CN101147357B - 通过通信链路供电的系统中的大功率返送机构 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过以太网供电的新型系统，包括限流电路，用于防止输出电流超过设定在规定水平的电流阈值，和返送电路，用于当输出电压低于规定的电压值时降低电流阈值。可以控制返送电路以大功率模式工作，以将电流阈值提高到规定水平之上。

Description

通过通信链路供电的系统中的大功率返送机构
[0001]本申请要求美国临时专利申请号60/646,509的优先权，该申请的申请日为2005年1月25日，发明名称为″支持先进的以太网供电系统的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR SUPPORTING ADVANCED POWER OVERETHERNET SYSTEM)″。
技术领域
[0002]本发明涉及供电系统，更具体地讲，涉及用于在通过通信链路供电的系统，如先进的以太网供电(PoE)系统中执行返送程序的电路和方法。
背景技术
[0003]在过去若干年中，以太网业已成为局域网络最常用的方法。IEEE802.3组，以太网标准的发起人，业已开发了该标准的延伸形式，称作IEEE802.3af，定义通过以太网电缆供电。IEEE802.3af标准定义以太网供电(PoE)系统，该系统涉及通过非屏蔽的双绞线将电力从供电设备(PSE)传输到位于链路相对侧的用电设备(PD)。传统上，网络设备诸如IP电话，无线LAN接入点，个人计算机和网络摄像机需要两个连接：一个连至LAN，而另一个连至供电系统。PoE系统消除了需要额外的插口和接线，以向网络设备供电。取而代之的是，通过用于数据传输的以太网电缆供电。
[0004]如IEEE802.3af标准所定义的，PSE和PD是非数据实体，允许网络设备使用与用于数据传输同类的电缆供电和获得电力。PSE是在物理连接点电连接至电缆的设备，它向链路供电。PSE通常与以太网开关，路由器，网络集线器或其他网络交换设备或中跨供电设备相连。PD是获得供电或请求供电的设备。PD可以与诸如数字IP电话，无线网络接入点，PDA或笔记本电脑扩展坞，移动电话充电器和HVAC恒温器等设备相连。
[0005]PSE的主要功能是为请求供电的PD搜索链路，可选地对PD分级，如果检测到PD则向链路供电，监控链路上的供电，并且在不再请求或者需要时切断电源。PD通过呈现由IEEE802.3af标准定义的PoE检测信号来参与PD检测程序。
[0006]如果检测信号是有效的，PD可以选择向PSE呈现分级信号，以表示在上电时会提取多少电力。PD可被分级为级别0到级别4。级别1的PD要求PSE提供至少4.0W，级别2的PD要求PSE提供至少7.0W，而级别0，3或4要求至少15.4W。根据PD的确定级别，PSE向PD提供所需的电力。
[0007]半导体设备，例如MOSFET，可以用来控制来自PSE的电力。在上电和短路状态期间，MOSFET的功率消耗可能远大于在额定功率时的功率消耗。为了限制功率消耗，IEEE802.3af标准规定了返送机构。具体地讲，所述标准定义在10V-30V的端口电压启动期间，启动模式的输出电流(Iinrush)的最小要求是60mA。对于高于30V的端口电压，要求电流Iinrush在400mA-450mA的范围内。所述400mA-450mA Iinrush要求适用于50ms-75ms TLIM定时器的持续时间。
[0008]图1用图表示出了IEEE802.3af返送要求的示意图。具体地讲，图1中的灰色区域示出IEEE802.3af标准不允许的PSE输出电压和输出电流的组合。图1中的黑线示出可能的返送曲线，该曲线表示对于高于30V的输出电压，PSE的输出电流在400mA-450mA的水平，并且对于输出电压低于30V PSE的输出电流逐渐下降。
[0009]不过，对于大功率PSE，能够提供比IEEE802.3af标准规定的400mA-450mA电流更高的功率(而不是更高的电压)。因为更高的电流导致更高的MOSFET功率消耗，希望具有返送系统，它提供比常规IEEE802.3af返送机构所能提供的功率更进一步降低的功率。
[0010]因此，需要可编程的返送机构，它能够调节电流极限，以使PoE系统能够以大功率模式和以IEEE802.3af兼容模式工作。
发明内容
[0011]本发明提供了一种新型的系统和方法，用于在先进的PoE系统中向PD供电。根据本发明的一个方面，供电设备，如PSE，包括限流电路，用于防止PSE的输出电流超过在规定水平所设的电流阈值；和返送电路，用于当PSE的输出电压低于规定的电压值时，降低电流阈值。可以控制返送电路以大功率模式工作，以将电流阈值提高到规定水平之上。
[0012]具体地讲，返送电路能够以第一大功率模式工作，以在PSE的输出电压不小于规定的电压值时，将电流阈值提高到规定水平之上。
[0013]另外，返送电路能够以第二大功率模式工作，以便根据用于从PSE向PD供电的半导体设备，如MOSFET或双极晶体管两端的电压，将电流阈值提高到规定水平之上。
[0014]更具体地讲，在第二大功率模式下，当半导体设备两端的电压小于预定值时，可以将电流阈值提高到规定水平之上。当半导体设备两端的电压不小于预定值并且PSE的输出电压不小于规定的电压值，返送电路可以将电流阈值保持在规定的水平。另外，当PSE的输出电压低于规定的电压值时，返送电路可以降低电流阈值。
[0015]可以根据温度调整返送电路的工作。具体地讲，在第一温度，当半导体设备两端的电压小于第一预定值时，返送电路可以将电流阈值提高到规定水平之上；以及在高于第一温度的第二温度，当半导体设备两端的电压小于比第一预定值更小的第二预定值时，返送电路可以将电流阈值提高到规定水平之上。可以根据温度控制返送电路在第一和第二大功率模式之间。
[0016]当在PSE的输出检测到大功率PD时，可以将返送电路切换到大功率模式。具体地讲，为了响应第一控制信号，返送电路可以切换到第一大功率模式，和为了响应第二控制信号，返送电路可以切换到第二大功率模式。如果半导体设备具有大功率消耗能力，可以选择第一大功率模式。如果半导体设备能够消耗更少的功率，可以选择第二大功率模式。
[0017]根据本发明的方法，执行下述步骤，用于通过半导体设备向负载供电：
-将电流阈值设定在规定水平，以便防止电源的输出电流超过电流阈值，
-当电源的输出电压低于规定的电压值时，降低电流阈值，和
-切换到大功率模式，以便将电流阈值提高到规定水平之上。
[0018]可以执行以第一大功率模式工作，以便当电源的输出电压不小于规定的电压值时，将电流阈值提高到规定水平之上。
[0019]可以执行以第二大功率模式工作，以便当半导体设备两端的电压小于预定值时，将电流阈值提高到规定水平之上。
[0020]根据本发明的另一方面，通过半导体设备向负载供电的系统包括限流电路，用于防止电流超过设定在规定水平的电流阈值，和返送电路，用于当半导体设备的电压高于第一值时，降低电流阈值。返送电路被设置成以大功率模式工作，以便当半导体设备两端的电压小于第二值时，将电流阈值提高到规定水平之上。
[0021]在大功率模式下，当半导体设备两端的电压不小于第二值但不超过第一值时，返送电路可以将电流阈值保持在规定水平。另外，当半导体设备两端的电压高于第一值时，返送电路可以降低电流阈值。
[0022]按照本发明的另一方面，局域网包括至少一对网络节点，网络集线器，和用于将网络节点连接至网络集线器以提供数据通信的通信电缆。网络集线器具有供电设备，用于通过通信电缆向负载供电。供电设备包括限流电路，用于防止供电设备的输出电流超过设定在规定水平的电流阈值；和返送电路，用于当供电设备的输出电压低于规定的电压值时，降低电流阈值。返送电路被设置成以大功率模式工作，以便将电流阈值提高到规定水平之上。
[0023]通过以下详细说明，本领域技术人员可以更方便地理解本发明的其他优点和方面，其中，示出并且披露了本发明的实施例，仅仅以说明用于实施本发明的最佳方式的形式提供。正如所要披露的，本发明能够以其他和不同的实施例实施，并且它的若干细节能够以各种显而易见的方式进行改进，所有改进都没有偏离本发明的精神。相应地，附图和说明被视为说明性的，而不是限制性的。
附图说明
[0024]以下对本发明实施例的详细说明通过结合以下附图能够得到最佳的理解，其中特征不一定是按比例绘制的，而是以能够最好说明相关特征的形式绘制，其中：
图1是表示IEEE802.3af返送要求的示意图；
图2是示出施加在本发明的PoE系统中PSE和PD之间的电压的示意图；
图3是示出本发明的返送机构的方框图；
图4是示出第一和第二大功率返送模式的返送曲线的示意图。
具体实施方式
[0025]下面将利用PoE系统可编程以大功率模式工作的PSE返送方案的示例对本发明进行说明。不过，显而易见，本文所披露的构思可应用于任何网络的任何可控制的返送机构。例如，本发明的系统可以提供在局域网(LAN)中，所述局域网具有多个节点，网络集线器和将节点连接至网络集线器用于提供数据通信的通信电缆。所述网络集线器可以包括供电设备，并且所述通信电缆可用于从供电设备向负载供电。
[0026]一般，在电源和其他电压输出电路中具有返送机构，以降低电流，从而在大电流流过时降低输出设备的功率消耗。由于功率是电压和电流的乘积，降低电流导致功率消耗成比例地降低。
[0027]图2示意性地示出施加在PSE12和PD14之间PoE系统10上的电压。具体地讲，PSE电源可以包括正极端子Vsupply+和负极端子Vsupply-。从PSE12向PD14输电可以利用PSE的输出设备提供，如功率MOSFET16，它具有门电压，受控向PD14供电。PSE12的输出端口可以包括正极端子Vport+和负极端子Vport-。在PSE12的输出提供的端口电压Vport＝Vport+-Vport-被施加在PD14的两端，以输送功率PPD＝(Vport+-Vport-)×Iport，其中Iport是端口电流。由PSE的输出设备消耗的功率PPSE等于VPSE×Iport，其中VPSE＝Vsupply--Vport-，它是施加在PSE的输出设备两端的电压。
[0028]在上电和短路状态期间，MOSFET16的功率消耗可能远高于提供额定功率时的功率消耗。为了限制功率消耗，IEEE802.3af标准规定了返送机构。具体地讲，所述标准定义10V-30V之间的端口电压Vport在启动期间，启动模式下输出电流(IInrush)的最小要求是60mA。对于高于30V的端口电压Vport，最小IInrush要求在400mA-450mA的范围内。适用于持续时间TLIM的最小IInrush要求设定在50ms-75ms范围内。
[0029]图3是示出本发明的返送机构100的方框图。如下面更详细地讨论的，除了满足IEEE802.3af返送要求之外，返送机构100使PoE系统10能够以大功率模式工作，以便支持大功率PSE能够提供比IEEE802.3af标准要求更高的功率。
[0030]返送机构100包括返送电路102，它产生返送信号FB，该信号输送给限流电路104，用于按照返送要求控制PSE12的端口电流(Iport)。返送控制电路106向返送电路102提供返送控制信号FBCNTL，以设定希望的返送模式。温度感测电路108向返送电路102提供温度信号，以根据MOSFET16的温度或与它相关的温度控制返送程序。
[0031]具体地讲，限流电路104监控端口电流Iport，并且将该电流与限流阈值进行比较，以使端口电流保持在限流阈值或低于限流阈值。端口电流Iport通过确定连接至MOSFET16的感测电阻Rsense两端的感测电压Vsense进行监控。确定的感测电压与代表限流阈值的参考电压Vref进行比较，以将感测电压保持在Vref电压或低于Vref电压。更具体地讲，当感测电压Vsense随着端口电流的增加而增加到接近参考电压Vref时，限流电路104降低MOSFET16的门极的门驱动电压VG。结果，MOSFET16的电阻增加，降低了端口电流Iport。
[0032]限流电路104通过返送电路102控制，它可以改变电流电平阈值，以便获得所需的Iport值。返送电路102监控施加在PD14两端的电压Vport＝Vport+-Vport-，和施加在MOSFET16两端的电压VPSE＝Vport--Vsupply-。返送电路102能够以正常模式和两种大功率模式工作，它可以通过由返送控制电路106产生的返送控制信号FBCNTL设定。例如，返送控制信号FBCNTL可以具有两位，一个可以设定在第一水平，以建立常规返送模式，和设定在第二水平，以建立大功率返送模式。另一位可以设定在第一水平，以建立第一大功率返送模式，和设定在第二水平，以建立第二大功率返送模式。
[0033]常规返送模式可以支持向符合IEEE802.3af功率要求的PD输电。大功率返送模式可以支持向大功率PD供电，所述大功率PD请求的功率比IEEE802.3af标准要求PSE输送的功率更高。
[0034]在常规返送模式下，返送电路102可以按照图1所示的IEEE802.3af返送要求工作。具体地讲，它可以监控端口电压Vport，以便在Vport低于30V时降低限流阈值，从而降低端口电流Iport。因此，在常规返送模式，返送电路102允许限流电路104对于高于30V的Vport，将端口电流Iport保持在400mA-450mA之间的水平。对于0V-30V之间的端口电压Vport，控制限流阈值，以便逐渐增加端口电流，如图1所示。
[0035]图4示出由返送电路102在第一和第二大功率返送模式提供的返送曲线。返送曲线表示在不同Vport值的Iport水平。在第一大功率返送模式，返送电路102监控端口电压Vport。当Vport高于30V时，返送电路102控制限流阈值，以便使端口电流Iport保持的水平明显高于在常规模式下保持的相应水平。例如，如图4的点划线所示，在第一大功率返送模式，当Vport高于30V时，端口电流Iport可以保持在750mA水平。对于0V-30V之间的端口电压Vport，端口电流Iport能够以类似于在常规返送模式工作的方式逐渐增加。
[0036]因此，第一大功率返送模式使得PSE12能够产生的端口电流比在常规模式期间所产生的大的多。结果，更高的功率被输送至PD14。不过，在第一大功率返送模式下当Vport高于30V时，需要PSE消耗的功率远大于常规返送模式期间消耗的功率。因此，当PSE的输出设备，如MOSFET16能够消耗更高功率时，可以设定第一大功率返送模式。
[0037]第二大功率返送模式利用能够比在第一大功率返送模式所用的设备消耗更低功率的PSE的输出设备，可以支持向大功率PD输电。另外，第二大功率返送模式使得PSE12能够利用具有的功率消耗类似于符合IEEE802.3af要求的PSE的输出设备的功率消耗的输出设备，输送比IEEE802.3af标准要求更高的功率。
[0038]如图4所示，在第二大功率返送模式，返送电路102控制限流阈值，以当端口电压Vport在0V-30V之间时，保持符合IEEE802.3特征。在端口电压Vport高于30V时，返送电路102监控施加在MOSFET16两端的电压VPSE＝Vport--Vsupply-，以控制限流阈值，从而根据该电压切换端口电流Iport。
[0039]例如，如图4的实线所示，返送曲线高于30VVport水平的第一部分类似于图1所示的符合IEEE802.3的返送曲线。不过，当电压VPSE小于预定值时，返送电路102控制限流电路104，以将端口电流Iport保持在显著高于相应符合IEEE802.3水平的水平。
[0040]通过根据MOSFET16两端的电压控制Iport值，MOSFET16的功率消耗可以被限制在不超过IEEE802.3af标准所定义的最大MOSFET功率消耗的值。例如，如果当负端口电位(Vport-)高于PSE的负电源电位(Vsupply-)小于10V时，PSE12将Iport切换到高达1A，则MOSFET16的功率消耗被限制在10V×1A＝10W。这小于符合IEEE802.3af标准的PSE所遇到的最大MOSFET功率消耗。相应地，第二大功率返送模式使得PSE12能够向PD14输送双倍电流和双倍功率，同时使用与符合IEEE802.3af的PSE相同的MOSFET。
[0041]返送电路102可以通过温度感测电路108控制，它提供温度信号，以根据温度控制返送程序。半导体设备，如MOSFET16，具有固定的最大温度，在该温度它可能退化或失效。因此，半导体设备消耗功率而不受损的能力取决于温度。具体地讲，当温度升高时，半导体设备的功率消耗减少。半导体设备的功率消耗不仅取决于它的起始温度，而且还取决于它周围的环境温度，该温度由空气和元件，如电路板或在半导体设备消耗功率时接收热量的吸热设备的温度确定。
[0042]在PSE中，某些电路，如控制逻辑电路，在大量功率消耗之前运行。因此，用于从PSE供电的半导体设备的温度可以提供半导体设备的起始温度和它周围的环境温度的指示。相应地，温度感测电路108可以确定MOSFET16的温度，以便根据该温度控制返送电路102。
[0043]根据来自温度感测电路108的温度信号，返送电路102可以改变端口电压Vport的值，在该值下端口电流Iport被切换到较高水平。具体地讲，对于较高的温度，可以增加该电压值。另外，返送电路102可以进行温度依赖性逐步过渡，从较低的Iport水平到较高的Iport水平，以便降低MOSFET16的功率消耗并在温度上升时仍然保持符合IEEE802.3af标准。
[0044]在第一大功率返送模式，为了响应较高的温度，返送电路102可以提高端口电压Vport，在该电压下，端口电流Iport过渡到较高水平。
[0045]在第二大功率返送模式，返送电路102开始从符合IEEE802.3水平的Iport过渡到更高端口电流的VPSE的预定值取决于温度。随着温度升高，VPSE的预定值可以降低。因此，在较高温度，当电压VPSE小于在较低温度下VPSE的预定值小于预定值时，Iport电流从符合IEEE802.3水平切换到较高水平。
[0046]以上说明示出和披露了本发明的各个方面。另外，所示和披露的内容仅仅是优选实施例，但是如上文所提到的，应当理解，本发明能够使用各种其他组合，改进，和环境，并且能够在本文所体现的发明构思范围内进行改变或改进，与上述教导，和/或相关领域的技能或知识匹配。
[0047]上述实施例还可用于解释已知用于实施本发明的最佳方式，并且使得本领域技术人员能够以上述或其他实施例的形式利用，并且根据本发明的具体应用或用途的要求进行各种改进。
[0048]因此，本说明书不是要将本发明局限于本文所披露的形式。另外，希望将所附权利要求书理解成包括可选实施例。

Claims (21)

1.一种通过通信链路供电的系统，包括：
供电设备，用于通过通信链路向负载供电，所述供电设备被设置通过半导体设备供电，
限流电路，用于防止所述供电设备的输出电流超过设定在规定电流阈值水平的电流阈值，和
返送电路，用于当所述供电设备的输出电压小于或等于规定的输出电压值时降低所述电流阈值，
控制所述返送电路，以将电流阈值增加到所述规定电流阈值水平之上。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述返送电路被设置成在第一模式工作，以在所述供电设备的输出电压大于或等于所述规定的输出电压值时，将电流阈值增加到所述规定的电流阈值水平之上。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述返送电路被设置成在第二模式工作，以在所述半导体设备两端的电压小于规定的半导体电压值时，将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，在第二模式，当所述半导体设备两端的电压大于或等于所述规定的半导体电压值并且所述供电设备的输出电压大于或等于所述规定的输出电压值时，所述返送电路工作以使电流阈值保持在所述规定的电流阈值水平。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，在第二模式，当所述供电设备的输出电压低于所述规定的输出电压值时，所述返送电路工作以降低电流阈值。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，在所述半导体设备的第一温度，当所述半导体设备两端的电压小于第一规定的半导体电压值时，所述返送电路将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上；以及在高于第一温度的半导体设备的第二温度，当所述半导体设备两端的电压低于小于第一规定的半导体电压值的第二规定的半导体电压值时，所述返送电路将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述返送电路被设置成当在供电设备的输出检测到预定负载时，将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上。
8.根据权利要求3所述的系统，其中，所述返送电路响应第一控制信号以切换到第一模式，和响应第二控制信号以切换到第二模式。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，如果所述半导体设备是第一半导体设备，所述返送电路工作以切换到第一模式；和，如果所述半导体设备是能够比第一半导体设备消耗更少功率的第二半导体设备，所述返送电路工作以切换到第二模式。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述半导体设备包括半导体场效应晶体管MOSFET。
11.一种通过半导体设备向负载供电的方法，包括以下步骤：
将电流阈值设定在规定的电流阈值水平，以防止电源的输出电流超过所述电流阈值，
当所述电源的输出电压小于或等于规定的输出电压值时，降低电流阈值，和
切换到预置模式，以将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括在第一模式工作的步骤，以在所述电源的输出电压大于或等于所述规定的输出电压值时，将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括在第二模式工作的步骤，以在所述半导体设备两端的电压小于规定的半导体电压值时，将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在第二预置模式，当所述半导体设备两端的电压大于或等于所述规定的半导体电压值并且所述电源的输出电压不小于规定的输出电压值时，将电流阈值保持在所述规定的电流阈值水平。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在第二模式，当所述电源的输出电压低于所述规定的输出电压值时，降低电流阈值。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，在半导体设备的第一温度，当半导体设备两端的电压小于第一规定的半导体电压值时，将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上；和，在高于第一温度的半导体设备的第二温度，当半导体设备两端的电压低于小于第一规定的半导体电压值的第二规定的半导体电压值时，将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上。
17.一种通过半导体设备向负载供电的系统，包括：
限流电路，用于防止电流超过设定在规定的电流阈值水平的电流阈值，和
返送电路，用于当半导体设备两端的电压高于第一半导体电压值时，降低电流阈值，
所述返送电路被设置成在规定的模式工作，以在半导体设备两端的电压小于第二半导体电压值时，将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，在所述规定的模式，所述返送电路被设置成当半导体设备两端的电压不小于第二半导体电压值，但是不超过第一半导体电压值时，将电流阈值保持在所述规定的电流阈值水平。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，在规定的模式，所述返送电路被设置成当半导体设备两端的电压高于第一半导体电压值时，降低电流阈值。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，在半导体设备的第一温度，当半导体设备两端的电压小于第一半导体电压水平时，所述返送电路将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上；和在高于第一温度的半导体设备的第二温度，当半导体设备两端的电压低于小于第一半导体电压水平的第二半导体电压水平时，所述返送电路将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上。
21.一种局域网，包括：
至少一对网络节点，
网络集线器，和
通信电缆，用于将所述网络节点连接到网络集线器以提供数据通信，
所述网络集线器具有供电设备，用于通过通信电缆向负载供电，所述供电设备包括限流电路，用于防止所述供电设备的输出电流超过设定在规定的电流阈值水平的电流阈值，和返送电路，用于当所述供电设备的输出电压大于或等于规定的输出电压值时降低电流阈值，所述返送电路被设置成以规定模式工作，以将电流阈值提高到所述规定的电流阈值水平之上。
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IEEE 802.3af PD Power over Ethernet Interface Controller.Linear Technology LTC4257A.2003,(LTC4257A),9,11.
IEEE 802.3af PD Power over Ethernet Interface Controller.Linear Technology LTC4257A.2003,(LTC4257A),9,11. *
Quad IEEE 802.3af Power over Ethernet Controller with AC Disconnect.Linear Technology LTC4259A.2004,(LTC4259A),1-32.
Quad IEEE 802.3af Power over Ethernet Controller with AC Disconnect.Linear Technology LTC4259A.2004,(LTC4259A),1-32. *
图5，6.

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