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基于新型非PWM功率单元的完美无谐波高压变频器

作者:德国赌场 发布时间:2019-10-27 09:35 点击数:

  随着变频调速技术的发展,作为大容量传动的高压变频调速技术得到了广泛应用。高压可以实现无级调速,既可满足生产工艺过程对电动机调速控制的要求,又可节约能源,降低生产成本。自1994年美国罗宾康公司推出第一代完美无谐波高压变频器以来,由于其性能好、可靠性高、维修简单等优点,在欧美、日本、中国等市场一直处于领先地位,完美无谐波高压变频器较之普通高压变频器,无论从变频器控制性能、可靠性保证、工艺等方面都提高了很大的一个档次。但是,到目前为止,这种完美高压变频器的功率单元的整流部分采用单向部分输出采用多电平移相式pwm技术,每个功率单元脉冲控制都是采用pwm控制,逆变器的控制脉冲波形,由参考正弦波和三角波比较产生。为了进一步改进高压变频器的节能与降低电网及电磁干扰等现象,本文阐述了一种新型功率单元,即非pwm功率单元。非pwm并非真的不是pwm原理,只是把用于产生脉冲波形的三角载波,换成了频率不变,幅值变化的矩形波。为了引出新型功率单元,我们先从简单地对普通完美无谐波高压变频器进行介绍入手。

  完美无谐波高压变频器采用若干个变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染小,输入功率因数高,输出波形质量好,不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性,不必加输出滤波器,就可以使用普通的异步电机,包括国产电机。

  如图1所示,变频器共有15个功率单元,从a1~a5、b1~b5、c1~c5。每个功率单元输出电压为690v,功率单元本身结构完全相同。6kv或10kv 电网电压经过副边多重化的隔离变压器给功率单元供电,功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交pwm

  电压源型逆变器结构,实现变压变频的高压直接输出,供给高压电动机。以6kv输出电压等级为例,每相由5个额定电压为690v的功率单元串联而成,输出相电压达3450v,线kv左右,每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电,功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法,实现多重化,以达到降低输入谐波电流的目的。对于6kv电压等级的变频器,就是36脉冲的整流电路结构,输入电流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低,变频器输入的功率因数可达到0.95以上。

  功率单元为三相输入单相输出的交-直-交pwm电压源型变频器,移相变压器的副边输出三相交流电经功率单元的三相二极管整流后,经滤波电容形成平直的直流电,再经过4个igbt构成的h型单相逆变桥,实行pwm控制。逆变器输出采用多电平移相式pwm技术,同一相的功率单元,输出相同幅值和相位的基波电压,但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度,实现多电平pwm,叠加以后输出电压的等效开关频率和电平数大大增加,输出电压非常接近正弦波。每个功率单元脉冲控制都是采用spwm控制,逆变器的控制脉冲波形,由参考正弦波和三角波比较产生。

  如上所述,普通pwm功率单元已经很好的完成了接近正弦波的输出,但是这种pwm方式还是无法避免电网污染和电磁干扰现象。综合过去知识沉淀,在普通功率单元结构的基础上提出了独特的一种功率单元实现,其结构如图3所示。

  非pwm功率单元由如下两部分构成:输入单元部分由晶闸管三相可控整流桥所组成,输出单元部分由igbt构成的逆变桥所组成,其输出电压状态为1,0,-1。如果每相由五个单元叠加而成那么就可以产生11种不同的电压等级,由此,完美无谐波系统变频就可以合成更加完美的正弦输出电压波形。

  (1) 输出电压的幅值的调节是由反并联可逆逻辑无环流可控整流电路来实现。(ud=2.34u2cosα)

  (2) 输出电压的频率的变化是由逆变单元模块来实现的,整个系统将调压和调频分开来进行,但变频又变压的原理保持不变。

  (3) 反并联可逆逻辑无环流整流侧可自动实现能量回馈,达到节省能源的目的。

  (4)由于输出逆变模块的开关频率不会高于输出频率,因此避免了传统的pwm方式所造成的电网污染和电磁干扰现象,这将预示着一种新型的节能绿色高压变频器的诞生-非pwm(npwm)功率单元高压变频器。

  采用反并联可逆逻辑无环流整流,不但可以很好的完成整流功能,还能实现能量回馈,把多余的能量回送到电网,节省了能源消耗。由于这种无环流可逆系统采用控制原则是两组桥在任意时刻只有一组投入工作,另一组关断,所以在两组桥之间不存在环流。变流器之间的切换过程是由逻辑单元控制的,因此称为逻辑无环流系统。

  矩形波调制原理与原来三角波调制类似,在正弦波作调制波的情况下,把原来的三角波换成了矩形波做载波。以一个功率单元为例,用矩形波去截同频率的正弦波,当正弦波的幅值大于矩形波幅值时,使之有电压输出,其余时间内使输出为零,即可得到一个功率单元的输出。用9个单元的输出相叠加,即可得到完美接近正弦波的电压输出。

  输入侧隔离变压器二次绕组经过移相降压,为每个功率单元提供独立电源,对6kv而言相当于30脉冲不可控整流输入,消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流,极大地抑制了网侧谐波的产生;变频器引起的网侧谐波含量可满足《电能质量公用电网谐波》对谐波含量的最严格要求,无需安装输入滤波器,并保护周边设备免受谐波干扰。正常调速范围内功率因数大于0.95,无需功率因数补偿电容;采用矩形波做载波,大大削弱了输出谐波含量,输出波形接近完美正弦波,无需输出滤波器装置,就可使总谐波含量(thd)降低到2%以下。

  采用反并联电路虽然增加了晶闸管的数量。看似提高了成本,但是由于逆变部分采用与正弦波同频率的矩形波做载波,大大降低了管子的频率,在批量生产的情况下,又可以用低频开关管来替代高价的igbt,因此降低了成本;由于无高频,省略了高频保护电路,除了可以减小电网污染以外,还降低了成本。所以这种设计不但可以弥补由增加晶闸管造成的成本增加,还可以进一步降低总成本。

  普通高压变频器中每个单元输出的pwm波的调制机理是由正弦波作信号波,三角波作载波调制产生的。而非pwm功率的实现思想则迥然不同,在每个单元采用频率不变,幅值变化的矩形波作载波,来调制输出所需要的非pwm波。

  我们对额定输出电压为10kv的变频器进行了计算机仿真,每相由九个额定电压为650v的功率单元串联而成,输出相电压最高可达5850v,线kv左右。非pwm功率单元的仿线所示,仿线所示。

  由仿真结果可以看出,这种新型非pwm功率单元可以输出较之普通pwm功率单元更加完美的正弦波形。

  控制系统中采用数字信号处理器dsp。dsp是一种具有特殊结构的微处理器,dsp芯片的内部采用程序区和数据区分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的dsp指令,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。系统控制电路中的主控部件采用tms320lf2407dsp芯片,多片dsp协同作业,通过控制器局域网(can)进行相互间的通讯联系,完成控制参数的传递,从而实现移相式npwm脉冲的触发,并且能够对各种故障中断做出及时地处理。

  假设实际主电路的每相为5单元串联结构,整个电路共有15个功率单元。对于各相中同一位置的3个功率单元,采用1片dsp进行控制,这样15个功率单元可以由5片dsp构成5个对称的子系统。再使用1片dsp作为主控芯片,对控制信号进行采样和运算以及必要的信息处理。对于每个子系统中的三个功率单元使用相同的载波信号,正弦调制波信号互差120°电角度;每相的5个功率单元共用1个正弦调制波信号。子系统时钟由主控单元给出,通过光纤传送,从而保证整个系统的时钟一致,不至于发生漂移。子控芯片根据给定的步长参数可以确定正弦调制波的频率,从而可以决定输出电压的频率。子控制系统同时还要对功率单元进行必要的保护。由于变频器系统的保护信号比较多,并且保护方式也不尽相同,在本设计中主要考虑的保护信号有:过流、过压、欠压和过热。在这4种典型故障情况下,子cpu将封锁其输出的全部npwm触发信号,同时向主cpu发出必要的信息,使其能够对发生的情况做出必要的响应和处理,并通过人机界面显示出故障情况。主控dsp主要负责对给定信号以及反馈信号的采样、实时计算、v/f查表求值、pi算法控制等等,并且通过数据和地址总线以及串行通讯接口与人机接口系统相连,从而完成信息的接收和显示。同时它还要对由子系统发送的信息进行分析和处理,监测系统的运行状况。同时,主控芯片将对电机回路进行必要的保护和处理。这样可以更加充分地发挥dsp处理器的强大的运算和实时处理能力。

  主控芯片与从控芯片通过控制器局域网(can)相互连接。从而完成相互之间的一些必要的信息和数据的传送。在本系统中涉及到的需要传送的信息和数据主要有:调制频率信号、调制深度系数、比较输出控制字、保护中断信息以及初始化设定值信息等等。

  采用这种控制电路,既保证了系统的功能实现和稳定运行,又有效地节约了设备成本,并且具有较强的功能扩展和升级能力。

  与传统的高压变频器pwm功率单元相比,非pwm功率单元在输入、输出波形和控制性能等方面有了进一步的完善,在抗电网污染和抗电磁干扰方面更较之pwm功率单元更胜一筹,具有较高的市场应用价值。

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  信息 LB11697V是一款直接PWM驱动预驱动器IC,专为三相电源无刷电机而设计。具有所需输出功率(电压和电流)的电动机驱动器电路可以通过在输出电路中添加分立晶体管来实现。此外,LB11697V提供全套保护电路,可轻松实现高可靠性驱动电路。请注意,LB11697V是LB11696V的修改版本,其中输出逻辑已针对12 V系统电机进行了优化。这样可以减少应用电路中外部元件的数量。 三相双极驱动器 直接PWM驱动(由控制电压或PWM可变占空比脉冲输入控制) 内置前进/后退切换电路 启动/停止模式切换电路(停止模式省电功能) 内置输入放大器 5 V稳压器输出(VREG引脚) 限流电路(支持基于高精度检测的0.25 V(典型值)基准电压检测) 欠压保护电路(工作电压) 具有保护操作状态识别输出(RD引脚)的自动恢复型约束保护电路 四种霍尔信号脉冲输出 支持基于热敏电阻的输出晶体管热保护 电路图、引脚图和封装图...

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  信息 LB11650是一个全桥驱动程序,支持正向和反向切换。它在应用控制下以四种模式之一运行;前进,后退,制动和打开。它还支持从外部信号进行直接PWM控制。 LB11650是驱动有刷直流电机和双极步进电机的理想选择。 支持PWM输入 内置高低侧二极管 同时进行状态预防功能(防止通过电流) 内置热关断电路(锁定型) 高低侧短路保护功能(闭锁式过流保护) 外部可控模式:正向,反向,制动,打开 待机模式功能...

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  振荡器频率保证在250 kHz 电流模式工作到500 kHz输出开关频率 输出死区时间可从50%调整到70% 自动前馈补偿 锁存PWM逐周期电流限制 带欠压锁定的内部微调参考 高电流图腾柱输出 带滞后的欠压锁...

  信息描述 UCC3810-DIE 是一款高速 BiCMOS 控制器,针对离线和直流至直流 (dc-to-dc) 电源中的应用,此控制器集成了两个已同步脉宽调制器。 通过使用同样的振荡器,UCC3810-DIE 在两个 PWM 间提供出色的同步。 如果需要的话,振荡器的锯齿状波形可被用于斜率补偿。通过使用一个翻转触发器在两个调制器之间进行轮换,UCC3810-DIE 确保了其中一个 PWM 不会受到另外一个 PWM 的控制,干扰另外一个 PWM,或者以其他方式影响另一个 PWM。 这个翻转触发器也确保了每个 PWM 被限制为最大占空比的 50%,从而为复位磁性元件保证了足够的断开时间。特性 单个振荡器将两个 PWM 同步 启动电源电流 运行电源电流 内部软启动 全周期故障重启动电流感测信号的内部前沿消隐 从电流感测至输出,典型值为 75ns 的响应 1.5% 耐受电压基准...

  信息 UC3842B,UC3843B系列是高性能固定频率电流模式控制器。它们专为离线和DC-DC转换器应用而设计,为设计人员提供了经济高效的解决方案,并且外部元件极少。这些集成电路具有用于精确占空比控制的微调振荡器,温度补偿基准,高增益误差放大器,电流检测比较器和高电流图腾柱输出,非常适合驱动功率MOSFET。 还包括保护功能,包括输入和参考欠压锁定,每个都具有迟滞,逐周期电流限制,可编程输出死区时间和单脉冲计量锁存。 这些器件采用8引脚双列直插和表面贴装(SO-8)塑料封装以及14引脚塑料表面贴装(SO-14)。 SO-14封装具有独立的电源和接地引脚,用于图腾柱输出级。 UCX842B的UVLO阈值为16 V(on)和10 V(off),非常适合离线B适用于UVLO阈值为8.5 V(on)和7.6 V(off)的低电压应用。 用于精确频率控制的微调振荡器 振荡器频率保证在250 kHz电流模式操作至500 kHz 自动前馈补偿 锁存PWM以实现逐周期电流限制 内部修整参考带欠压锁定 高电流图腾柱输出 带滞后的欠压锁定 低启动和工作电流 无铅封装可用 电路图、引脚图和封装图...

  信息描述 UCC1800-DIE 高速、低功耗集成电路用最少的部件数量包含了离线和直流至直流定频电流模式开关电源所需的全部控制和驱动组件。 UCC1800-DIE 还提供内部满周期软启动和电流感测输入的内部前沿消隐等附加特性。优势特点内部软启动内部故障软启动电流感测信号的内部前沿消隐

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  250 kHz保证振荡器频率 电流模式工作至500 kHz 自动前馈补偿 锁存PWM以实现逐周期电流限制 带欠压的内部微调参考锁定 高电流图腾柱输出 带滞后的欠压锁定 低启动和工作电流 无铅封装可用 规格参数 电路图...

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  信息 UC3844B,UC3845B系列是高性能固定频率电流模式控制器。它们专为离线和DC-DC转换器应用而设计,为设计人员提供了经济高效的解决方案,并且外部元件极少。这些集成电路具有振荡器,温度补偿基准,高增益误差放大器,电流检测比较器和高电流图腾柱输出,非常适合驱动功率MOSFET。 还包括保护功能,包括输入和参考欠压锁定,每个具有迟滞,逐周期电流限制,单脉冲计量锁存,以及每隔一个振荡器周期使输出空白的触发器,允许输出死区时间从50%到70%。 这些器件采用8引脚双列直插和表面贴装(SO-8)塑料封装以及14引脚塑料表面贴装(SO-14)。 SO-14封装具有独立的电源和接地引脚,用于图腾柱输出级。 UCX844B的UVLO阈值为16 V(on)和10 V(off),非常适合离线B适用于UVLO阈值为8.5 V(on)和7.6 V(off)的低电压应用。 用于精确频率控制的微调振荡器 振荡器频率保证在250 kHz电流模式操作至500 kHz输出开关频率 输出死区时间可在50%至70%之间调整 自动前馈补偿 锁存用于逐周期电流限制的PWM 带欠压锁定的内部微调参考 高电流图腾柱输出 带滞后的欠压锁定 低启动和工作电流 无铅封装可用...

  信息描述UC1843A-DIE 是一个用于 UC1843-DIE 的引脚兼容改进版本的引脚。 提供控制电流模式开关模式电源的必要特性。特性 抗辐射:30kRad (Si) 电离总剂量效应 (TID)抗辐射性是基于初始器件鉴定剂量率等于每秒 10mrad 时的典型值。 提供辐射批次验收测试 - 详细信息请联系厂家。针对离线和直流至直流 (DC-DC) 转换器进行了优化 低启动电流 修整的振荡器放电电流 自动前馈补偿 逐脉冲电流限制 增强型负载响应特性 带有滞后功能的欠压闭锁 双脉冲抑制 高电流推挽式输出 内部修整的带隙基准 低 RO误差放大器...

  信息描述 UC1843-DIE 使用最少的外部部件数量为离线或直流至直流定频电流模式控制系统配置的执行提供必要的特性。 内部执行的电路包括欠压闭锁特性启动电流,确保锁存运行的逻辑电路,一个提供电流限制控制的 PWM 比较器,还有一个被设计用来灌入或吸收高峰值电流的推挽式输出级。 当处于关闭状态时,适合驱动 N-通道金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的输出级为低电平。特性 针对离线和直流至直流 (DC-DC) 转换器进行了优化 低启动电流 自动前馈补偿 逐脉冲电流限制 增强型负载响应特性 带有滞后功能的欠压闭锁 双脉冲抑制 高电流推挽式输出 低 RO误差放大器...

  信息描述 UC1846 控制集成电路 (IC) 在保持最小外部部件数量的同时提供执行定频、电流模式控制机制所需的全部特性。 这个技术的出色性能可在改进的线路稳压、增强型负载响应特性,和一个更简单、易于设计的控制环路中测得。 拓扑优势在保持电流均流的基础上包含固有逐脉冲电流限制功能、针对推挽转换器的自动对称校正和电源模块的并行功能。除了软启动功能外,保护电路还包括内置欠压闭锁和可编程电流限制。 还提供关断功能,此功能启动一个具有自动重启的完全关断或者将电源锁存。其它特性包括完全锁存运行,双脉冲抑制和期限调节功能。在关闭状态下,UC1846 特有低输出。特性 自动前馈补偿 可编程逐脉冲电流限制 推挽配置中的自动对称校正 增强型负载响应特性 针对模块化电源系统的并行运行功能 具有宽共模范围的差分电流感测放大器 双脉冲抑制 欠压闭锁 软启动功能 关断端子...

  信息描述 UC1825A-DIE PWM 控制器是标准 UC1825 系列的改良版本。 已经对几个电路块进行了性能提升。 误差放大器增益带宽为12MHz,而输入偏移电压为 2mV。 电流限制阀值经验证为耐受的 5%。 为实现精准死区时间控制,振荡器放电电流额定值为 10mA。 频率精度被提升至 6%。 典型值为 100μA 的启动电源电流非常适合于脱机应用。 在不对启动电流技术规格产生影响的情况下,重新设计了输出驱动器,以便在 UVLO 期间主动灌电流。 此外,每个输出在转换期间能够输出 2A 的峰值电流。特性 抗辐射:30kRad (Si) 电离总剂量效应 (TID)抗辐射性是基于初始器件鉴定剂量率等于每秒 10mrad 时的典型值。 提供辐射批次验收测试 - 详细信息请联系厂家。与电压模式或电流模式控制方法兼容 在开关频率下实际运行 至输出的 50ns 传播延迟 高电流双推拉式输出修整的振荡器放电电流 低 100μA 启动电流 逐周期电流限制比较器 具有全周期重启动功能的锁存过流比较器...

  信息描述 UC1825-DIE PWM 控制器件针对高频开关模式电源应用进行了优化。 对在大大增加误差放大器的带宽和转换率的同时,大大减小通过比较器和逻辑电路的传播延迟给与了特别关注。 这个控制器设计用于电流模式或电压模式系统,此系统具有输出电压前馈功能。保护电路包括一个阀值电压为 1V 的电流限制比较器、一个 TTL 兼容关断端口和一个软启动引脚,此引脚可对折为一个最大占空比钳位。 此逻辑被完全锁存以提供无抖动运行,并且抑制了输出上的多脉冲。 一个具有 800mV 滞后的欠压闭锁部分可确保低启动电流。 欠压闭锁期间,输出为高阻抗。这个器件特有推挽式输出,此输出被设计用来拉、灌来自电容负载(诸如一个功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的栅极)的高峰值电流。 接通状态被设计为高电平。特性 抗辐射:30kRad (Si) 电离总剂量效应 (TID)抗辐射性是基于初始器件鉴定剂量率等于每秒 10mrad 时的典型值。 提供辐射批次验收测试 - 详细信息请联系厂家。与电压或电流模式拓扑结构兼容 实际运行开关频率 到输出的 50ns 传播延迟 高电流双推挽式输出 宽带宽误差放大器 支持双脉冲抑制的全锁存逻辑 逐脉冲电流限制 软启动/最大占空比...

  信息描述TLC5958 是一款 48 通道恒流灌电流驱动器,适用于占空比为 1 至 32 的多路复用系统。 每个通道都具有单独可调的 65536 步长脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS)。采用 48K 位显示存储器以提升视觉刷新率,同时降低 GS 数据写入频率。输出通道分为三组,每组含 16 个通道。 各组都具有 512 步长颜色亮度控制 (CC) 功能。 全部 48 通道的最大电流值可通过 8 步长全局亮度控制 (BC) 功能设置。 CC 和 BC 可用于调节 LED 驱动器之间的亮度偏差。 可通过一个串行接口端口访问 GS、CC 和 BC 数据。如需应用手册:,请通过电子邮件发送请求。TLC5958 有一个错误标志:LED 开路检测 (LOD),可通过串行接口端口读取。 TLC5958 还具有节电模式,可在全部输出关闭后将总流耗设为 0.8mA(典型值)。特性 48 通道恒流灌电流输出具有最大亮度控制 (BC)/最大颜色亮度控制 (CC) 数据的灌电流: 5VCC 时为 25mA 3.3VCC 时为 20mA 全局亮度控制 (BC):3 位(8 步长) 每个颜色组的颜色亮度控制 (CC):9 位(512 步长),三组使用多路复用增强型光谱 (ES) PWM 进行灰度 (GS) 控制:16 位 支持 32 路多路复用的 48K 位灰度数据...

  信息描述 TLC59581 是一款 48 通道恒定灌电流驱动器。每个通道都具有单独可调的 65536 步长脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS) 亮度控制。输出通道分为三组。各组都具有 512 步长颜色亮度控制 (CC) 功能。CC 可调节颜色之间的亮度。全部 48 通道的最大电流值可通过 8 步长全局亮度控制 (BC) 功能设置。BC 调节 LED 驱动器之间的亮度偏差。可通过一个串行接口端口访问 GS、CC 和 BC 数据。TLC59581 具有一个错误标志:LED 开路检测 (LOD)。该标志可通过串行接口端口读取。为解决开路 LED 引发的此类 caterpillar 问题,TLC59581 器件具有一个增强型电路。该电路可提供 caterpillar 效应消除、热关断 (TSD) 和 IREF 电阻短路保护 (ISP) 功能,以确保较高的系统稳定性。TLC59581 器件还具有节电模式,可在输出全部关闭后将总流耗降为 0.8mA(典型值)。TLC59581 器件是一款提升多路复用面板低灰度显示模式性能的良好解决方案。请参见应用笔记,SLVA744。特性 48 个恒定灌电流输出通道 具有最大亮度控制 (BC)/最大颜色亮度控制 (CC) 数据的灌电流:5 VCC 时为 25mA 3.3 VCC 时为 20mA 全局亮度控制 (BC):...

  信息描述 TLC5951是一款 24 通道,恒定灌电流驱动器。 每个通道具有一个独立可调节,4096 步长,脉宽调制 (PWM) 灰度 (GS) 亮度控制和 128 步长的恒定电流点校正 (DC)。 此点校正调节通道和其它 LED 驱动器之间的亮度偏差。 输出通道是被分成三组的 8 个通道。 每个通道组有一个 256 步长全局亮度控制 (BC) 功能和一个独立的灰度时钟输出。可通过一个串行接口访问 GS,DC 和 BC 数据。 通过一个专用串行端口可对 DC 和 BC 进行编程。TLC5951 有三个针对 LED 开路检测 (LOD),LED 短路检测 (LSD) 和热错误标志 (TEF) 的错误检测电路。 LOD 检测损坏或者断开的 LED,而 LSD 检测一个短接的 LED。 TEF 表示一个过热条件。特性 24 通道恒定灌电流输出 电流功能 使用 PWM 的可选灰度 (GS) 控制:12 位(4096 步长),10 位(1024 步长),8 位(256 步长)针对三色组的三个独立灰度时钟 点校正 (DC):7 位(128 步长) 针对每个颜色组的全局亮度控制 (BC):8 位(256 步长) 自动重复显示功能 针对 GS,BC 和 DC 数据的独立数据端口 每个数据端口间的通信路径 LED 电源电压 VCC=3.0V 至 5.5V...

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