CN101369779B - 具有无源箝位电路的切换模式电源装置 - Google Patents

具有无源箝位电路的切换模式电源装置 Download PDF

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Abstract

一种切换模式电源装置,包括变压器、用于调节提供给变压器的初级线圈的功率的主开关、用于抑制主开关的电压应力的无源箝位电路、和用于在切换模式电源装置的备用模式中禁止无源箝位电路的箝位操作的控制电路。在备用模式中,在无源箝位电路中不消耗功率,因此可以显著地减少备用模式中消耗的功率。

Description

具有无源箝位电路的切换模式电源装置
技术领域
本发明的各方面涉及切换模式电源装置,更具体地,涉及具有无源箝位(passive clamp)电路的切换模式电源装置,所述无源箝位电路抑制主开关的电压应力以控制提供给变压器的主线圈的功率。
背景技术
在传统的切换模式电源装置中,例如回扫转换器、前向转换器等,在切换操作期间通过存储为变压器的漏电感或磁化电感的能量,在主开关的两端生成电压峰值(spike),从而生成功率损耗并且额外的电压应力被施加到主开关。使用形成用于放电存储为漏电感或磁化电感的能量的路径的箝位电路来抑制该电压应力。通过使用该箝位电路,可以通过存储为漏电感或磁化电感的能量来防止切换设备的功率损耗发生。
在各种箝位电路中,已经广泛使用包括箝位二极管、箝位电容器和电阻器的无源箝位电路。这种无源箝位电路称作RCD(电阻器-电容器-二极管)箝位电路。这种无源箝位电路具有简单的结构并且制造成本较低。
当使用无源箝位电路时,在箝位操作期间无源箝位电路的电阻器消耗了磁化能量。在切换模式电源装置的功率消耗被极大减少的备用模式中,无源箝位电路的电阻器消耗的功率占据了整个切换模式电源装置中消耗的功率的绝大部分。结果,减少备用功率受到限制。
发明内容
本发明各方面提供了一种具有无源箝位电路的切换模式电源装置,其中在备用模式中不消耗功率,从而可以明显地减少备用模式中由切换模式电源装置消耗的整个功率。
本发明的附加方面和/或优点将在下面的描述中部分阐述,部分将从描述中显而易见,或者通过本发明的实践获知。
根据本发明的一方面,提供了一种切换模式电源装置,包括变压器、用于调节提供给变压器的初级线圈的功率的主开关、用于抑制主开关的电压应力的无源箝位电路、和用于在切换模式电源装置的备用模式中禁止无源箝位电路的箝位操作的控制电路。
根据本发明的各方面,所述装置可以还包括开关,用于接通或断开无源箝位电路,并且控制电路可以在备用模式中断开开关以禁止箝位操作。根据本发明的各方面,开关可以使用光电耦合器来实现。
根据本发明的各方面,无源箝位电路可以包括箝位二极管、箝位电容器和电阻器。根据本发明的各方面,箝位电容器和电阻器可以相互并联连接,并且箝位二极管可以与并联的箝位电容器和电阻器串联连接。
根据本发明的各方面,开关可以连接于主开关和箝位二极管之间,或者可以连接于箝位二极管与并联的箝位电容器和电阻器之间,或者可以连接于将电压提供给初级线圈的输入端与并联的箝位电容器和电阻器之间。
根据本发明的各方面,控制电路可以根据与变压器的次级线圈连接的输出电路的输出电压来生成控制信号以禁止无源箝位电路的箝位操作。根据本发明的各方面,控制电路可以将输出电压与预定的参考电压进行比较并根据比较结果生成控制信号以禁止无源箝位电路的箝位操作。
根据本发明的各方面,控制电路可以根据流经主开关的电流来生成控制信号以禁止无源箝位电路的箝位操作。根据本发明的各方面,控制电路可以将与开关元件连接的电阻器两端的电压与预定的参考电压进行比较并根据比较结果生成控制信号以禁止无源箝位电路的箝位操作。
根据本发明的各方面,控制电路可以根据从切换模式电源装置的外部生成的、指示备用模式的信号生成控制信号以禁止无源箝位电路的操作。
根据本发明的另一方面,提供了一种切换模式供电方法,包括:确定切换模式电源装置是否处于备用模式;和如果切换模式电源装置处于备用模式作为比较结果,则禁止切换模式电源装置的无源箝位电路的箝位操作。
除了上述的示例实施例和方面,通过参考附图以及下列描述的研究,另外的方面和实施例将更明显。
附图说明
从示例实施例的下列详细描述和结合附图阅读的权利要求中,对本发明各方面的良好理解将变得明显,所有都形成本发明公开的一部分。尽管下列所写和所示的公开聚焦于本发明的公开的示例实施例,但是应当清楚地理解为,所述公开是说明和举例性的并且本发明不限于此。本发明的精神和范围仅由所附权利要求的范围限定。下面表示附图的简要说明,其中:
通过结合附图详细描述本末发的示例性实施例,本发明的上面和其他特征和优点将变得更加明显,其中:
图1是根据本发明实施例的切换模式电源装置的电路图;
图2是根据本发明另一实施例的切换模式电源装置的电路图;
图3是根据本发明另一实施例的切换模式电源装置的电路图;
图4是根据本发明实施例的包括控制电路的切换模式电源装置的电路图;
图5是根据本发明另一实施例的包括控制电路的切换模式电源装置的电路图;
图6是根据本发明另一实施例的包括控制电路的切换模式电源装置的电路图;和
图7是根据本发明实施例的切换模式供电方法的流程图。
具体实施方式
现在详细参考本发明的目前实施例,附图中图示了本发明的示例,全文中相同的附图标记表示相同的元件。下面描述实施例以便参考附图来解释本发明。
现在将参考附图来更全面地描述本发明的各个方面,其中示出了本发明的示例性实施例。附图中相同的附图标记指代相同的元件,因此省略对它们的描述。另外,当在描述本发明的各个方面时确定一构造的相关已知功能或详细描述可能使本发明的关键点模糊时,将省略对其的详细描述。
图1是根据本发明实施例的切换模式电源装置的电路图。在目前实施例中,将描述具有一个输出的切换模式电源装置。然而,切换模式电源装置可被构造成根据操作环境和需要而输出N个输出功率(其中N是自然数)。如果有N个输出,则变压器包括N个次级线圈,并且次级输出电路可以分别连接到N个次级线圈。
如图1所示,切换模式电源装置包括变压器T,该变压器T包括初级线圈L1和次级线圈L2,该次级线圈L2相对于初级线圈L1具有预定的绕组比。初级电路连接到初级线圈L1,并且输出电路连接到次级线圈L2。这里,初级电路和输出电路通过变压器T而彼此绝缘。
初级电路包括:主开关Qi;脉宽调制(PWM)控制器30,用于使用PWM信号来控制主开关Qi;和无源箝位电路10,用于执行箝位操作,从而抑制主开关Qi的电压应力。
响应于PWM控制器30施加到主开关Qi的PWM信号,主开关Qi执行切换操作,以便控制变压器T的能量充电或传递操作。主开关Qi可被实现为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),如图1所示,但是不限于此。PWM控制器30可以反馈回输出电路的输出电压,以便控制主开关Qi的切换操作。
输出电路包括整流器20,用于对传递到变压器T的次级线圈L2的电源进行整流。根据本发明的多方面,整流器20被实现为包括二极管D2和电容器C2的半波整流器电路;然而,整流器20不限于此,因此可以使用其他类型的整流器电路,例如全波整流器电路。可以在电容器C2的两端形成输出一输出电压Vo的输出端。
无源箝位电路10被构造成执行箝位操作并且包括箝位二极管Dc、箝位电容器Cc、电阻器Rc和开关S,该开关S接通或断开该无源箝位电路10。参考图1,箝位电容器Cc和电阻器Rc彼此并联连接。箝位电容器Cc和电阻器Rc中的每一个的一端连接到输入电压Vi的正端,箝位电容器Cc和电阻器Rc中的每一个的另一端连接到箝位二极管Dc的负端。箝位二极管Dc的阳极端经由开关S连接到主开关Qi的漏极端。
箝位二极管Dc、箝位电容器Cc和电阻器Rc执行的箝位操作如下。即,当箝位二极管Dc被开关S接通时,电流流经无源箝位电路10,并且主开关Qi的两端的电压被固定为一个值,该值是通过将输入电压Vi和箝位电容器Cc的两端处的电压相加而获得的。另外,当箝位二极管Dc被开关S断开时,箝位电容器Cc中存储的磁化能量在箝位二极管Dc接通的同时消耗在电阻器Rc上。当开关S接通时,执行箝位操作。当开关S断开时,电流不流经无源箝位电路10,因此不执行箝位操作。
控制电路40在切换模式电源装置的正常操作模式下接通开关S,而在备用模式下断开开关S。结果,控制电路40在正常操作模式下启动无源箝位电路10的箝位操作,而在备用模式下禁止无源箝位电路10的箝位操作。开关S可以使用光电耦合器、双极结晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等来实现。如果使用光电耦合器来实现开关S,则控制电路40可以包括光电二极管,并且开关S可以是光电晶体管。
切换模式电源装置的备用模式是一种被设置成消耗最小功率的模式,并且可以是其中施加非常小的负载给输出电路的输出端的情况或者其中根据从控制设备(例如,位于切换模式电源装置外部的微计算机,即,外部控制设备)输出的控制信号设置备用模式的情况。
图2是根据本发明另一实施例的切换模式电源装置的电路图。参考图2,根据目前实施例的切换模式电源装置与图1所示的切换模式电源装置的不同之处在于用于接通或断开无源箝位电路的开关的位置。也就是,用于接通或断开无源箝位电路10A的开关S连接于输入电压Vi的正端与彼此并联连接的箝位电容器Cc和电阻器Rc之间。切换模式电源装置的其他构造和详细操作与图1所示的切换模式电源装置的基本相同,因此将省略对其的描述。
图3是根据本发明另一实施例的切换模式电源装置的电路图。参考图3,根据目前实施例的切换模式电源装置与图1和2所示的切换模式电源装置的不同之处在于用于接通或断开无源箝位电路的开关的位置。也就是,用于接通或断开无源箝位电路10B的开关S连接于彼此并联连接的箝位电容器Cc和电阻器Rc与二极管Dc之间。切换模式电源装置的其他构造和详细操作与图1所示的切换模式电源装置的基本相同,因此将省略对其的描述。
图4是根据本发明实施例的包括控制电路40的切换模式电源装置的电路图。根据目前实施例的控制电路40A根据输出电路的输出电压Vo生成一控制信号,用于启动或禁止无源箝位电路10的箝位操作。如先前所述,当施加非常小的负载给输出电路的输出端时,切换模式电源装置处于备用模式。施加到输出端的负载越小,则输出电压越高。在目前实施例中,如果输出电压大于预定电压,则控制电路40A被实现来禁止无源箝位电路10的操作。
控制电路40A包括:电阻器Ra1,其一端连接到输出电路的输出端;二极管Da,具有连接到电阻器Ra1的另一端的阳极;电阻器Ra2,其一端连接到二极管Da的阴极;电阻器Ra3,连接于电阻器Ra2的另一端与地之间;电阻器Ra4,其一端连接到电源电压Vcc;电阻器Ra5,其连接于电阻器Ra4的另一端与地之间;比较器42,具有连接到电阻器Ra2的另一端的(-)端和连接到电阻器Ra5的一端的(+)端;电阻器Ra6,其一端连接到比较器42的输出端;和光电二极管PC1-1,具有连接到电阻器Ra6的另一端的阳极和连接到地的阴极。
现在将参考图4来描述根据目前实施例的控制电路40A的更详细的操作。在目前实施例中,开关S使用包括光电二极管PC1-1和光电晶体管PC1-2的光电耦合器来实现。
输出电压Vo被电阻器Ra1、Ra2和Ra3按照预定的电压比被检测,并且输出电压Vo被提供给比较器42的(-)端。二极管Da阻止电流从比较器42流经输出电路的输出端。电源电压Vcc被电阻器Ra4和Ra5划分为两个电压,从而预定的参考电压被提供给比较器42的(+)端。如果按照预定的电压比检测的输出电压Vo小于预定的参考电压,则电流流经与比较器42的输出端连接的电阻器Ra6和光电二极管PC1-1。一旦电流流经电阻器Ra6,则光电二极管PC1-1发光,并且光电晶体管PC1-2接通。然而,如果按照预定的电压比检测的输出电压Vo大于预定的参考电压,则电流不流经比较器42的输出端。当电流不流经比较器42的输出端时,光电二极管PC1-1不发光,并且光电晶体管PC1-2截止。因此,如果输出电压Vo大于预定电压,则光电晶体管PC1-2截止,并且无源箝位电路10的箝位操作被禁止。
输出电压反馈电路50将有关输出电压Vo的信息反馈回PWM控制器30。输出电压反馈电路50包括:电阻器Ra1,其一端连接到输出电路的输出端;光电二极管PC2,具有连接到电阻器Ra1的另一端的阳极;分路调节器SR,具有与光电二极管PC2的阴极连接的阴极以及连接到地的阳极;电阻器Rf1,其连接于输出电路的输出端与分路调节器SR的参考端之间;电阻器Rf3,连接于分路调节器SR的参考端与地之间;以及电阻器Rf2和电容器Cf,它们串联连接在光电二极管PC2的阴极与电阻器Rf3的一端之间。由于这样的构造,光电二极管PC2输出与关于输出电压的信息对应的信号,尽管未示出,但是信号经由光电晶体管和光电二极管PC2被发送到PWM控制器30。
图5是根据本发明另一实施例的包括控制电路40的切换模式电源装置的电路图。根据目前实施例的控制电路40B根据流经初级电路的电流,即流经主开关Qi的电流,生成一控制信号,用于启动或禁止无源箝位电路10的箝位操作。当切换模式电源装置处于备用模式时,流经初级电路的电流极大地减小。因此,电阻器Rb1被放置在主开关Qi与地之间,用于检测流经主开关Qi的电流。在这种情况下,流经主开关Qi的电流越小,则施加到电阻器Rb1的两端的电压越小。在目前实施例中,如果施加到电阻器Rb1两端的电压小于预定电压,则可以禁止无源箝位电路10的操作。
控制电路40B包括:电阻器Rb1,其一端连接到主开关Qi,其另一端连接到地;电阻器Rb2,其一端连接到电阻器Rb1的一端;电阻器Rb3,连接于电阻器Rb2的另一端与地之间;电阻器Rb4,其一端连接到电源电压Vcc;电阻器Rb5,其连接于电阻器Rb4的另一端与地之间;比较器44,具有连接到电阻器Rb2的另一端的(-)端和连接到电阻器Rb4的另一端的(+)端;电阻器Rb6,其一端连接到比较器44的输出端;和光电二极管PC3-1,具有连接到电阻器Rb6的另一端的阳极和连接到地的阴极。
现在将参考图5来描述根据目前实施例的控制电路40B的更详细的操作。在目前实施例中,开关S使用包括光电二极管PC3-1和光电晶体管PC3-2的光电耦合器来实现。然而,开关S不限于此。
施加到电阻器Rb1两端的电压被电阻器Rb2和Rb3按照预定的电压比被检测,并且被提供给比较器44的(+)端。电源电压Vcc被电阻器Rb4和Rb5划分为两个电压,从而预定的参考电压被提供给比较器44的(-)端。如果按照预定的电压比检测的并且被施加到电阻器Rb1两端的电压大于预定的参考电压,则电流流经与比较器44的输出端连接的电阻器Rb6和光电二极管PC3-1。因此光电二极管PC3-1发光,并且光电晶体管PC3-2接通。然而,如果按照预定的电压比检测的并且施加到电阻器Rb1两端的电压小于预定的参考电压,则电流不流经比较器44的输出端。因此,光电二极管PC3-1不发光,并且光电晶体管PC3-2截止。因此,如果施加到电阻器Rb1两端的电压小于预定电压,即,如果流经主开关Qi的电流小于预定的电流,则光电晶体管PC3-2截止,并且无源箝位电路10的箝位操作被禁止。
图6是根据本发明另一实施例的包括控制电路40的切换模式电源装置的电路图。根据目前实施例的控制电路40C根据从诸如切换模式电源装置外部放置的微计算机之类的控制设备输出的控制信号,生成用于启动或禁止无源箝位电路10的箝位操作的控制信号。
图6所示的备用模式信号是在切换模式电源装置外部放置的控制设备中生成的信号,并且指示当前模式是否是备用模式。例如,如果备用模式信号处于高状态,则状态备用模式信号指示正常操作状态,如果备用模式信号处于低状态,则备用模式信号指示备用模式状态。
控制电路40C包括:电阻器Rc,其一端连接到输出电路的输出端的一端,并且其另一端连接到控制设备的备用模式信号输出端;和光电二极管PC4-1,其阳极连接到电阻器Rc的另一端以及其阴极连接到地。
现在将参考图6来描述根据目前实施例的控制电路40C的更详细的操作。在目前实施例中,开关S使用包括光电二极管PC4-1和光电晶体管PC4-2的光电耦合器来实现;然而开关S不限于此。如果备用模式信号处于指示正常操作状态的高状态,则电流流经光电二极管PC4-1,光电二极管PC4-1发光,并且光电晶体管PC4-2接通。然而,如果备用模式信号处于指示备用操作状态的低状态,则电流不流经光电二极管PC4-1,光电二极管PC4-1不发光,并且光电晶体管PC4-2截止。因此,当从放置于切换模式电源装置外部的控制设备输出的备用模式信号指示备用模式状态时,光电晶体管PC4-2截止,并且禁止无源箝位电路10的箝位操作。
图7是根据本发明实施例的切换模式供电方法的流程图。参考图7,根据目前实施例的切换模式供电方法包括以图4至图6所示的控制电路40A、40B、40C中的时序处理的操作。因此,图4至图6所示的控制电路40A、40B、40C的上面描述在根据目前实施例的切换模式供电方法的情况下也是有效的。
在操作71,控制电路40确定当前模式是否是备用模式。备用模式是一种其中消耗最小功率量的模式。控制电路40确定非常小的负载被施加到输出电路的输出端的情况(即,图4和图5)或者备用模式根据从控制设备(例如,放置于切换模式电源装置外部的微计算机(即,图6))输出的控制信号被设置作为备用模式的情况。
在操作72,如果在操作71确定当前模式是正常模式(不是备用模式),则控制电路40接通开关S、PC1-2、PC3-2、PC4-2,以便启动无源箝位电路10、10A、10B、10C、10D、10E的箝位操作。
在操作73,如果在操作71确定当前模式是备用模式,则控制电路40截止开关S、PC1-2、PC3-2、PC4-2,以便禁止无源箝位电路10、10A、10B、10C、10D、10E的箝位操作。
如上所述,根据本发明的各方面,无源箝位电路的箝位操作在切换模式电源装置的备用模式中不执行,从而电流不流经无源箝位电路的电阻器。因此,由于在无源箝位电路中不消耗功率,因此切换模式电源装置中消耗的功率可能被显著地减少。
由于在备用模式中流经初级电路的电流非常小,因此被存储为变压器的漏电感或磁化电感的能量非常小,并且在主开关两端生成的电压峰值足够小。因此,即使在备用模式中不执行无源箝位电路的箝位操作,也不生成开关元件的电压应力。类似地,根据本发明的各方面,无源箝位电路在切换模式电源装置的正常操作状态下执行箝位操作,因此可以抑制主开关的电压应力,并且无源箝位电路的箝位操作在备用模式下禁止,从而可以显著地减少备用模式中的功率消耗。
尽管已经考虑本发明的示例实施例示出并描述了本发明,但是本领域的普通技术人员应当理解并且随着技术发展,在不背离本发明的真实范围的情况下,可以进行各种变化和修改,并且可以用等效物替代其元件。许多修改、置换、添加和子组合可被进行来将本发明的示教适用于特定形势,而不背离本发明的范围。例如,尽管开关有时被描述为MOSFET或者光电耦合器,但是开关不限于此,从而开关可以是任何形式的可控电流中断设备。因此,往往本发明不限于所描述的各个示例实施例,本发明包括落入所附权利要求的范围之内的所有实施例。
相关申请的交叉参考
本申请要求在35U.S.C§119下生成的、于2007年8月13日提交的韩国专利申请No.2007-81437的所有权益,其全部内容通过引用融入本文。

Claims (23)

1.一种切换模式电源装置,包括:
变压器,其具有连接到电源的初级线圈和连接到输出电路的次级线圈;
主开关,用于在备用模式和正常模式两者中控制从电源提供给变压器的初级线圈的功率;
脉宽调制PWM控制器,用于使用PWM信号来控制主开关,
放置于主开关和变压器的初级线圈之间的无源箝位电路,用于执行箝位操作以抑制主开关的电压应力,其中无源箝位电路包括开关,用于在控制电路的控制下接通或断开该无源箝位电路;以及
控制电路,用于在正常模式中接通开关以启动无源箝位电路的箝位操作,并且在备用模式中断开开关以禁止无源箝位电路的箝位操作,从而功率在无源箝位电路中被消耗,开关在正常模式中总是接通以及在备用模式中总是断开,
其中在备用模式和正常模式两者中主开关独立于该开关来控制提供的功率,切换模式电源装置的备用模式是消耗最小非零功率的模式。
2.如权利要求1所述的装置,其中开关是光电耦合器。
3.如权利要求1所述的装置,其中无源箝位电路包括:
并联连接的箝位电容器和电阻器;和
连接到主开关的箝位二极管,
其中,当箝位二极管接通时,电阻器消耗箝位电容器中存储的能量。
4.如权利要求1所述的装置,其中无源箝位电路包括:
并联连接的箝位电容器和电阻器;和
与并联的箝位电容器和电阻器串联连接的箝位二极管。
5.如权利要求4所述的装置,其中开关连接于主开关和箝位二极管之间。
6.如权利要求4所述的装置,其中开关连接于箝位二极管与并联的箝位电容器和电阻器之间。
7.如权利要求4所述的装置,其中开关连接于将电压提供给初级线圈的电压输入端与并联的箝位电容器和电阻器之间。
8.如权利要求1所述的装置,其中控制电路根据输出电路的输出电压来生成控制信号以禁止无源箝位电路的箝位操作。
9.如权利要求8所述的装置,其中控制电路将输出电压与预定的参考电压进行比较,并根据比较结果生成控制信号以禁止无源箝位电路的箝位操作。
10.如权利要求9所述的装置,其中,如果输出电压大于预定的参考电压,则控制电路禁止箝位操作。
11.如权利要求1所述的装置,其中控制电路还包括:
连接到主开关和电压源的电阻器,
其中控制电路将电阻器两端的电压与预定的参考电压进行比较,并根据比较结果生成控制信号以禁止无源箝位电路的箝位操作。
12.如权利要求11所述的装置,其中,如果电阻器两端的电压小于预定的参考电压,则控制电路禁止箝位操作。
13.如权利要求1所述的装置,其中控制电路根据从切换模式电源装置的外部生成的、指示备用模式的信号来生成控制信号以禁止无源箝位电路的操作。
14.如权利要求1所述的装置,其中控制电路是脉宽调制控制器。
15.如权利要求1所述的装置,其中输出电路是整流器。
16.如权利要求15所述的装置,其中整流器是半波整流器电路。
17.一种切换模式供电方法,包括:
在备用模式和正常模式两者中通过一主开关独立于一开关来控制功率,切换模式电源装置的备用模式是消耗最小非零功率的模式;
确定该切换模式电源装置是否处于备用模式;和
如果切换模式电源装置处于备用模式,则通过该开关禁止切换模式电源装置的无源箝位电路的箝位操作从而功率在无源箝位电路中被消耗,该开关在正常模式中总是接通以及在备用模式中总是断开。
18.如权利要求17所述的方法,其中根据从外部控制设备输出的控制信号来确定备用模式。
19.如权利要求17所述的方法,还包括:
如果切换模式电源装置不处于备用模式,则启动无源箝位电路的箝位操作。
20.如权利要求17所述的方法,其中确定备用模式包括:
确定切换模式电源装置的输出电压;和
将所确定的输出电压与预定的参考电压进行比较。
21.如权利要求20所述的方法,禁止箝位操作包括:
如果所确定的输出电压大于预定的参考电压,则生成断开无源箝位电路的开关的信号,以便禁止无源箝位电路的箝位操作。
22.如权利要求17所述的方法,其中确定备用模式包括:
确定流经切换模式电源装置的主开关的电流;
确定与所确定的电流对应的相应电压;和
将所确定的相应电压与预定的参考电压进行比较。
23.如权利要求22所述的方法,禁止箝位操作包括:
如果所确定的相应电压小于预定的参考电压,则生成断开无源箝位电路的开关的信号,以便禁止无源箝位电路的箝位操作。
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