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STM32 TIM高级定时器死区时间的计算

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什么是死区时间?

死区时间主要是在逆变电路中,防止一个桥臂的上下两个开关器件同时导通,那么会导致电路电流上升,从而对系统造成损害。因为开关元器件的tdont_{don}tdontdofft_{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,这里的延时就是需要施加的死区时间。

数据手册的参数

这里看了一下NXPIRF540的数据手册,门极开关时间如下所示;


然后找到相关的tdont_{don}tdontdfft_{dff}tdfftrt_rtrtft_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}tdontdfft_{dff}tdfftrt_rtrtft_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=[(TdoffmaxTdonmin)+(TpddmaxTpddmin)]1.2T_{dead}=[(T_{doffmax}-T_{donmin})+(T_{pddmax}-T_{pddmin})]*1.2Tdead=[(TdoffmaxTdonmin)+(TpddmaxTpddmin)]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}TdoffmaxTdonminT_{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}TpddmaxTpddminT_{pddmin}Tpddmin 一般由驱动器厂家给出,如果是MCUIO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,具体可以参考之前的文章《STM32 TIM 多通道互补PWM波形输出配置快速入门》《STM32 TIM1高级定时器配置快速入门》,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DTUTG[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 500ns,系统频率72,000,000Hz,那么需要配置寄存器的值为;
VREG=50031=16V_{REG} = \cfrac{500}{31} = 16VREG=31500=16
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;当时图片忘记保存,下次更新的时候再上图吧。

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