STM32 TIM高级定时器死区时间的计算

STM32 TIM高级定时器的互补PWM支持插入死区时间，本文将介绍如何计算以及配置正确的死区时间。

文章目录

什么是死区时间？
数据手册的参数
如何计算合理的死区时间？
STM32中配置死区时间

什么是死区时间？

PWM是脉冲宽度调制，在电力电子中，最常用的就是整流和逆变。这就需要用到整流桥和逆变桥。

对三相电来说，就需要三个桥臂。以两电平为例，每个桥臂上有两个电力电子器件，比如IGBT。大致如下图所示；

这两个IGBT不能同时导通，否则就会出现短路的情况，从而对系统造成损害。

那为什么会出现同时导通的情况呢？

因为开关元器件的tdont_{don}tdon和tdofft_{doff}tdoff严格意义并不是相同的。

所以在驱动开关元器件门极的时候需要增加一段延时，确保另一个开关管完全关断之后再去打开这个开关元器件，通常存在两种情况；

上半桥关断后，延迟一段时间再打开下半桥；
下半桥关断后，延迟一段时间再打开上半桥；

这样就不会同时导通，从而避免功率元件烧毁；死区时间控制在通常的单片机所配备的PWM中都有这样的功能，下面会进一步介绍。

相对于PWM来说，死区时间是在PWM输出的这个时间，上下管都不会有输出，当然会使波形输出中断，死区时间一般只占百分之几的周期。但是当PWM波本身占空比小时，空出的部分要比死区还大，所以死区会影响输出的纹波，但应该不是起到决定性作用的。

另外如果死区设置过小，但是仍然出现上下管同时导通，因为导通时间较短，电流较小，不足以烧毁，此时会导致开关元器件发热严重，所以选择合适的死区时间尤为重要；

数据手册的参数

这里看了一下NXP的IRF540的数据手册，栅极开关时间如下所示；

然后找到相关的tdont_{don}tdon，tdfft_{dff}tdff，trt_rtr，tft_ftf的相关典型参数；

tdont_{don}tdon：门极的开通延迟时间
tdofft_{doff}tdoff：门极的关断延迟时间
trt_rtr：门极上升时间
tft_ftf：门极下降时间

下面是一个IGBT的数据手册；

下图是IGBT的开关属性，同样可以找到tdont_{don}tdon，tdfft_{dff}tdff，trt_rtr，tft_ftf等参数，下面计算的时候会用到；

如何计算合理的死区时间？

这里用tdeadt_{dead}tdead表示死区时间，因为门极上升和下降时间通常比延迟时间小很多，所以这里可以不用考虑它们。则死区时间满足；
Tdead=[(Tdoffmax−Tdonmin)+(Tpddmax−Tpddmin)]∗1.2T_{dead}=[(T_{doffmax}-T_{donmin})+(T_{pddmax}-T_{pddmin})]*1.2Tdead=[(Tdoffmax−Tdonmin)+(Tpddmax−Tpddmin)]∗1.2

TdoffmaxT_{doffmax}Tdoffmax :最大的关断延迟时间；
TdonminT_{donmin}Tdonmin :最小的开通延迟时间；
TpddmaxT_{pddmax}Tpddmax :最大的驱动信号传递延迟时间；
TpddminT_{pddmin}Tpddmin :最小的驱动信号传递延迟时间；

其中TdoffmaxT_{doffmax}Tdoffmax 和TdonminT_{donmin}Tdonmin正如上文所提到的可以元器件的数据手册中找到；
TpddmaxT_{pddmax}Tpddmax 和 TpddminT_{pddmin}Tpddmin 一般由驱动器厂家给出，如果是MCU的IO驱动的话，需要考虑IO的上升时间和下降时间，另外一般会加光耦进行隔离，这里还需要考虑到光耦的开关延时。

STM32中配置死区时间

STM32的TIM高级定时器支持互补PWM波形发生，同时它支持插入死区时间和刹车的配置。

直接看参考手册里的寄存器TIMx_BDTR，这是配置刹车和死区时间的寄存器；

可以看到死区时间DT由UTG[7：0]决定，这里还有一个问题是TDTST_{DTS}TDTS是什么？
在TIMx_CR1的寄存器可以得知，tDTSt_{DTS}tDTS由TIMx_CR1寄存器的CKD决定；如果这里配置成00，那么tDTSt_{DTS}tDTS和内部定时器的频率相同，为8M；

结合代码做一下计算；系统频率为72M,下面是时基单元的配置；

#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的频率是16K，注意这里的PWM是中央对齐模式，因此配置的时钟频率为32K;

下面时刹车和死区时间，BDTR寄存器的配置，因此这里的CK_INT为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)，可能的死区时间为：
0到3970ns，若步长时间为31ns；
4000us到8us，若步长时间为62ns；
8us到16us，若步长时间为250ns；
16us到32us，若步长时间为500ns；

如果需要配置死区时间 1000ns，系统频率72,000,000Hz，那么需要配置寄存器的值为；
VREG=1000ns31=32V_{REG} = \cfrac{1000ns}{31} = 32 VREG=311000ns=32
直接写成宏定义的形式

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

用示波器验证了一下，结果正确；