PWM 与比较匹配中断

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比较匹配（Compare Match）是 PWM、输出比较、输入捕获共用的底层机制。本页以比较匹配为轴，串起 PWM 原理、互补输出与死区、中心对齐双比较点，以及可观测现象与跨平台移植。

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PWM 原理

固定频率、变占空比的方波，用占空比编码模拟量（功率、亮度、位置）。

参数	公式	说明
频率	$f_{PWM}=\frac{TI{M}_{CLK}}{(PSC+1)\times (ARR+1)}$	PSC 预分频，ARR 自动重载
占空比	$d=\frac{CCR}{ARR+1}$	边沿对齐（向上计数）
分辨率	${\log }_2(ARR+1)$ 位	ARR=65535 → 16 位
等效均值	$\bar{V}=d\times V_{DD}$	加低通滤波即 DAC

PWM 模式（TIM_OCMode）：模式 1 为 CNT < CCR → 有效电平，模式 2 反相。计数方式分边沿对齐（0→ARR 归零）与中心对齐（0→ARR→0），后者谐波更小、适合对称驱动。

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比较匹配机制（CMP）

自由运行的计数器 CNT 与比较寄存器 CMP/CCR 相等时，硬件产生比较匹配事件，可触发中断或翻转输出。

计数器值 CNT
     │
     ▼
  ┌──────────────────────────────────────────┐
  │  0 ──────────────── CMP ──────── ARR     │
  │                      ↑                   │
  │            比较匹配，触发中断/翻转输出     │
  └──────────────────────────────────────────┘

• ARR（Auto-Reload Register）：周期，CNT 到 ARR 归零（或反向）。
• CCR/CMP（Capture/Compare Register）：比较值，到达即触发事件/中断，每通道独立。
• 输出比较：比较匹配时按配置翻转/置位/清零引脚，这就是 PWM 电平翻转点。

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互补 PWM 与死区

高级定时器（TIM1/TIM8）每通道提供 CHx 与 CHxN 两个互补输出，用于半桥/全桥/逆变器驱动。

互补：半桥上下两管（高侧 Q1 / 低侧 Q2）轮流导通。若切换瞬间两管同时导通 → 直通短路（shoot-through），电源对地大电流，烧管/跳闸。互补输出保证逻辑上同一时刻只有一管为有效电平。

死区：MOSFET 关断有延时，即使互补逻辑正确，切换瞬间仍可能短暂交叠导通。因此在一管导通前，强制插入一段两管都关断的时间，即死区（Dead Time）。

CHx  ────────┐        ┌────────  高侧
             └────────┘
CHxN ────┐        ┌────────────  低侧（反相）
         └────────┘
         │←死区→│              切换瞬间两管都关断

死区时间由 BDTR.DTG 位域设置，粒度取决于 CR1.CKD 时钟分频；极性由 CCER.CCxP/CCxNP 决定，配合高低侧驱动芯片（如 IR2104）选择。

死区	后果
太小 / 无	上下管交叠导通 → 直通电流尖峰、发热、炸管
太大	有效占空比被吃掉 → 输出电压/转矩下降、波形畸变（死区效应）、谐波噪声

典型取 0.5～2 µs，按功率管关断时间 + 驱动电路延时留裕量。

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中心对齐双 CMP 中断

四开关 Buck-Boost 等功率变换器采用**中心对齐（上下计数）**模式，每通道两个比较寄存器：

struct PWMDutyVariable
{
    bool     buckBoostMode = false;
    float    dutyA         = 0.0f;
    float    dutyB         = 0.0f;
    uint16_t ACMP1         = 8000;   // 通道A — 上升沿阶段触发
    uint16_t ACMP3         = 8000;   // 通道A — 下降沿阶段触发
    uint16_t BCMP1         = 8000;   // 通道B — 上升沿阶段触发
    uint16_t BCMP3         = 8000;   // 通道B — 下降沿阶段触发
};

• CNT 从 0 升到 ARR 再降回 0，构成一个完整 PWM 周期。
• CMP1：上升过程命中 → 前半周期事件（高电平开始前）。
• CMP3：下降过程命中 → 后半周期事件（高电平结束后）。
• 每周期共触发 2 次 CMP 中断（上升 + 下降各一次）。

设 ARR = 8000（对应 100% 周期）、占空比 $d$：

$$\text{CMP1}=\text{CMP3}=\text{ARR}\times (1-d)$$

对称模式 CMP1 == CMP3；非对称模式两者不同，可产生相移或不对称波形。

中断点	触发时机	典型操作
CMP1（上升沿）	高电平开始前	更新下周期占空比、触发 ADC 采样
CMP3（下降沿）	高电平结束后	读 ADC 结果、跑控制算法
OVF（ARR 顶点）	计数器到峰	同步多路 PWM、周期保护检测

必须在 OVF 或 CMP 中断内更新 CMP，避免计数器运行中途写入导致毛刺：

void PWM_OVF_IRQHandler(void)
{
    float dutyA = ControlLoop_GetDutyA();
    float dutyB = ControlLoop_GetDutyB();
 
    uint16_t cmpA = (uint16_t)(ARR * (1.0f - dutyA));
    uint16_t cmpB = (uint16_t)(ARR * (1.0f - dutyB));
 
    PWM_SetCMP(CH_A, CMP1, cmpA);
    PWM_SetCMP(CH_A, CMP3, cmpA);
    PWM_SetCMP(CH_B, CMP1, cmpB);
    PWM_SetCMP(CH_B, CMP3, cmpB);
}

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可观测现象

现象	观测手段	对应原因
CHx/CHxN 反相、边沿间有平台	示波器双通道	死区在起作用
死区处波形抖动/毛刺	示波器放大	驱动芯片延时、开关噪声
电流尖峰、发热、炸管	电流探头/热像	死区过小或无死区 → 直通
输出电压/转矩上不去	万用表/测功	死区过大，有效占空比损失
输出畸变、低频纹波	示波器 FFT	死区效应引入谐波
每周期 2 次中断	逻辑分析仪/示波器	中心对齐双比较点

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PWM+DMA