CN101029910A - 电流检测电路及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电流检测电路，该电路包括MOS管，通过源极和栅极串联于被检测电流所在的回路之中；偏置电路，与所述MOS管的栅极相连，将所述MOS管偏置在线性工作区；电压检测电路，与所述MOS管的源极和栅极相连，检测所述MOS管的漏极与源极之间的电压差，由于处于线性工作区的MOS的漏极与源极之间的电压差与流经MOS管的电流成线性关系，所以所述电压差可作为所述电流检测电路的测量信号。本发明还提出了一种电流检测装置。本发明提供的电流检测电路和电流检测装置在检测大电流时能得出高精度的测量结果。

Description

电流检测电路及装置

技术领域

本发明涉及检测技术，更确切地说，涉及一种电流检测电路以及一种电流检测装置。

背景技术

对电路进行检测，主要是对电路中的电流和电压进行检测。现有的技术关于电压检测已经非常成熟，几乎可以在电路的任何位置进行且不会对电路的性能产生明显的影响；而电流的检测则相对复杂得多，而且电流检测多数都是通过把电流信号映射成电压信号来达到检测目的的。

现有技术中比较常用的是将检流电阻串联在被检测电流所在的回路中，通过检测检流电阻两端的电压来确定被检测电流。如图1所示，为检测流经负载2的被检测电流I_检，检流电阻1串联在负载2所在的回路中，被检测电流I_检同样流经检流电阻1，通过测量检流电阻1两端的电压，由于检流电阻1的阻值已知，根据欧姆定律即可得出被检测电流I_检的大小。

用检流电阻1测量电流时必然会在检流电阻1上产生压降，此压降的存在相当于减少了电源的供电能力，从电源的供电方面考虑，为使此压降的存在不对其它电路产生供电方面的影响，要求此压降比较小。因此，被检测电流I_检越大，则要求检流电阻1的阻值越小，而相同的工艺下，电阻越小，电阻值的精确度越难控制，受离散参数的影响越严重，当被检电流I_检大到一定程度时，满足检流电阻上产生小电压降的检流电阻1的阻值的精确度就很低，使用检流电阻1的标称电阻值作为实际电阻值进行测量误差会很大，此时在批量制作的同样的电路中，即使使用相同工艺制作，同样的标称值的检流电阻，对同样的电流进行检测的结果差异也会很大，精确度难以满足要求。

所以，上述用检流电阻测量电流的方法，在保证电源供电和精度的情况下，检测电流的范围会受到限制，检测大电流时精确度不能满足测量要求。

此外，电阻有额定功率的限制，超过一定功率，电阻就不能正常工作，电阻的额定功率的限制也使得使用检流电阻在测量大电流的应用中受到限制。

发明内容

本发明实施例针对上述使用检流电阻测量大电流时检流电阻阻值受离散参数的影响而造成精确度差的问题，提出了一种检测大电流时精确度更高的电流检测电路及装置。

本发明实施例提供的电流检测电路包括：

MOS管，通过源极和栅极串联于被检测电流所在的回路之中；

偏置电路，与所述MOS管的栅极相连，将所述MOS管偏置在线性工作区；

电压检测电路，与所述MOS管的源极和栅极相连，检测所述MOS管的漏极与源极之间的电压差，所述电压差为所述电流检测电路的测量信号。

本发明实施例还提出了一种电流检测装置，该装置包括电流检测电路，所述电流检测电路包括：

MOS管，通过源极和栅极串联于被检测电流所在的回路之中；

偏置电路，与所述MOS管的栅极相连，将所述MOS管偏置在线性工作区；

电压检测电路，与所述MOS管的源极和栅极相连，检测所述MOS管的漏极与源极之间的电压差，所述电压差为所述电流检测电路的测量信号。

本发明实施例采用了工作在线性区的MOS管对电流进行测量，MOS管工作在线性区时，即使测量大电流，即MOS管流过大电流，源极与漏极之间的电压也很小，对电源的影响较小；另外，MOS管工作在线性区时的等效电阻可精确地确定，相较检流电阻检测电路来说，提高了测量大电流的测量精度。

附图说明

图1为现有技术使用检流电阻检测电流的示意图；

图2为本发明电流检测电路的结构框图；

图3为本发明电流检测电路的实施例一的电路图；

图4为本发明电流检测电路的实施例二的电路图；

图5为本发明电流检测电路的实施例三的电路图；

图6为本发明电流检测电路的实施例四的电路图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图，利用具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例利用金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET，以下简称MOS管)工作在线性区时，流经该MOS管的电流与该MOS管的源极与漏极之间的电压差成正比的特性检测电流。

如图2所示，MOS管21被串联在待检测电流I_T所在的支路中，即，MOS管与待检测电流I_T流经的负载22串联，偏置电路1与MOS管21的栅极相连，给MOS管21提供栅极电压，将MOS管21偏置在线性工作区。电压检测电路3的两个检测端子分别与MOS管21的漏极和源极相连，检测MOS管21的漏极和源极之间的电压差。下面分析MOS管21的漏极和源极之间的电压差与待检测电流I_T成正比的对应关系，由此对应关系就可以得到待检测电流I_T的大小：

以PMOS管(P沟道MOS管)为例，PMOS管的电流-电压特性公式为：

$I=K_p\frac{W}{L}[2(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{THP}})V_{\mathrm{SD}}-{V_{\mathrm{SD}}}^2],$

其中，K_P为工艺参数， 为MOS管的宽长比；V_SG为PMOS管的源极与栅极之间的电压差，简称源栅电压；V_THP为PMOS管的阈值电压；V_SD为PMOS管的源极与漏极之间的电压，简称源漏电压。

由上述PMOS管的电流-电压特性公式

$I=K_P\frac{W}{L}[2(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{THP}})V_{\mathrm{SD}}-{V_{\mathrm{SD}}}^2]=K_P\frac{W}{L}[2(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{THP}})-V_{\mathrm{SD}}]*V_{\mathrm{SD}}$

可知，当2(V_SG-V_THP)＞＞V_SD，即MOS管工作在线性区时，

$I=2K_P\frac{W}{L}(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{THP}})*V_{\mathrm{SD}},$

所以，此时流经PMOS管的电流I与PMOS管的源漏电压V_SD成正比，测出PMOS管的源漏电压V_SD就相当于测出了流经PMOS管的电流的大小，即所述PMOS管源极与漏极之间的电压差V_SD可作为电流检测电路的测量信号。

从 $I=2K_P\frac{W}{L}(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{THP}})*V_{\mathrm{SD}}$ 可看出，PMOS管工作在线性区时，相当于一个等效的小电阻，此等效电阻 $R_E=\frac{1}{2K_P\frac{W}{L}(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{THP}})},$ 由PMOS管工作在线性区下的特性2(V_SG-V_THP)＞＞V_SD可知，即使I很大，V_SD仍然很小，而电流 $R_E=\frac{V_{\mathrm{SD}}}{I},$ 所以R_E很小，满足测量大电流时对电源分压小的要求，同时，由于MOS工艺的特点，相较电阻工艺而言，K_P、

V_THP都能精确地确定，而V_SG可精确地设置或测量，即相对于与MOS管工作在线性区时的等效电阻阻值相同的检流电阻而言，MOS管等效电阻的精确度高于检流电阻的精度，所以对于采用相同MOS工艺制作，具有相同宽长比与阈值电压的PMOS管来进行大电流检测的不同电路，对同一电流的测量结果的一致性，与采用相同电阻工艺制作的检流电阻来进行大电流检测的不同电路，对同一电流的测量结果的一致性相比，前者高于后者。即本发明实施例采用MOS管进行大电流测量的精确度较利用检流电流进行大电流测量的精确度高。

而且，相较检流电阻而言，MOS管的额定功率可以很大，采用MOS管来进行电流检测，能适用于大功率场合。

以下以图2中的MOS管21为PMOS管211，偏置电路1为第一电阻11和第二电阻12组成的电阻分压电路，电压检测电路3包括滤波模块与差分放大电路为例来具体说明本发明的第一实施方式：

如图3所示，偏置电路1包括第一偏置电阻11和第二偏置电阻12，第一偏置电阻11的一端与PMOS管211的源极相连，第一偏置电阻12的另一端、PMOS管的栅极以及第二偏置电阻12的一端连接于同一节点，第二偏置电阻12的另一端接公共地；PMOS管211的源极与电源20相连，漏极与负载22的一端相连，负载22的另一端接公共地；电压检测电路3由滤波模块和差分放大电路组成，优选地，滤波模块由滤波电阻32及滤波电容31组成，滤波电阻的一端与PMOS管211的漏极相连，另一端与滤波电容的一端相连，滤波电容的另一端与PMOS管211的源极相连；差分放大电路可为电压减法运算电路，具体地，电压减法电路由运算放大器36、第一电阻33、第二电阻34、第三电阻35及第四电阻37构成，第一电阻33的一端与PMOS管21的源极相连，另一端与运算放大器36的反相输入端及第三电阻35的一端相连，第三电阻35的另一端与运算放大器36的输出端相连，第二电阻34的一端与PMOS管211的漏极相连，另一端与运算放大器36的同相输入端及第四电阻37的一端相连，第四电阻37的另一端与公共地相连。

对PMOS管211而言，偏置电路1要使PMOS管211的各端子的电压满足2(V_SG-V_THP)＞＞V_SD，只要使PMOS管211的栅极电压V_G相对于V_D来说小到一定程度就能满足2(V_SG-V_THP)＞＞V_SD。

由于PMOS管211的源漏电压V_SD在线性区和饱和区都很小，而漏极电压V_D等于电源20的电压V₂₀减去PMOS管211的源漏电压V_SD，即V_D＝V₂₀-V_SD，从该式可看出，V_D接近电源电压V₂₀，所以，使PMOS管211的栅极电压V_G相较于V_D而言很小是很容易的。设第一分压电阻11的电阻值为R₁₁，第二分压电阻12的阻值为R₁₂，则 $V_G=\frac{R_{12}}{R_{11}+R_{12}}*V_{20},$ 采用适当的R₁₁和R₁₂(如R₁₁＞＞R₁₂)容易使V_G相较V₂₀而言很小，也即相较V_D很小，满足2(V_SG-V_THP)＞＞V_SD。

需要指出的是，上述实施例采用将MOS管串联在电源20与负载22之间的方式只是一种比较优选的方式，也可采用将MOS管串联在两个负载之间的方式进行测量，只要偏置电路能够保证MOS管偏置在线性工作区均可实现测量电流的目的。

由前面的分析可知，当PMOS工作在线性区时V_SD的大小即可表征被测电流的大小，电压检测电路3完成测量V_SD的测量：

滤波电容31和滤波电阻32起到缓启动的作用，滤除高频冲击电流或者干扰信号，消除这些信号对测量精度的影响。当然，滤波电容31和滤波电阻32并不是必须采用的，没有此滤波模块，仅用后级的电压减法运算电路也能测出PMOS管211的源栅电压。

设第一电阻33的阻值为R₃₃、第二电阻34的阻值为R₃₄、第三电阻35的阻值为R₃₅、第四电阻37的阻值为R₃₇，则电压减法运算电路的运算结果，也即运算放大器36的输出端输出的电压V_T为：

$V_T=\frac{R_{33}+R_{35}}{R_{33}}*\frac{R_{37}}{R_{34}+R_{37}}*V_D-\frac{R_{35}}{R_{33}}*V_S,$

在上式中，如果选取电阻值满足 $\frac{R_{35}}{R_{33}}=\frac{R_{37}}{R_{34}}$ 的关系，则有：

$V_T=\frac{R_{35}}{R_{33}}*(V_D-V_S)=-\frac{R_{35}}{R_{33}}*V_{\mathrm{SD}}.$

从上式可看出，电压减法运算电路测量出了PMOS管211的源极与栅极之间的电压，从前面的分析可知，此电压表征了被检测电流，所以上述实施例提供的电路可以检测出被检测电流。

对于本实施例，电压检测电路3实际上是采用差分式放大电路进行电压测量，为方便调节，以减少差分放大电路的输入失调对电路的测量精度的影响，第四电阻37可设计为可调电阻。

需要说明的是，所述电压减法运算电路的连接方式不限定于上述测量PMOS管211的漏极电压减去源极电压，得到PMOS管211的漏源电压(漏极与源极之间的电压)的方式，也可采用测量PMOS管211的源极电压减去漏极电压，得到PMOS管211的源漏电压的方式，此点是本领域技术人员很容易通过上述实施方式的启示而得出的；进一步，本领域技术人员也容易根据本实施例的启示采用其它差分电路或其他形式的电路测出PMOS管211源极与漏极之间的电压。

如前所述，滤波电阻31和滤波电容32不是上述实施例所必须采用的，如果采用，对于滤波电容31与滤波电阻32的具体连接，也不限定于上述方式，还可仅用滤波电容31，滤波电容31的两端分别接PMOS管211的源极与漏极；还可将滤波电容31的一端与PMOS管211的漏极相连，另一端与滤波电阻32的一端相连，滤波电阻32的另一端与PMOS管211的源极相连。

为使PMOS管211的源栅电压V_SG更加稳定，如图4所示的本发明的第二实施例，在第一实施例的基础上，可在PMOS管211的源栅之间连接一个稳压二极管13，稳压二极管13的正相端与PMOS管211的栅极相连，负相端与PMOS管211的源极相连，稳压二极管13两端的电压即PMOS管211的源栅电压V_SG。

稳压二极管13的引入还有温度补偿的作用，由于PMOS管211的阈值电压V_THP具有负的温度系数，所以利用 $I=2K_P\frac{W}{L}(V_{\mathrm{SG}}-V_{\mathrm{THP}})*V_{\mathrm{SD}}$ 测量电流时，测量值会因V_THP随温度变化而受温度的影响，由于稳压二极管13工作在齐纳效应占优的情况下，也具有负的温度系数，所以实际设计时，可采用适当温度系数的稳压二极管使得V_SG-V_THP不随温度的变化而变化，从而减少或消除温度对测量精度的影响。

当PMOS管211的源栅电压V_SG较大，稳压二极管13工作在雪崩效应占优的情况下，此时稳压二极管具有正的温度系数，此时采用稳压二极管13仍不能减少或消除温度对测量精度的影响。

为了在稳压二极管13具有正的温度系数时，仍能减少或消除温度对测量精度的影响，可采用如图5所示的本发明的第三实施例，在第二实施例的基础上，在稳压二极管13与PMOS管的栅极之间串联一个负温度系数的二极管14，即：稳压二极管13的负相端与PMOS管211的源极相连，稳压二极管13的正相端与二极管14的正相端相连，二极管14的负相端与PMOS管的栅极相连。这种情况下，V_SG-V_THP＝V₁₃+V₁₄-V_THP，其中，V₁₃为稳压二极管两端的电压，V₁₄为二极管14两端的电压，V₁₃具有正温度系数，V_THP具有负温度系数，则V₁₃-V_THP具有正温度系数，由于V₁₄具有负温度系数，所以可以适当选择二极管14和稳压二极管13，使V₁₃+V₁₄-V_THP温度系数为0，即不随温度的变化而变化，如果一个二极管的负温度系数不至于补偿V₁₃-V_THP的正温度系数，则可多串联几个二极管，以使V₁₃+V₁₄-V_THP不随温度的变化而变化，保证测量的精度。

应当理解，对于上述所有的实施方式中，采用第一分压电阻11和第二分压电阻12串联分压产生偏置电压的方式只是本发明的一个实施方式，通过阅读对本发明实现方式的描述，本领域技术人员可以容易想到其它的偏置方式，如将第一分压电阻11及第二分压电阻12替换成二极管连接方式的MOS管，同样能产生满足本发明实施例要求的偏置电压，使PMOS管211工作在线性工作区，达到测量目的；当然还可采用其它方式，只要能将PMOS管211偏置在线性工作区即可。

图2中的MOS管采用NMOS(N沟道MOS)管212时可采用如图6所示的第四实施例，与前面所述的三个实施例相比，电压检测电路可不做变化，对NMOS管212的漏源电压V_DS进行检测。不同之处在于，负载22与NMOS管212的连接方式以及偏置电路1发生了变化，负载22与NMOS管212的具体连接为：负载的一端与电压源20相连，另一端与NMOS管212的漏极相连，PMOS管212的源极接公共地；偏置电路包括第三分压电阻15、第四分压电阻16，稳压二极管17及二极管18，具体连接为：第三分压电阻15的一端与电源20相连，另一端与NMOS管212的栅极、稳压二极管17的负相端以及第四分压电阻16的一端相连，第四分压电阻16的另一端接公共地，稳压二极管17的正相端接二极管18的正相端，二极管18的负相端接公共地。

同PMOS管相类似，NMOS工作在线性区的条件为2(V_GS-V_THN)＞＞V_DS，其中V_GS为NMOS管栅极和源极之间的电压，简称栅源电压；V_THN为NMOS管的阈值电压；V_DS为NMOS管的漏源电压。NMOS管工作在线性区的电流为：

$I=2K_N\frac{W}{L}(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{THN}})*V_{\mathrm{DS}},$

其中K_N为工艺参数，

为MOS管的宽长比。

与采用PMOS测量电流的实施例类似，从NMOS管212漏(D)源(S)两端的电压电流关系看，NMOS管212工作在线性区时相当于一个等效电阻，此等效电阻的阻值很小，由于工艺的原因，此等效电阻的精确度比检流电阻高，所以采用NMOS管测量电流的测量精度较采用检流电阻测量电流的测量精度高，这些在前面已有详细分析，此处不再赘述。

对NMOS管212而言，偏置电路1要使NMOS管212的各端子的电压满足2(V_GS-V_THN)＞＞V_DS，只要使NMOS管212的栅极电压V_G相对于V_D来说大到一定程度就能满足2(V_GS-V_THN)＞＞V_DS。

由于NMOS管212的漏源电压V_DS在线性区和饱和区都很小，而漏极电压V_D等于NMOS管212的漏源电压V_DS，即V_D＝V_DS，从该式可看出，V_D接近地电压，所以，使NMOS管212的栅极电压V_G相较于V_D而言很大是很容易的。设第三分压电阻15的电阻值为R₁₅，第四分压电阻16的阻值为R₁₆，则 $V_G=\frac{R_{16}}{R_{15}+R_{16}}*V_{20},$ 采用适当的R₁₅和R₁₆(如R₁₆＞＞R₁₅)容易使V_G相较V_D而言很大，满足2(V_GS-V_THN)＞＞V_DS。

稳压二极管17的使用可使NMOS管212的栅极电压更加稳定，同时由于稳压二极管17工作在齐纳击穿为主的状态时，具有负的温度系数，可与NMOS管212的阈值电压V_THN的负温度系数相补偿，减少由于温度的影响产生的测量误差。当NMOS管212的栅源电压比较大，稳压二极管17工作在雪崩击穿为主的状态时，稳压二极管17的负相端与正相端之间的电压具有负温度系数，此时可以利用串联的具有负温度系数的二极管18进行补偿，也可串联多个具有负温度系数的二极管，这些在介绍利用PMOS管进行电流测量的实施例中有详细描述，在此不再赘述。

需要指出的是，在第四实施例中，与前面使用PMOS的实施例一样，提供一种比使用检流电阻进行电流检测精确度更高的电流检测电路而言，稳压二极管17和二极管18并不是必须的。

同样，同前面的说明一样，本实施例中的偏置电路1也可采用其他形式的电路，只要能将NMOS管偏置在线性工作区即可；电压检测电路3的形式也不限于图6中所示的形式，只要能检测出NMOS管的漏源电压即可。这些在前面均有详细说明，在此不再详细描述。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1、一种电流检测电路，其特征在于，包括：

MOS管，通过源极和栅极串联于被检测电流所在的回路之中；

偏置电路，与所述MOS管的栅极相连，将所述MOS管偏置在线性工作区；

电压检测电路，与所述MOS管的源极和栅极相连，检测所述MOS管的漏极与源极之间的电压差，所述电压差为所述电流检测电路的测量信号。

2、如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述偏置电路包括：

第一分压电阻，连接于电压源端与所述MOS管的栅极之间；

第二分压电阻，连接于所述MOS管的栅极与公共地端之间；

所述第一分压电阻和所述第二分压电阻在所述电压源端和所述公共地端实现分压，使所述MOS管栅极的电压保证所述MOS管偏置在线性工作区。

3、如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述MOS管串联在被检测电流回路之中的具体方式为：

所述MOS管的源极与所述被检测电流回路的公共电位端相连，所述MOS管的漏极与所述被检测电流所在的回路的负载相连。

4、如权利要求3所述的电流检测电路，其特征在于，所述MOS管为PMOS管，所述公共电位端为电压源端。

5、如权利要求3所述的电流检测电路，其特征在于，所述MOS管为NMOS管，所述公共电位端为公共地端。

6、如权利要求4所述的电流检测电路，其特征在于，所述偏置电路包括：

第一分压电阻，连接于所述电压源端与所述PMOS管的栅极之间，

第二分压电阻，连接于所述PMOS管的栅极与公共地端之间，

稳压二极管，所述稳压二级管的负相端与所述电压源端相连，正相端与所述PMOS管的栅极相连；

所述第一分压电阻和所述第二分压电阻在所述电压源端和所述公共地端实现分压，使所述MOS管栅极的电压保证所述MOS管偏置在线性工作区。

7、如权利要求6所述的电流检测电路，其特征在于，所述稳压二极管的负相端与正相端之间的电压与所述PMOS管的阈值电压具有相同的温度系数。

8、如权利要求5所述的电流检测电路，其特征在于，所述偏置电路包括：

第三分压电阻，连接于电压源端与所述NMOS管的栅极之间，

第四分压电阻，连接于所述NMOS管的栅极与所述公共地端之间，

稳压二极管，所述稳压二极管的负相端与所述NMOS的栅极相连，正相端与所述公共地端相连；

所述第三分压电阻和所述第四分压电阻在所述电压源端和所述公共地端实现分压，使所述MOS管栅极的电压保证所述MOS管偏置在线性工作区。

9、如权利要求8所述的电流检测电路，其特征在于，所述稳压二极管的负相端与正相端之间的电压与所述NMOS管的阈值电压具有相同的温度系数。

10、如权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，所述电压检测电路包括差分放大电路，所述差分放大电路的两个差分输入端分别接所述MOS管的源极与漏极，接收所述MOS管的源极与漏极之间的电压差，所述差分电路将所述电压差放大后输出。

11、如权利要求10所述的电流检测电路，其特征在于，所述差分放大电路包括：

电压输出端，

第一差分输入端，与所述MOS管的源极/漏极相连，

运算放大器，所述运算放大器的输出端与所述电压输出端相连，

第一电阻，连接于所述第一差分输入端与所述运算放大器的反相输入端之间，

第三电阻，连接于所述运算放大器的反相输入端与输出端之间，

第二差分输入端，与所述MOS管的漏极/源极相连，

第二电阻，连接于所述第二差分输入端与所述运算放大器的同相输入端之间，

第四电阻，连接于所述运算放大器的同相输入端与公共地端之间。

12、如权利要求10所述的电流检测电路，其特征在于，所述电压检测电路还包括滤波电容和滤波电阻，所述滤波电容与所述滤波电阻串联之后连接于所述MOS管的源极与漏极之间。

13、一种电流检测装置，其特征在于，所述电流检测装置包括电流检测电路，所述电流检测电路包括：

MOS管，通过源极和栅极串联于被检测电流所在的回路之中；

偏置电路，与所述MOS管的栅极相连，将所述MOS管偏置在线性工作区；

电压检测电路，与所述MOS管的源极和漏极相连，检测所述MOS管的漏极与源极之间的电压差，所述电压差为所述电流检测电路的测量信号。

14、如权利要求13所述的电流检测装置，其特征在于，所述电流检测装置还包括：

电流值显示单元，用于将所述MOS管的漏极与源极之间的电压差转换成被所述检测电流值并显示所述被检测电流值。

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