STM32G474 实战方案：三相 LLC+SR 拓扑的 18 路 PWM 精准产出实现

随着 AI 服务器算力需求的爆发式增长，供电系统功率密度持续升级，单个电源模块功率已从传统 2~3KW 向 5.5KW、8.5KW 跨越。三相 LLC+SR（同步整流）拓扑因高效、高功率密度的优势，成为大功率服务器电源的核心选择。本文基于 STM32G474 微控制器，提出 “高精度定时器（HRTIMER）+ 高级控制定时器（ADTIMER）+ 通用定时器（GPTIMER）” 协同工作的 PWM 产出方案，完美满足三相 LLC+SR 拓扑对 18 路 PWM 的核心需求，为大功率电源控制提供可靠技术支撑。

资料获取：基于STM32G474的三相LLC+SR PWM产出方案

1. 应用背景与核心需求

1.1 拓扑结构与 PWM 需求

三相 LLC+SR 拓扑的核心架构为：原边由三相全桥电路组成，副边每相配置全桥同步整流电路，整体需 18 路 PWM 驱动信号，且需满足以下关键要求：

• 路数充足：原边三相全桥需 6 路 PWM（每相 2 路互补信号），副边三相全桥同步整流需 12 路 PWM（每相 4 路信号），总计 18 路；
• 灵活控制：每路 PWM 的上升沿与下降沿可单独调节，适配不同工况下的占空比、死区优化；
• 精准同步：原副边 PWM 需实现相位同步与 120° 错相（三相之间），避免功率器件导通冲突，保证拓扑稳定运行。

1.2 核心技术挑战

STM32G474 的 HRTIMER 最多仅支持 12 路 PWM 输出，无法单独满足 18 路需求，需解决三大核心挑战：

• 多定时器协同：需联合 HRTIMER、ADTIMER 与 GPTIMER，实现 18 路 PWM 的扩展产出；
• 双沿可控：ADTIMER 需突破常规 PWM 模式限制，实现上升沿与下降沿独立控制；
• 全域同步：包括 HRTIMER 内部子定时器同步、ADTIMER 之间同步、HRTIMER 与 ADTIMER 跨定时器同步。

2. 解决方案：多定时器协同 PWM 产出架构

本方案以 TIM1 为系统时基，构建 “主从定时器联动” 架构，通过精准同步与模式配置，实现 18 路 PWM 的稳定产出，整体协同关系如下：

2.1 定时器层级与同步逻辑

（1）时基与一级同步

• 主定时器：TIM1 作为全局时基，通过 TRGO（触发输出）信号同步 TIM2、TIM3 与 HRTIMER 的 Master Timer，确保核心定时器的时钟一致性；
• 三相错相实现：TIM8 与 TIM2 同步、TIM20 与 TIM3 同步，通过配置定时器相位偏移，使 TIM1、TIM8、TIM20 三者输出的 PWM 信号互差 120°，匹配三相 LLC 原边驱动需求。

（2）HRTIMER 内部同步

HRTIMER 的 Master Timer 通过 PER（周期）、CMP1（比较 1）、CMP2（比较 2）信号，将内部 6 个子定时器（TimerA~TimerF）分为三组：

• 第一组（TimerA/B）：与 PER 信号同步，对应 Phase 1（0°）副边同步整流；
• 第二组（TimerC/D）：与 CMP1 信号同步，对应 Phase 2（120°）副边同步整流；
• 第三组（TimerE/F）：与 CMP2 信号同步，对应 Phase 3（240°）副边同步整流；
  三组子定时器输出的 PWM 信号自然形成 120° 错相，与原边驱动相位精准匹配。

2.2 18 路 PWM 分配与生成逻辑

（1）原边 6 路 PWM：ADTIMER（TIM1/TIM8/TIM20）实现

每个 ADTIMER（TIM1、TIM8、TIM20）负责 1 相原边驱动，输出 2 路互补 PWM，共 6 路，核心配置为 Combined PWM 模式（双沿可控）：以 TIM1 为例，具体配置规则：

• 通道配对：TIM1_CH1 与 TIM1_CH3 为互补 PWM 通道，死区通过软件可调；
• 工作模式：TIM1_CH1/TIM1_CH3 采用 Combined PWM Mode 2，TIM1_CH2/TIM1_CH4 采用 PWM Mode 1；
• 波形合成：TIM1_CH1 最终输出 = TIM1_oc1ref（比较 1 参考信号） & TIM1_oc2ref（比较 2 参考信号）；TIM1_CH3 最终输出 = TIM1_oc3ref（比较 3 参考信号） & TIM1_oc4ref（比较 4 参考信号）；
• 双沿控制：TIM1_CH1 的上升沿由 CCR1 寄存器控制，下降沿由 CCR2 寄存器控制；TIM1_CH3 的上升沿由 CCR3 寄存器控制，下降沿由 CCR4 寄存器控制，实现全独立调节。

（2）副边 12 路 PWM：HRTIMER（TimerA~TimerF）实现

HRTIMER 的每组子定时器（TimerA/B、TimerC/D、TimerE/F）负责 1 相副边同步整流，输出 4 路 PWM，共 12 路，核心配置为 Independent 模式：以 TimerA/B 组（对应 Phase 1 副边）为例，具体规则：

• 同步机制：TimerA 与 TimerB 计数完全同步，无相位差；
• 通道配置：每路 PWM 的置位（Set）与复位（Reset）由独立比较寄存器控制：
  • SR1_PWM1：置位源 = TA_CMP1，复位源 = TA_CMP2；
  • SR1_PWM2：置位源 = TA_CMP3，复位源 = TA_CMP4；
  • SR1_PWM3：置位源 = TB_CMP1，复位源 = TB_CMP2；
  • SR1_PWM4：置位源 = TB_CMP3，复位源 = TB_CMP4；
• 死区控制：通过软件配置比较寄存器差值，灵活调节死区大小，避免同步整流管共通。

3. 实测验证与波形特性

通过 STM32CubeMX 配置上述定时器参数（配置文件：3phs LLC based On STM32G474.ioc），搭建实物测试平台，实测波形验证方案可行性：

1. 原边三相驱动波形：TIM1、TIM8、TIM20 输出的 PWM 信号互差 120°，相位精准，互补通道死区均匀；
2. 调频特性波形：支持低频到高频、高频到低频的平滑调频，波形无畸变，相位同步性保持良好；
3. 原副边协同波形：原边驱动与副边同步整流 PWM 相位匹配，调频过程中无导通冲突，同步整流响应及时。

实测结果表明，该方案能稳定输出 18 路 PWM 信号，满足三相 LLC+SR 拓扑的动态控制需求，运行可靠。

4. 方案局限与适用场景

4.1 技术局限

本方案中 ADTIMER（TIM1/TIM8/TIM20）产生的 6 路 PWM 驱动，分辨率为 5.88ns，因此存在以下适用边界：

• 适用场景：谐振频率中等、对 PWM 分辨率要求不高于 ns 级的大功率电源（如 5.5KW、8.5KW 服务器电源）；
• 不适用场景：谐振频率极高（如超高频 LLC）、对 PWM 分辨率要求达到 ps 级的精密控制场景。

4.2 优化方向

若需适配更高分辨率需求，可通过以下方式优化：

• 更换更高性能 MCU：选择支持更高精度定时器的 STM32 系列产品（如 H7 系列）；
• 优化时钟配置：提升定时器核心时钟频率，间接提高 PWM 分辨率；
• 减少 ADTIMER 依赖：通过扩展 HRTIMER 通道或外接 PWM 扩展芯片，替代部分 ADTIMER 的 PWM 产出。

5. 总结

基于 STM32G474 的三相 LLC+SR PWM 产出方案，通过 “ADTIMER+HRTIMER+GPTIMER” 的多定时器协同架构，成功突破单定时器通道限制，实现 18 路双沿可控 PWM 的精准输出，核心优势如下：

1. 路数充足：满足三相 LLC 原边 6 路 + 副边 12 路的总需求；
2. 控制灵活：每路 PWM 上升沿 / 下降沿独立调节，死区软件可调；
3. 同步精准：原副边、三相之间相位同步，适配拓扑控制逻辑；
4. 成本可控：基于单颗 STM32G474 实现，无需额外扩展芯片，降低硬件成本。

该方案已通过实测验证，可直接应用于中大功率服务器电源、工业电源等采用三相 LLC+SR 拓扑的场景，为功率升级后的电源控制提供高效、可靠的技术路径。