKTIM/2 \ *(unsigned long long)DEADTIME_NS/1000 000 000uL)

  TIM1_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable;
  TIM1_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable;
  TIM1_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_1; 
  TIM1_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = DEADTIME;
  TIM1_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable;
  TIM1_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High;
  TIM1_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Disable;

例：若TDTS = 31ns(32MHZ)，可能的死區時間為：
0到3970ns，若步長時間為31ns；
4000us到8us，若步長時間為62ns；
8us到16us，若步長時間為250ns；
16us到32us，若步長時間為500ns；

如果需要配置死區時間 500ns，系統頻率72,000,000Hz，那么需要配置寄存器的值為；
$V_{REG} = \cfrac{500}{31} = 16$
直接寫成宏定義的形式

#define DEADTIME (u16)((unsigned long long)CKTIM/2 \ *(unsigned long long)DEADTIME_NS/1000 000 000uL)

用示波器驗證了一下，結果正確；當時圖片忘記保存，下次更新的時候再上圖吧。