一、基本概念与作用
在电机驱动(如三相逆变器)、开关电源(如半桥/全桥拓扑)等需要上下桥臂互补导通的电路中,功率器件(MOSFET/IGBT)存在开关延迟。若一个桥臂的器件关断时,另一桥臂的器件立即导通,可能导致二者同时导通(称为"直通/Shoot-Through"),引发大电流而损坏器件或电源。
**死区时间:**一个桥臂的器件完全关断后,另一桥臂的器件延迟导通的这段时间。其实质是为功率器件的开关延迟提供缓冲,从而避免直通现象。
二、STM32中支持死区时间的模块
在STM32中,仅高级定时器支持互补PWM输出与可编程死区时间。通用定时器无互补输出功能,因此无法进行死区控制。
高级定时器的互补输出通道成对出现(如CH1与CH1N、CH2与CH2N、CH3与CH3N),并通过专用寄存器配置死区时间,确保互补通道的导通与关断时序之间严格插入死区。
三、死区时间配置寄存器:BDTR
死区时间配置集中在高级定时器的BDTR寄存器(Break and Dead-Time Register) 中,其核心控制位为DTG[7:0](Dead-Time Generator) 。此外,需配合MOE位(主输出使能) 来使能互补输出。
DTG[7:0]: 死区时间配置位(低7位DT[6:0]+ 最高位DTP[7],用于扩展死区范围)
MOE: 主输出使能位(必须置1,否则互补输出被禁止)
**BKE/BKP:**刹车功能使能/极性(与死区功能独立,但共用该寄存器)
四、死区时间的计算方法
死区时间由DTG[7:0]的值 与**定时器的内部时钟(Tck_int)**共同决定。不同STM32系列的计算规则略有差异,以下以STM32F1为例:
1. 定时器内部时钟(Tck_int)的确定
STM32定时器时钟遵循以下规则:
若APB预分频系数 = 1 → Tck_int = APBx时钟;
若APB预分频系数 > 1 → Tck_int = 2 × APBx时钟。
2. DTG位的分段计算规则
DTG[7:0]可分为最高位DTP(即DTG[7])和低7位DT(DTG[6:0]),计算规则如下:
当 DTP = 0(DTG[7] = 0):死区时间 = DT[6:0] × Tck;
当 DTP = 1(DTG[7] = 1):死区时间 = DT[6:0] × 16 × Tck。
五、STM32死区时间的配置步骤
以TIM1输出互补PWM为例,配置流程如下:
1. 初始化定时器基础参数
配置定时器时钟(如TIM1挂载在APB2上,需使能对应时钟);
设置ARR(自动重装值)与PSC(预分频系数),确定PWM频率;
配置PWM模式(如PWM1/PWM2),并通过CCR(捕获比较值)设定占空比。
2. 配置互补输出与死区
使能互补输出;
配置BDTR寄存器:根据目标死区时间设置DTG[7:0],并置位MOE。
3. 使能定时器与输出
使能定时器(将TIM_CR1的CEN位置1);
使能通道输出(将TIM_CCER的CC1E置位,使能CH1)。
六、实际应用注意事项
1. 死区时间的取值平衡
过短: 无法覆盖功率器件的开关延迟,仍可能出现直通;
**过长:**导致PWM波形失真(有效占空比范围缩小)、电机转矩脉动增大或电源效率降低。
2. 匹配功率器件特性
MOSFET开关速度快(纳秒级),死区时间通常设为几百纳秒;
IGBT开关速度较慢(微秒级),死区时间需设为几微秒。
3. 温度与电压的影响
功率器件的开关延迟会随温度升高、电压降低而增加,因此需预留一定的死区余量。部分STM32系列支持自适应死区,可通过硬件或软件动态调整。
4. MOE位的关键作用
高级定时器的互补输出必须置位MOE,否则输出将被强制拉低,死区配置也将无效。
七、死区时间对PWM波形的影响
插入死区时间会导致:
输出PWM的有效占空比降低(在低占空比时尤为明显);
输出电压/电流的谐波含量增加;
在电机驱动中,可能引起低速抖动(死区过大时)。