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？

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$t_{don}$和$t_{doff}$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NXP的IRF540的数据手册，门极开关时间如下所示；

然后找到相关的$t_{don}$，$t_{dff}$，$t_r$，$t_f$的相关典型参数；

• $t_{don}$：门极的开通延迟时间
• $t_{doff}$：门极的关断延迟时间
• $t_r$：门极上升时间
• $t_f$：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$t_{don}$，$t_{dff}$，$t_r$，$t_f$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$t_{dead}$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；
$T_{dead}=[(T_{doffmax}-T_{donmin})+(T_{pddmax}-T_{pddmin})]*1.2$

• $T_{doffmax}$ :最大的关断延迟时间；
• $T_{donmin}$ :最小的开通延迟时间；
• $T_{pddmax}$ :最大的驱动信号传递延迟时间；
• $T_{pddmin}$ :最小的驱动信号传递延迟时间；

其中$T_{doffmax}$ 和$T_{donmin}$正如上文所提到的可以元器件的数据手册中找到；
$T_{pddmax}$ 和 $T_{pddmin}$ 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，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》和《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DT由UTG[7：0]决定，这里还有一个问题是$T_{DTS}$是什么？
在TIMx_CR1的寄存器可以得知，$t_{DTS}$由TIMx_CR1寄存器的CKD决定；如果这里配置成00，那么$t_{DTS}$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；
$V_{REG} = \cfrac{500}{31} = 16$
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。