一、HRTIM 与 LLC 谐振变换器简介

STM32G4 系列内置的高分辨率定时器（HRTIM）提供 184ps 的分辨率，非常适合 LLC 谐振变换器这类对时序精度要求极高的应用。LLC 拓扑通过调节开关频率实现输出电压稳定，而移相控制（Phase Shift）则用于优化轻载效率或实现宽范围调节。HRTIM 的多路输出与灵活的死区插入机制，可精确生成带死区的互补 PWM 信号，满足原边全桥/半桥驱动需求。

  • HRTIM 核心特性：高分辨率（184ps）、多定时器单元（Master + 5 Timer）、交叉同步、死区发生器、事件触发。
  • LLC 移相需求：原边两个桥臂之间的相位差可调（0°~180°），用于调节谐振腔输入电压的基波幅值。
  • 死区必要性：防止桥臂直通，同时为谐振电流提供续流路径，死区时间需根据 MOSFET 结电容与谐振电流优化。

二、HRTIM 移相配置原理

HRTIM 的每个 Timer 单元（如 Timer A、Timer B）均可独立产生一对互补 PWM（输出 A1/A2）。通过配置 Master 定时器或使用交叉比较器，可实现 Timer A 与 Timer B 之间的相位偏移。

  • 移相实现方式：将 Timer A 作为主参考，Timer B 的计数器启动受 Master 的周期事件或比较事件触发，通过设置触发点偏移量实现相位差。
  • 死区插入：每个 Timer 的输出通道均配有独立死区发生器，可设置上升沿/下降沿死区时间（单位：HRTIM 时钟周期）。
  • 关键寄存器：HRTIM_TIMxCR（控制寄存器）、HRTIM_TIMxCMPx（比较寄存器）、HRTIM_TIMxDTxR（死区寄存器）、HRTIM_MCR（主控制寄存器）。

三、CubeMX 配置步骤

  1. 在 STM32CubeMX 中启用 HRTIM1，选择 Timer A 和 Timer B 为“PWM 模式”，输出 A1/A2 与 B1/B2。
  2. 配置 Master 定时器周期为开关周期（如 100kHz 对应 10μs），预分频器设为 1（最高分辨率）。
  3. 设置 Timer A 为连续模式，Timer B 为“触发启动”模式，触发源选择 Master 的周期事件或 Timer A 的复位事件。
  4. 在 Timer B 的“相位偏移”参数中填入偏移值（0~周期值），实现移相。
  5. 使能各通道死区发生器，设置死区时间（例如 100ns，对应 HRTIM 时钟周期数）。
  6. 生成代码，初始化函数将自动配置相关寄存器。

四、完整代码示例

以下代码基于 HAL 库，展示如何动态调整移相角与死区时间。

#include "stm32g4xx_hal.h"

HRTIM_HandleTypeDef hhrtim1;

// 初始化 HRTIM（CubeMX 已生成基础配置，此处补充动态调整函数）
void HRTIM_Init(void)
{
  // 假设系统时钟 170MHz，HRTIM 时钟 170MHz，分辨率 184ps
  // 开关频率 100kHz -> 周期 = 1700 计数（170MHz / 100kHz）
  // 死区时间 100ns -> 17 计数
  // 移相 90° -> 偏移 425 计数

  // 设置 Timer A 周期
  __HAL_HRTIM_SETPERIOD(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_A, 1700 - 1);
  // 设置 Timer B 周期与 A 相同
  __HAL_HRTIM_SETPERIOD(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_B, 1700 - 1);

  // 设置 Timer A 比较值（占空比 50%）
  __HAL_HRTIM_SETCOMPARE(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_A, HRTIM_COMPAREUNIT_1, 850);
  // 设置 Timer B 比较值
  __HAL_HRTIM_SETCOMPARE(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_B, HRTIM_COMPAREUNIT_1, 850);

  // 配置 Timer B 相位偏移（通过 Master 周期事件触发启动，偏移量由比较寄存器实现）
  // 实际使用 HRTIM_TIMxCR 的 PHS 位或交叉比较器
  // 此处简化：设置 Timer B 的复位事件为 Master 比较值 425
  __HAL_HRTIM_SETCOMPARE(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_MASTER, HRTIM_COMPAREUNIT_1, 425);
  HAL_HRTIM_ConfigTimerTrigger(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_B, HRTIM_TIMERINDEX_MASTER, HRTIM_EVENT_1, HRTIM_TRIGGER_SOURCE_COMPARE_1, HRTIM_TRIGGER_SYNC_START);

  // 死区配置：上升沿死区 17 计数，下降沿死区 17 计数
  __HAL_HRTIM_DEADTIME_CONF(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_A, HRTIM_TIMER_A, 17, 17);
  __HAL_HRTIM_DEADTIME_CONF(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_B, HRTIM_TIMER_B, 17, 17);

  // 启动 HRTIM
  HAL_HRTIM_Start(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_MASTER);
  HAL_HRTIM_Start(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_A);
  HAL_HRTIM_Start(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_B);
}

// 动态调整移相角（单位：度，0~180）
void HRTIM_SetPhaseShift(uint16_t phase_deg)
{
  uint32_t period = 1700; // 当前周期计数
  uint32_t offset = (period * phase_deg) / 360;
  __HAL_HRTIM_SETCOMPARE(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_MASTER, HRTIM_COMPAREUNIT_1, offset);
}

// 动态调整死区时间（单位：ns）
void HRTIM_SetDeadTime(uint16_t dead_ns)
{
  // HRTIM 时钟 170MHz -> 1 计数 ≈ 5.88ns
  uint32_t counts = (dead_ns * 170) / 1000;
  __HAL_HRTIM_DEADTIME_CONF(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_A, HRTIM_TIMER_A, counts, counts);
  __HAL_HRTIM_DEADTIME_CONF(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_B, HRTIM_TIMER_B, counts, counts);
}

五、注意事项

  • 死区时间与谐振电流：死区过大导致体二极管导通损耗增加，过小则可能直通。建议通过示波器观察桥臂中点电压与驱动信号，结合负载调整。
  • 移相精度：HRTIM 分辨率极高，但需注意比较寄存器写入时机，避免在计数器运行中产生毛刺。可使用预装载（Preload）功能。
  • 同步与触发：确保 Timer B 的启动触发源正确配置，否则移相失效。推荐使用 Master 比较事件触发。
  • 保护机制：利用 HRTIM 的故障输入（FAULT）快速关断输出，提高系统安全性。
  • 时钟配置：HRTIM 时钟必须使能并稳定，否则输出异常。

通过合理配置 HRTIM 的移相与死区，可显著提升 LLC 变换器在宽负载范围内的效率与可靠性。建议结合 STM32CubeMonitor 实时监测波形，加速调试。