如何基于stm32 定时器实现mos桥的死区控制

原创于 2025-08-16 07:30:00 发布 · 397 阅读

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#单片机 #嵌入式硬件 #mos桥 #死区控制

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在 MOS 桥（如 H 桥、半桥）驱动中，死区控制是核心技术之一，用于防止同一桥臂的上下两个 MOS 管因开关延迟同时导通而造成电源短路。

STM32 的高级定时器（TIM1、TIM8） 内置了硬件死区生成功能，可精确控制互补 PWM 信号的死区时间，比软件延时更可靠。

一、死区控制原理

MOS 桥同一桥臂的上下管（如 Q1 和 Q2）需要互补导通：

当 Q1 导通时，Q2 必须关断；Q2 导通时，Q1 必须关断。
由于 MOS 管存在开通 / 关断延迟（如米勒效应），直接切换可能导致短暂的 “共态导通”，造成电源短路。

死区时间：在 Q1 关断后，延迟一段时间再开通 Q2（反之亦然），这段延迟即为死区时间（通常几百 ns 到几 us，根据 MOS 管参数调整）。

STM32 高级定时器通过互补 PWM 输出和死区寄存器实现硬件级死区控制，无需软件干预。

二、硬件基础

核心组件：
- STM32 高级定时器（如 TIM1，支持互补输出和死区）
- MOS 桥驱动电路（如半桥或 H 桥，含上下管驱动芯片）
- MOS 管（需匹配驱动电压和电流）
连接关系：
- 定时器主通道（如 TIM1_CH1）→ 上管驱动信号
- 定时器互补通道（如 TIM1_CH1N）→ 下管驱动信号
- 驱动芯片需隔离（如光耦或专用隔离驱动 IC），避免高压干扰 MCU

三、软件实现核心（基于 HAL 库）

1. 高级定时器配置要点

启用互补 PWM 输出（主通道 + 互补通道）
配置死区时间（通过 BDTR 寄存器的 DTG 位）
配置 PWM 模式（通常用 PWM 模式 1）
使能主输出（MOE 位，控制互补通道输出）

2. 死区时间计算

死区时间由定时器时钟频率和 BDTR 寄存器的DTG[7:0]位决定，公式如下：
死区时间 = DTG值 × 时间单位

时间单位与 DTG 的高 3 位（DTG[7:5]）相关，对应关系：

DTG[7:5]	时间单位	适用 STM32 系列（以 72MHz 为例）
000	Tck_int	13.89ns（72MHz 时，1/72e6）
001	2×Tck_int	27.78ns
010	4×Tck_int	55.56ns
011	8×Tck_int	111.11ns
100	16×Tck_int	222.22ns
101	32×Tck_int	444.44ns
110	64×Tck_int	888.89ns
111	128×Tck_int	1.778us

例如：DTG=0x10（二进制 00010000），DTG[7:5]=000，时间单位 = 13.89ns，死区时间 = 16×13.89ns≈222ns。

四、代码实现（以 TIM1 为例）

1. 头文件（mos_bridge.h）

#ifndef __MOS_BRIDGE_H
#define __MOS_BRIDGE_H
#include "stm32f1xx_hal.h"

// 函数声明
void MOS_Bridge_Init(void);                  // 初始化MOS桥控制（含死区）
void MOS_Bridge_SetPWM(uint16_t duty);       // 设置PWM占空比（0~1000）
void MOS_Bridge_Enable(void);                // 使能输出
void MOS_Bridge_Disable(void);               // 禁用输出

#endif

2. 源文件（mos_bridge.c）

#include "mos_bridge.h"

TIM_HandleTypeDef htim1;  // TIM1句柄

// 高级定时器TIM1初始化（含死区配置）
static void MX_TIM1_Init(void) {
  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
  TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
  TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0};

  htim1.Instance = TIM1;
  htim1.Init.Prescaler = 0;                  // 不分频，时钟=72MHz
  htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim1.Init.Period = 999;                   // 周期=1000，PWM频率=72MHz/(1000)=72KHz
  htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
  htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }

  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim1, &sClockSourceConfig) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }

  if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }

  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }

  // 配置主通道和互补通道为PWM模式1
  sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  sConfigOC.Pulse = 0;                       // 初始占空比0
  sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; // 主通道高电平有效
  sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH; // 互补通道高电平有效
  sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
  sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
  
  // 配置主通道（CH1）
  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }

  // 配置死区时间和刹车功能
  sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_DISABLE;
  sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_DISABLE;
  sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF;
  sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 0x10;      // 死区时间=16×13.89ns≈222ns（根据需要调整）
  sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE;  // 禁用刹车（如需保护可使能）
  sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_HIGH;
  sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }

  HAL_TIM_MspPostInit(&htim1);  // 配置GPIO
}

// GPIO初始化（互补PWM输出引脚）
void HAL_TIM_MspPostInit(TIM_HandleTypeDef* timHandle) {
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(timHandle->Instance==TIM1) {
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    // TIM1_CH1 -> PA8（上管驱动）
    // TIM1_CH1N -> PA7（下管驱动）
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_7;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;    // 复用推挽输出
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  }
}

// 初始化MOS桥控制
void MOS_Bridge_Init(void) {
  MX_TIM1_Init();
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);        // 启动主通道PWM
  HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);     // 启动互补通道PWM
  MOS_Bridge_Disable();  // 初始禁用输出，防止误触发
}

// 设置PWM占空比（0~1000对应0~100%）
void MOS_Bridge_SetPWM(uint16_t duty) {
  if (duty > 1000) duty = 1000;
  TIM1->CCR1 = duty;  // 直接设置比较值（主通道和互补通道自动关联）
}

// 使能输出（MOE位控制）
void MOS_Bridge_Enable(void) {
  TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE;  // 主输出使能
}

// 禁用输出
void MOS_Bridge_Disable(void) {
  TIM1->BDTR &= ~TIM_BDTR_MOE; // 主输出禁用
}

五、关键注意事项

死区时间选择：
需根据 MOS 管的turn-off时间（关断延迟）设置，确保上管完全关断后下管才开通。例如，若 MOS 管关断延迟为 500ns，死区时间应设置为 600ns 以上。
输出极性：
根据驱动电路设计（如 MOS 管是高电平导通还是低电平导通），通过OCPolarity和OCNPolarity调整 PWM 极性。
故障保护：
高级定时器支持刹车功能（Break），可接入过流、过压检测信号，触发时自动关闭所有输出（需配置BreakState和相关引脚）。
电源隔离：
MOS 桥通常工作在高压大电流环境，需通过隔离驱动芯片（如 SI8233、TLP250）隔离 MCU 与驱动电路，避免干扰和损坏。
PWM 频率：
频率过高会增加开关损耗，过低会导致电流纹波大，通常选择 10KHz~100KHz（根据 MOS 管和电感参数调整）。

六、应用示例

#include "mos_bridge.h"

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();  // 配置系统时钟为72MHz
  MOS_Bridge_Init();     // 初始化MOS桥控制
  
  MOS_Bridge_Enable();   // 使能输出
  
  while (1) {
    // 占空比从10%渐变到90%
    for (uint16_t duty = 100; duty <= 900; duty += 50) {
      MOS_Bridge_SetPWM(duty);
      HAL_Delay(100);
    }
    // 占空比从90%渐变到10%
    for (uint16_t duty = 900; duty >= 100; duty -= 50) {
      MOS_Bridge_SetPWM(duty);
      HAL_Delay(100);
    }
  }
}

通过 STM32 高级定时器的硬件死区功能，可实现高精度、高可靠性的 MOS 桥控制，广泛应用于电机驱动、逆变器、DC-DC 转换器等场景。核心是根据硬件特性合理配置死区时间，避免共态导通。