STM32G474如何实现Buck变换器的COT控制模式？

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好的，使用 STM32G474 的 HRTIM 和比较器 COMP 来实现 COT (Constant On-Time) Buck 变换器控制模式，特别是处理比较器输出长时间有效（Vout 低于 Vref 超过 Ton_max）时需要强制重复导通的情况，是一个非常典型的应用场景。G474 的 HRTIM 硬件能力非常适合实现这种需求。

以下是实现的核心思路、关键硬件配置和具体步骤：

核心思路：

1. 事件驱动导通 (On-Demand Turn-On)： 使用比较器 COMP2 比较 Vout 和 Vref。当 Vout < Vref 时，COMP2 输出变高（或低，取决于极性配置），这个上升沿作为 导通触发事件。


2. 固定导通时间 (Ton)： 在接收到 COMP2 的触发事件后，HRTIM 立即开启 Buck 的高边开关（例如 TIM A 输出 PWMHx）。同时启动一个计时器（Ton计时器）。这个 Ton 计时器可以通过 HRTIM 内部的比较器或周期匹配事件来实现。


3. 时间到关断： 当 Ton 计时器达到预设的固定时间 (Ton_fixed) 后，立即关闭 PWMHx。同时启动（或进入）一个最小关断时间保护计时器 (Toff_min timer)。


4. 处理“反复导通”需求（关键部分）：
   
   
   
   • 在关断期间 (Toff_min 内)，虽然 Vout 可能仍低于 Vref (COMP2 输出仍有效)，但 不能立刻响应新的比较器触发。这就是最小关断时间保护，防止开关频率过高。
   
   
   • 当 Toff_min 计时器结束时：
     
     
     
     • 如果此时 COMP2 输出仍然有效（Vout < Vref），说明负载很重或输入电压突降，仅靠常规的事件触发+Ton无法维持电压。此时，系统必须 强制 产生一个新的导通触发事件。
     
     
     • 如果此时 COMP2 输出无效（Vout >= Vref），则系统处于正常稳态或轻载状态，等待下一次 COMP2 触发的自然发生。
     
     
   
   
   • 这个“强制触发”操作，本质上是在 Toff_min 结束时刻，主动模拟一个 COMP2 触发信号（即使物理上的 COMP2 输出可能已经有效了很长时间）。
   
   
   • HRTIM 在检测到这个“强制触发”信号后，就会立刻开始下一个开关周期：开启 PWMHx 并重新启动 Ton_fixed 计时器。
   
   

如何利用 STM32G474 HRTIM 实现上述逻辑（关键硬件配置）：

HRTIM 的强大之处在于其事件、触发、门控和状态机逻辑，可以在硬件层面处理大部分 COT 时序需求，包括“反复导通”。

1. 
   

   比较器 COMP2 设置：

   
   
   
   
   • 连接 Vout (同相端) 和 Vref (反相端)。Vref 可由内部 DAC 或外部 DAC 提供。
   
   
   • 配置为快速比较器模式（启用内部补偿电容以提高响应速度）。
   
   
   • 配置输出极性，使其在 Vout < Vref 时输出高电平 (或低电平，但要与触发边沿选择匹配)。
   
   
   • 将 COMP2 输出连接到 HRTIM 的一个 TRIGGER 输入源（如 TRIG1）。在 STM32CubeMX 或参考手册中寻找 “COMP2 HRTIM TRIGGER” 的路由选项。
   
   
   
   


2. 
   

   HRTIM 设置 - 时间基准 (Timer A for Buck):

   
   
   
   
   • 模式: 配置为 Burst Mode。在此模式下，通常需要一个外部事件（这里是 COMP2 触发）来启动计时器。当达到峰值条件（我们的 Ton_fixed 设置）时自动停止（复位）。这与 COT 的事件驱动特性完美契合。
   
   
   • 主周期 (Period): 设置为一个远超预期最大 Ton 和最大开关周期的值（例如 65535）。HRTIM 实际控制逻辑是由触发和事件驱动的，Period 在此仅作为计数器上限。
   
   
   • Ton 固定计时实现:
     
     
     
     • 使用 比较器 (CMPx)：设置一个比较寄存器 TIMx_CMP1 = Ton_fixed。配置对应的比较事件 (CMP1) 来触发 ADC Start of Conversion (如果使用 ADC 电流保护)。
     
     
     • 使用 周期 (PER) 中断匹配: 配置 TIMx_PER 寄存器为 Ton_fixed。在 Burst Mode 下，计数达到 PER 值也会被视为结束条件。但通常用 CMP 更灵活。
     
     
     • 关键链接： 在 TIMx_OUT 寄存器中，配置 FLT[0] 或 FLT[1] 的 FAULT 源为 CMP1 event (或 PER event)。这样，当 Ton_fixed 时间达到时，会触发 Fault 事件。
     
     
     • 设置故障动作： 在 TIMx_FLTINx (x=1 或 2, 对应选择的 FAULT 源) 寄存器中，配置故障响应动作 DISACTION 为 Set output to reset/inactive level (对应高边开关关闭)。这样，Ton 时间一到就关闭开关。
     
     
   
   
   • 强制状态机复位 (处理反复导通):
     
     
     
     • 使用另一个 Timer (如 Timer E) 作为 Toff_min 计时器。
     
     
     • 配置 Toff_min: 设置 Timer E 的 PER 寄存器 = Toff_min。
     
     
     • 启动 Toff_min: 当 Timer A (Buck Timer) 的 FAULT 事件 (CMP1/PER 事件导致关断) 发生时，使用这个事件 (FAULTx) 作为 Timer E 的 软件更新触发 (SWUPDT) 或计数开始事件 (CONT)。这样，Timer A 关断的同时就启动了 Timer E (Toff_min) 的计时。
     
     
     • Timer E Period 结束事件： 配置 Timer E 的 PER 事件 (达到 Toff_min 时间) 作为 HRTIM 的一个 GLOBAL RESET 触发源 (GRSTx)。
     
     
     • GRSTx 动作： 关键点来了！配置 GRSTx 源为 Timer E 的 PER 事件。GRST 的作用是 强制 HRTIM 状态机复位。
     
     
     • 连接 COMP2 状态 (门控)： HRTIM 的输入触发可以被门控(Gating)。找到 TRIG1 (COMP2) 输入对应的门控配置 TIMx_TRIG1。
     
     
     • 使能门控功能： 设置门控源 GATING (例如 GATENG1)。一个合适的门控源可以是另一个 Timer (如 Timer E) 的 PER 事件本身或其反相 (!PER)。配置门控类型 GTYPE 为 Enable。
     
     
     • 目的： 在 Timer E 运行期间 (Toff_min 内)，禁止 TRIG1 (COMP2) 触发 HRTIM。在 Timer E PER 事件结束时 (Toff_min 结束)，允许 TRIG1 触发或更重要地，强制状态机复位本身会像检测到一个触发一样开始下一个周期！
     
     
   
   
   • 动作链 (处理反复导通):
     
     
     
     • Toff_min 结束 (Timer E PER 事件) -> 触发 GRSTx。
     
     
     • GRSTx 强制 Timer A (Buck Timer) 状态机复位。
     
     
     • 状态机复位后，HRTIM 会立即检查当前有效的触发源。此时：
       
       
       
       • 如果 COMP2 输出依然有效 (Vout < Vref)，则在 GRSTx 发生瞬间，TRIG1 输入是有效的。HRTIM 会立即将这个有效电平视为一个等待处理的触发事件！ 因此它会立刻响应这个“新”触发，开始新的 Ton 周期（开启 PWMHx，启动 Ton 计时）。
       
       
       • 如果 COMP2 输出此时无效 (Vout >= Vref)，则复位后的状态机中没有等待的触发事件，HRTIM 保持等待状态，直到下一次 COMP2 有效触发发生。
       
       
     
     
     • 这样，就实现了在 Toff_min 结束后，只要 Vout 仍然低，就强制开始一个新开关周期的逻辑，解决了反复导通的需求。整个过程是在硬件层面自动完成的。
     
     
   
   
   
   


3. 
   

   PWM 输出设置 (TIMx_CHx):

   
   
   
   
   • 配置选择的 TIMx_CHx (例如 TIMA_CH1) 输出为 PWM mode 1。
   
   
   • 设置 DTG（死区时间生成器）防止半桥穿通（如果使用外部驱动或同步整流）。
   
   
   • 将高边开关输出 PWMH1 连接到你功率级的 MOSFET Gate 驱动。
   
   
   
   

总结关键配置点以实现“反复导通”：

1. Toff_min 生成： 使用一个辅助 Timer（如 E）在 Buck Timer 关断事件启动，计时 Toff_min。


2. Toff_min 结束复位状态机： 将辅助 Timer 的 PER 事件连接到 GRSTx 源，用于强制复位 Buck Timer 的状态机。


3. 门控 COMP2 触发： 使用辅助 Timer (PER 或其反相 !PER) 门控 COMP2 的触发输入 (TRIGx)，在 Toff_min 期间屏蔽触发。


4. 复位与自动响应： GRSTx 复位 Buck Timer 后，由于 COMP2 触发信号（门控已释放）在复位瞬间是有效的（等待状态），状态机会立即将其视为有效触发，从而开启新的 Ton 周期。如果 COMP2 在 Toff_min 结束时无效，状态机则保持等待。

实现步骤：

1. CubeMX 配置:
   
   
   
   • 启用 HRTIM，配置 Timer A (Burst Mode), Period 很大 (0xFFFF)。
   
   
   • 配置 HRTIM COMP1 值 = Ton_fixed，并链接 COMP1 事件到对应 FAULT 输入，设置 FAULT Action 为 Disable Output (关断)。
   
   
   • 配置 Timer E (Continuous Mode)，设置 Period = Toff_min。
   
   
   • 设置 Buck Timer 关断事件（FAULTx）触发 Timer E 的 SWUPDT（软件更新，启动计时）或使其开始计数 (CONT）。
   
   
   • 设置 Timer E PER 事件连接到 GRSTx 源（选择适当的 GRSTx）。
   
   
   • 设置 COMP2 输出连接到 TRIG1 输入。
   
   
   • 为 TRIG1 配置门控，启用门控功能，选择 Timer E 的 PER 或 !PER 作为门控源，类型 Enable（当门控源有效时允许触发）。
   
   
   • 配置 PWM 通道输出、极性、死区等。
   
   
   • 配置 DAC 产生 Vref 或外部连接 Vref。
   
   
   • 配置 COMP2（正负输入，输出极性，速度等）。
   
   


2. 初始化代码：
   
   
   
   • HAL_HRTIM_WaveformOutputStart(&hhrtim, HRTIM_OUTPUT_TAx) (启动 Buck PWM 输出)
   
   
   • HAL_HRTIM_WaveformCounterStart(&hhrtim, HRTIM_TIMERID_TIMER_A | HRTIM_TIMERID_TIMER_E) (启动 HRTIM 计数)
   
   
   • HAL_COMP_Start(&hcomp2) (启动比较器)
   
   
   • 根据负载/输入，可能需要动态设置 Ton_fixed 或 Vref (DAC)的值，通过修改 TIMx_CMP1xR (Ton_fixed) 或 HAL_DAC_SetValue() (Vref)实现。
   
   


3. 运行时：
   
   
   
   • 主要逻辑在 HRTIM 硬件中自动执行。
   
   
   • 软件只需监控系统状态（过压、过流保护需要配置）、处理用户命令（改变 Vref/DAC）、动态调整 Ton_fixed 值等。
   
   

重要注意事项：

• 响应速度： 确保 COMP2 的响应时间和 HRTIM 的触发->输出延迟足够快，以满足系统瞬态响应的要求。


• 斜率补偿： 对于工作在连续导通模式（CCM）的 D > 50% 的 Buck，COT 可能需要斜率补偿（通常通过向电流检测信号或 COMP2 比较端添加一个小斜坡实现）以防止次谐波振荡。STM32G474 内部资源（如斜坡发生器 DAC）可以辅助实现。


• 电流限制： 保护电路是必要的。使用 ADC 采样电流或 COMP1 进行峰值电流限制保护，连接到另一个 FAULT 输入并设置立即关断动作。


• 门控与复位选择： 仔细查阅 HRTIM 手册，理解 GRSTx 行为和 Gating 机制细节，选择正确的触发源、门控源和门控类型。


• 调试： 使用示波器仔细观测 COMP2_OUT, HRTIM TRIGx, TIMx_CHy, GRSTx, 辅助 Timer TIMER_E_PER 等关键信号，验证状态机转换是否符合预期，特别是“反复导通”部分。

通过合理配置 STM32G474 强大的 HRTIM 资源（特别是 Burst Mode, 触发、门控、GRST 和状态机复位逻辑），可以高效地在硬件层面实现 COT Buck 控制及其所需的“反复导通”特性，减轻 CPU 负担并提高系统响应速度和可靠性。