CN101447691A - 一种外置电源和电池的切换电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外置电源和电池的切换电路及其控制方法，其应用于采用外置电源和蓄电池两种直流供电方式的设备上，该切换电路中第一开关电路串联在蓄电池输出端与供电母线之间；第二开关电路串联在外置电源输入端与供电母线之间；控制电路的多个控制信号输出端分别连接所述第一开关电路和第二开关电路的控制端。本发明通过第一开关电路将蓄电池与供电母线隔离，则避免了由于供电母线上存在静态电流，而导致的蓄电池电量降低，从而延长待机时间。而且本发明无论外置电源低于、等于或高于电池电压，均可以保证外置电源更高的供电优先级。

Description

一种外置电源和电池的切换电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及便携产品的电源控制领域，尤其涉及的是，一种外置电源和电池的切换电路及其控制方法。

背景技术

便携产品中，通常同时采用外置电源和备用电池两种供电方式，而这两种方式需要在不同的情况下进行供电的切换。现有技术中，大多数主要是采用二极管来实现外置电源和电池的隔离和切换，如图1所示。为了保证外置电源具有更高的优先级，采用这种方式时，电池电压必须低于外置电源的电压。当电池和外置电源都正常，且外置电源的电压更高时，此时D承受正向偏压导通，而D1～DN承受反向偏压截至，由外置电源给系统供电；当外置电源掉电时，系统供电自动切换到电池供电。这种供电方式存在以下几点缺点：

1.无法将电池和母线隔离开，待机时母线上的静态电流会降低待机时间。当系统长时间处于待机模式时，母线上电容的漏电流及后级电路的静态电流等增加了电池的放电电流，使得电池的待机时间会大大缩短。

2.在实行切换时，外置电源电压受限制。为了保证外置电源具有更高的优先级，外置电源的电压必须高于电池电压，以保证各个二极管的正确偏置。

3.电路损耗大。由图1中可知，当采用外置电源供电时，二极管D会产生较大损耗，且P＝VI(V为二极管的顺向压降，I为流过二极管的电流)。

因此，现有技术存在缺陷，需要进一步地改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外置电源和电池的切换电路及其控制方法，其适用于外置电源与电池的可靠切换，特别适用于便携式产品。本发明在电池电压低于、等于或高于外置电源电压时，均能完成切换。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明的切换电路，其应用于采用外置电源和蓄电池两种供电方式的设备上，外置电源和蓄电池都通过一供电母线给所述设备供电，该切换电路包括：第一开关电路、第二开关电路、和控制电路；所述第一开关电路串联在蓄电池输出端与所述供电母线之间；所述第二开关电路串联在外置电源输入端与所述供电母线之间；所述控制电路的多个控制信号输出端分别连接所述第一开关电路和第二开关电路的控制端，用于控制所述第一开关电路和第二开关电路在导通与断开状态之间进行切换。

其中，所述切换电路还包括：一检测单元，该检测单元用于检测外置电源与蓄电池的工作状态、以及设备的开机状态，并将检测到的信息送入到所述控制电路中。

其中，所述切换电路还包括：一热插拔电路，所述热插拔电路串联在供电母线上，且所述热插拔电路的输入端连接外置电源的输入端和蓄电池的输出端，所述热插拔电路的输出端连接所述设备。

其中，所述第一开关电路包括第一开关管，该第一开关管串联在所述蓄电池的输出端与供电母线之间，该第一开关管的控制端连接所述控制电路的一个控制信号输出端。若蓄电池中包含多个电池组或电池包，则所述第一开关电路还包括多个限流二极管，在所述蓄电池中的每个电池组或电池包都与一个二极管的阳极相连，所有限流二极管的阴极连接在一起并连接所述第一开关管的输入端；所述第一开关管的输出端连接所述供电母线。若蓄电池中只包含一个电池组或电池包，则所述第一开关电路还包括一个MOS管，该MOS管的源极连接所述第一开关管的输入端，该MOS管的漏极连接所述蓄电池的输出端，该MOS管的栅极连接所述控制电路。其中，所述第一开关管为第一MOS管；该MOS管的源极连接所有限流二极管的阴极，该MOS管的漏极连接所述供电母线；该MOS管的栅极连接控制电路的一个控制信号输出端。

其中，所述第二开关电路包括第二开关管，该第二开关管串联在所述外置电源的输入端与供电母线之间，该第二开关管的控制端连接所述控制电路的另一个控制信号输出端。其中，所述第二开关管为第二MOS管，该第二MOS管的源极连接所述供电母线，该第二MOS管的漏极连接所述外置电源的输入端；该第二MOS管的栅极连接控制电路的另一个控制信号输出端。其中，所述第二MOS管的源极和漏极之间并联一二极管，用于减小由第二MOS管内部寄生二极管正向压降所造成的损耗。

其中，所述第二开关电路还包括第三开关管，该第三开关管串联在所述供电母线与所述第二开关管的输出端之间，该第三开关管的控制端连接所述控制电路的又一个控制信号输出端。其中，所述第三开关管为第三MOS管，该第三MOS管的源极连接所述第二MOS管的源极，该第三MOS管的漏极连接所述供电母线；该第三MOS管的栅极连接控制电路的又一个控制信号输出端。

其中，所述第二开关电路还包括第三开关管，该第三开关管串联在外置电源的输入端与所述第二开关管的输入端之间，该第三开关管的控制端连接所述控制电路的又一个控制信号输出端。其中，所述第三开关管为第三MOS管，该第三MOS管的源极连接所述外置电源的输入端，该第三MOS管的漏极连接所述第二MOS管的漏极；该第三MOS管的栅极连接控制电路的又一个控制信号输出端。上述开关管均可采用全控型电力电子器件，其包括门极可关断晶闸管、电力晶闸管、电力晶体管、电力场效应管和绝缘栅双极晶体管。

上述切换电路的控制方法，所述方法按照以下步骤进行：A、检测当前外置电源输入端、蓄电池的工作状态及设备的开机状态，并将该检测信息送入到一控制电路中；B、所述控制电路根据外置电源输入端、蓄电池的工作状态及设备的开机状态，控制串联在蓄电池输出端与供电母线之间的第一开关电路、及串联在外置电源输入端与供电母线之间的第二开关电路导通或断开，使设备在外置电源和蓄电池两种供电方式之间进行切换。其中，所述步骤B中，当系统处于待机状态时，通过断开第一开关电路切断蓄电池和供电母线的连接，用于降低电池的待机放电电流。

采用上述方案，本发明通过第一开关电路将蓄电池与供电母线隔离，则避免了由于供电母线上存在静态电流，而导致的蓄电池电量降低，从而延长待机时间。而且本发明还通过第二开关电路将外接电源与供电母线隔离，先通过控制电路判断外置电源的输入电压是否正常(即外置电源电压是否在正常电压范围内)，然后再由控制电路发出控制信号，控制第二开关电路或第一开关电路开通或关断，无论外置电源低于、等于或高于电池电压，均可以保证外置电源更高的供电优先级；且可以降低系统工作和待机时的损耗，延长电池的待机时间。同时，如果本发明采用低功耗的MOS管作为开关电路中的主要器件，则当外置电源供电时，MOS管的损耗为I²R，由于可以采用导通电阻非常小的MOS管，则相对于现有技术而言，本发明的损耗将远远小于图1中二极管D的损耗。

附图说明

图1为传统的外置电源和蓄电池的切换电路原理框图；

图2是本发明技术方案中外置电源和电池的切换电路的原理框图；

图3是本发明实施例1的电路结构示意图；

图4是本发明实施例2的电路结构示意图；

图5是本发明实施例3的电路结构示意图；

图6是本发明实施例4的电路结构示意图；

图7是本发明实施例5的电路结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的较佳实施例加以详细说明。

如图2所示，本发明提供了一种外置电源和电池的切换电路，其应用于采用外置电源和蓄电池两种直流供电方式的设备上，外置电源(如图3至图7中的EDC_POWER端)和蓄电池210的输出端都通过一供电母线给所述设备供电，即由蓄电池210和外置电源得到一个公共的供电母线电压VBUS。本发明的切换电路主要包括：第一开关电路220、第二开关电路240、和控制电路230；第一开关电路220串联在蓄电池210的输出端与供电母线之间；第二开关电路240串联在外置电源输入端与供电母线之间；控制电路230的多个控制信号输出端分别连接第一开关电路220和第二开关电路240的控制端，用于控制第一开关电路220和第二开关电路240在导通与断开状态之间进行切换。例如，当有外置电源接入时，控制电路230从设备的外置电源输入端获得一用于表示外置电源接入的开关信号，就可以直接断开第一开关电路220，从而切断蓄电池与供电母线的连接，保证了外置电源的最高优先级；而当没有外置电源接入时，控制电路230不能获得上述外置电源接入的开关信号，那么第一开关电路220处于导通，从而使蓄电池为供电母线供电，保证了设备的正常工作。在这里通过第一开关电路将蓄电池与供电母线彻底隔离，避免了由于供电母线上存在静态电流，而导致的蓄电池电量降低，从而延长了蓄电池的待机时间。

如图2所示，上述切换电路还可以包括：一检测单元260，该检测单元260用于检测外置电源与蓄电池210的工作状态、以及设备的开机状态，并将检测到的信息送入到控制电路230中。控制电路230则需要监测外置电源、蓄电池或者开机信号的状态及其变化，对第一、第二开关电路220、240进行相应控制，实现对供电母线的控制，保证设备正常供电。至于如何对外置电源输入端与蓄电池210的工作状态、以及设备的开机状态进行检测，可以采用常规方法，例如当外置电源输入端有电源接入时，通过一电压检测装置检测外置电源的电压状态；对于蓄电池，则可以直接从电源管理芯片中获得相应的电池信息；而对于设备的开机状态，则可以通过检测开机开关的状态来判断。

如图2所示，上述切换电路还包括：一热插拔电路250，热插拔电路250串联在供电母线上，且热插拔电路250的输入端连接外置电源的输入端和蓄电池210的输出端，热插拔电路250的输出端连接所述供电设备。如图2所示，通常供电母线的输出端需要通过一极性电容C1接地，起到稳定电压、滤除噪声的作用，那么，上述热插拔电路250需要位于该电容C1之前。热插拔电路250可以采用型号为TPS2490/91的热插换控制器，其提供了功率限制、电流限制以及+9V至+80V的宽广操作范围等功能，具体实现电路可参见该芯片的器件应用手册。本发明采用热插拔电路250主要是为了防治冲击电流，但是防治冲击电流不局限于热插拔电路，也可以采用其他的方式。

以下将结合图3至图7具体说明本发明切换电路的具体电路图。

实施例1：如图3所示，第一开关电路220包括第一开关管，该第一开关管串联在蓄电池210的输出端与供电母线之间，该第一开关管的控制端连接控制电路230的一个控制信号输出端。若蓄电池210中包含多个电池组或电池包(BATTRRTY1～BATTRRTYN)，则第一开关电路220还包括多个限流二极管(如图3中的限流二极管D1～DN，限流二极管的个数由电池组或电池包的个数来决定)，在蓄电池210中的每个电池组或电池包都与一个二极管的阳极相连，所有与蓄电池210相连的限流二极管的阴极连接在一起并连接至第一开关管的输入端；第一开关管的输出端连接供电母线。这里的开关管可以采用全控型电力电子器件，其包括门极可关断晶闸管、电力晶闸管、电力晶体管、电力场效应管和绝缘栅双极晶体管等。如图3中，第一开关管采用的是一个P沟道的第一MOS管Q3；该MOS管Q3的源极连接所有与蓄电池相连的二极管的阴极，该MOS管Q3的漏极连接供电母线；该MOS管Q3的栅极连接控制电路230的一个控制信号输出端。而且，当蓄电池210只包括一个电池组BATTRRTY1时，图3中的二极管D1可以替换成MOS管，且MOS管内部寄生二级管方向和二极管D1的方向相同，其导通与关断受控制电路230的控制，这个技术改变也可以应用于下述其他实施例中。

如图3所示，上述第二开关电路240可以只包括一个第二开关管，该第二开关管串联在所述外置电源的输入端EDC_POWER端与供电母线之间，该第二开关管的控制端连接所述控制电路的另一个控制信号输出端。这里的开关管也可以采用全控型电力电子器件，其包括门极可关断晶闸管、电力晶闸管、电力晶体管、电力场效应管和绝缘栅双极晶体管等。图3中第二开关管采用的是一个P沟道的第二MOS管Q1，该MOS管Q1的源极连接供电母线，该MOS管Q1的漏极连接外置电源的输入端EDC_POWER；该MOS管Q1的栅极连接控制电路230的另一个控制信号输出端。此第二MOS管Q1的源极和漏极之间还并联一二极管D0，用于减小由MOS管Q1内部寄生二极管正向压降所造成的损耗。

实施例2：如图4所示，与图3所示的实施例1电路的不同之处是：第二开关电路240还包括第三开关管，该第三开关管串联在所述供电母线与所述第二开关管的输出端之间，该第三开关管的控制端连接控制电路230的又一个控制信号输出端。这里的开关管也可以采用全控型电力电子器件，其包括门极可关断晶闸管、电力晶闸管、电力晶体管、电力场效应管和绝缘栅双极晶体管等。如图4中，第三开关管采用的是一个P沟道的第三MOS管Q2，该MOS管Q2的源极连接第二MOS管Q1的源极，该MOS管Q2的漏极连接供电母线；该MOS管Q2的栅极连接控制电路230的又一个控制信号输出端。其他器件的连接方式与实施例1相同。采用MOS管Q2，可以在外置电源突然接入时抑制在MOS管Q1、二极管D0和极性电容C1上产生的冲击电流。

实施例3：如图5所示，与图3所示的实施例1电路的不同之处是：第二开关电路240还包括第三开关管，该第三开关管串联在外置电源的输入端与所述第二开关管的输入端之间，该第三开关管的控制端连接控制电路230的又一个控制信号输出端。如图5中，第三开关管采用的是一个P沟道的第三MOS管Q2，该MOS管Q2的源极连接外置电源的输入端，该MOS管Q2的漏极连接所述第二MOS管Q1的漏极；该MOS管Q2的栅极连接控制电路的又一个控制信号输出端。其他器件的连接方式与实施例1相同。

实施例4：如图6所示，在实施例2的基础上，在供电母线上串联热插拔电路250，其位于极性电容C1前，用于防治冲击电流。该实施例中，MOS管Q2的作用也是为了抑制在MOS管Q1、二极管D0和极性电容C1上产生的冲击电流。

实施例5：如图7所示，在实施例1的基础上，在供电母线上串联热插拔电路250，其位于极性电容C1前，用于防治冲击电流。同样的热插拔电路250也可以应用于图5所示的实施例3中。

从上述具体电路的分析可以看出，本发明主要用于具备两种直流供电方式的设备中，其中两种供电方式中的任何一种可以是电池、超级电容器或者是外置电源；而不仅限于本发明所提到在蓄电池和外置电源之间进行切换。本发明中的MOS管Q1、Q2和Q3还可以用N沟道MOS管或继电器或其他具有开关功能的元件替换，如门极可关断晶闸管、电力晶闸管、电力晶体管等等。本发明中所述的控制电路可以用分离器件来实现，也可以用CPLD、DSP或FPGA等其他器件实现。

如图3至图5，实施例1和实施例2、3的不同之处是，少了一个MOS管Q2，MOS管Q2可以去掉，MOS管Q1和Q3的控制方式不变，不影响电路的基本功能；但Q2去掉之后，不能抑制外置电源突然接入时在MOS管Q1、二极管D0和极性电容C1上产生的冲击电流。

以下将以实施例2的电路图为例，说明本发明的具体控制方法。

具备电池供电的便携设备一般都有两种工作模式：正常工作模式(即开机状态)和待机模式(即关机状态)，供电模式也有两种：蓄电池供电模式和外置电源供电模式，蓄电池和外置电源都正常时外置电源优先供电，因此系统供电需要根据工作模式以及蓄电池和外置电源的状态来进行相应的切换。本发明实施例2的供电切换通过图4中的控制电路控制MOS管Q1、Q2和Q3来完成，控制电路230的供电由电池和外置电源采用二极管“或”的方式(如图1所示)得到，控制电路230的功耗极小，在待机模式和正常工作模式下，控制电路一直在工作。

控制电路230对外置电源、蓄电池和开机信号等状态进行监测和判断，然后对MOS管Q1、Q2和Q3进行相应的控制。当外置电源电压在正常电压范围内时(正常电压范围需要设计者根据适配器器和电池的不间断供电切换时间要求以及供电的过压点和欠压点来综合确定)，认为外置电源正常；当电池电压在欠压保护点和过压保护点之间时，认为电池正常；开机信号可以控制系统处于开机状态还是关机状态。蓄电池和外置电源都正常时外置电源优先供电的具体控制方法见下表1。(该表默认蓄电池属于正常工作状态，如果蓄电池不正常且市电掉电时，设备就自动关机了。)

表1

 

状态	外置电源初始状态	外置电源状态变化	机器初始状态	机器工作状态变化	Q1控制	Q2控制	Q3控制
								1	不正常	不正常→正常	关机	/	开通	慢速开通	维持阻断
2	不正常	不正常→正常	开机	/	延迟开通	开通	关断
								3	不正常	/	关机	/	维持阻断	维持阻断	维持阻断

 

4	不正常	/	关机	关机→开机	维持阻断	维持阻断	慢速开通
								5	不正常	/	开机	/	维持阻断	维持阻断	维持通态
6	不正常	/	开机	开机→关机	维持阻断	维持阻断	关断
								7	正常	/	×	×	维持通态	维持通态	维持阻断
8	正常	正常→不正常	开机	/	关断	关断	延迟开通
								9	正常	正常→不正常	关机	/	关断	关断	维持阻断

(注：1、表1中“×”表示状态可以忽略。2、表中“/”表示状态不变。)

上述表1中给出了不同的开机状态、外置电源状态下时，各个MOS管的工作状态，其中“慢速开通”是为了防止MOS管开通时产生较大的冲击电流，可以借助热插拔控制芯片或采用其他方式实现，如图6和图7所示的电路。采用图6方式之后，MOS管Q2在表1中的状态1时不用慢速开通，而可以直接开通，且MOS管Q3在表1中的状态4时不用慢速开通，而可以直接开通。热插拔控制芯片通过检测MOS管的电流和漏源两端的电压，让MOS管工作在放大区来减小上电时的冲击电流，且同时还要求避免MOS管的功耗超出其本身的允许值；其中，“延迟开通”是为了避免电池电压倒灌外置电源，上述状态2中的MOS管Q1需要等MOS管Q3完全关断之后再开通，状态8中的MOS管Q3需要等MOS管Q1完全关断之后再开通；延迟时间尽量短，避免供电切换过程中出现系统掉电，至于如何延迟开通可以通过硬件实现，比如通过RC延迟电路来实现；也可以通过软件设置延迟时间来实现，这属于本领域的技术人员常用的方法。从上表可以看出，MOS管Q1、Q2和Q3不同时处于导通状态；且系统待机时，通过MOS管Q3切断电池和公共母线连接，从而可以降低电池的待机放电电流。

综上所述，与现有技术相比，本发明有以下优点：1、传统的方案是采用二极管来实现电池和外置电源的隔离和切换，损耗大，而本发明的具体电路可以采用MOS管替代二极管，其通态电阻非常小，大大降低了损耗，有效地使便携式设备具有更好的节能性能。2、当电池电压等于或高于外置电源电压时，传统二极管方案无法保证外置电源优选供电，而本发明在此时依然可以保证外置电源优先供电，准确无误的确保了外置电源供电的优先级。3、当系统处于长时间待机模式时，本发明可以通过控制MOS管Q3关断，将蓄电池和极性电容C1断开，避免了供电母线静态电流产生的电池放电，大大延长了系统的待机时间。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (16)

1、一种外置电源和电池的切换电路，其应用于采用外置电源和蓄电池两种直流供电方式的设备上，外置电源和蓄电池都通过一供电母线给所述设备供电，其特征在于，该切换电路包括：第一开关电路、第二开关电路、和控制电路；

所述第一开关电路串联在蓄电池输出端与所述供电母线之间；所述第二开关电路串联在外置电源输入端与所述供电母线之间；所述控制电路的多个控制信号输出端分别连接所述第一开关电路和第二开关电路的控制端，用于控制所述第一开关电路和第二开关电路在导通与断开状态之间进行切换。

2、根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述切换电路还包括：一检测单元，该检测单元用于检测外置电源与蓄电池的工作状态、以及设备的开机状态，并将检测到的信息送入到所述控制电路中。

3、根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述切换电路还包括：一热插拔电路，所述热插拔电路串联在供电母线上，且所述热插拔电路的输入端连接外置电源的输入端和蓄电池的输出端，所述热插拔电路的输出端连接所述设备。

4、根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述第一开关电路包括第一开关管，该第一开关管串联在所述蓄电池的输出端与供电母线之间，该第一开关管的控制端连接所述控制电路的一个控制信号输出端。

5、根据权利要求4所述的切换电路，其特征在于，若蓄电池中包含多个电池组或电池包，则所述第一开关电路还包括多个限流二极管，在所述蓄电池中的每个电池组或电池包都与一个限流二极管的阳极相连，所有限流二极管的阴极连接在一起并连接所述第一开关管的输入端；所述第一开关管的输出端连接所述供电母线。

6、根据权利要求4所述的切换电路，其特征在于，若蓄电池中只包含一个电池组或电池包，则所述第一开关电路还包括一个MOS管，该MOS管的源极连接所述第一开关管的输入端，该MOS管的漏极连接所述蓄电池的输出端，该MOS管的栅极连接所述控制电路。

7、根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于，所述第二开关电路包括第二开关管，该第二开关管串联在所述外置电源的输入端与供电母线之间，该第二开关管的控制端连接所述控制电路的另一个控制信号输出端。

8、根据权利要求7所述的切换电路，其特征在于，所述第二开关电路还包括第三开关管，该第三开关管串联在所述供电母线与所述第二开关管的输出端之间，该第三开关管的控制端连接所述控制电路的又一个控制信号输出端。

9、根据权利要求7所述的切换电路，其特征在于，所述第二开关电路还包括第三开关管，该第三开关管串联在外置电源的输入端与所述第二开关管的输入端之间，该第三开关管的控制端连接所述控制电路的又一个控制信号输出端。

10、根据权利要求5所述的切换电路，其特征在于，所述第一开关管为第一MOS管；该MOS管的源极连接所有限流二极管的阴极，其漏极连接所述供电母线，其栅极连接控制电路的一个控制信号输出端。

11、根据权利要求7所述的切换电路，其特征在于，所述第二开关管为第二MOS管，该第二MOS管的源极连接所述供电母线，其漏极连接所述外置电源的输入端；其栅极连接控制电路的另一个控制信号输出端。

12、根据权利要求11所述的切换电路，其特征在于，所述第二MOS管的源极和漏极之间并联一二极管，用于减小由第二MOS管内部寄生二极管正向压降所造成的损耗。

13、根据权利要求11所述的切换电路，其特征在于，所述第二开关电路还包括第三开关管，所述第三开关管为第三MOS管，该第三MOS管的源极连接所述第二MOS管的源极，该第三MOS管的漏极连接所述供电母线；该第三MOS管的栅极连接控制电路的又一个控制信号输出端。

14、根据权利要求11所述的切换电路，其特征在于，所述第二开关电路还包括第三开关管，所述第三开关管为第三MOS管，该第三MOS管的源极连接所述外置电源的输入端，该第三MOS管的漏极连接所述第二MOS管的漏极；该第三MOS管的栅极连接控制电路的又一个控制信号输出端。

15、一种外置电源和电池的切换电路的控制方法，其特征在于，所述方法按照以下步骤进行：

A、检测当前外置电源输入端、蓄电池的工作状态及设备的开机状态，并将该检测信息送入到一控制电路中；

B、所述控制电路根据外置电源输入端、蓄电池的工作状态及设备的开机状态，控制串联在蓄电池输出端与供电母线之间的第一开关电路、及串联在外置电源输入端与供电母线之间的第二开关电路导通或断开，使设备在外置电源和蓄电池两种供电方式之间进行切换。

16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，当系统处于待机状态时，通过断开第一开关电路切断蓄电池和供电母线的连接，用于降低电池的待机放电电流。

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