CN101727121A - 供电控制器以及方法 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，一个供电控制器被配置来以多个增益放大一个反馈信号以及一个电压参考信号，所述多个增益在所述供电控制器的操作频率上基本恒定。

Description

供电控制器以及方法

本申请是申请号为200510085948.2、申请日为2005年7月21日、发明名称为“供电控制器以及方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及电子技术，更确切的，涉及形成半导体电路的方法。

背景技术

过去，半导体工业利用多种方法和电路来形成一个供电控制系统的误差放大器。技术的发展增加了对更有效和更准确的供电控制系统的需求。通常，系统需要能够在诸如一个微型计算机的一个外部控制系统的控制下，改变所述供电系统的输出电压值。所述外部控制系统一般向所述供电控制系统发送一个信号，以改变所述输出电压的值。图1表示了一个典型现有供电控制系统10的一个误差放大器。系统10具有一个PWM控制部分17、一个功率驱动级18、一个误差放大器14、以及一个参考电压16。误差放大器14除了一个补偿和增益控制网络外还包括一个运算放大器15，所述网络包括一个第一阻抗12和一个第二阻抗13。阻抗12和13一般包括电阻和电容，它们被用来为施加到放大器14上的所述输入电压(Vin)的变化提供高频率稳定性。这些供电控制器所具有的一个问题是准确性。通常，当所述控制系统请求所述输出电压值的一个变化时，所述误差放大器电路具有跟踪误差，所述跟踪误差导致所述输出电压具有不准确和不稳定的改变。这样的不准确和不稳定有害的影响了使用所述供电控制系统输出电压的所述控制系统的操作。

发明内容

从而，我们期望有一个供电控制器，它没有跟踪误差，它能够准确改变所述输出电压的值，以及它在所述输出电压改变中维持稳定性。

附图说明

图1示意性的表示了一个现有技术供电控制系统一部分的一个实施例；

图2示意性的表示了根据本发明的一个供电控制系统一部分的一个实施例；以及

图3示意性的表示了根据本发明的图2所述供电控制系统的一个可替换实施例的一部分；以及

图4示意性的表示了一个半导体设备的一个实施例一部分的一个放大平面图，其包括根据本发明的图2所示的供电控制器。

具体实施方式

为了说明的简洁和清晰，所述图中的元件没有必要是按比例的，并且，不同图中相同的附图标记代表相同的元件。此外，为了描述的简洁，熟知步骤和元件的描述和细节被省略。如这里所用的，电流承载电极指的是承载了通过一个设备的电流的该设备的元件，例如一个MOS晶体管的一个源极或一个漏极，或者一个双极型晶体管的一个收集极，以及，一个控制电极指的是控制了通过所述设备电流的所述设备的元件，例如一个MOS晶体管的一个栅极，或者一个双极型晶体管的一个基极。尽管所述设备在这里被解释或描述成特定N沟道或P沟道设备，但本领域中熟悉技术的一个人将理解，互补的设备根据本发明也是可能的。

图2示意性的表示了一个供电控制系统25的一部分的实施例，其准确并且稳定的改变系统25的一个输出电压，以响应系统25的一个参考电压的变化，以及响应系统25所述输出电压的变化。系统25包括一个差分误差放大器45，其在系统25形成的所述PWM控制信号的操作频率上，为一个反馈信号以及所述参考电压的变化提供一个基本恒定的增益。正如下面将要看到的，该功能对系统25有利，其能够准确的、稳定的、并且可预测的控制所述输出电压的值。

系统25在一个功率输入26和一个功率返回27之间接收电功率，并且在一个输出电压端28和输出公共端29之间提供一个输出电压。系统25的一个电源控制器41被形成和配置来控制所述输出电压的值。系统25一般包括能量存储电感33和34，一个能量存储电容35，一个第一功率开关或功率晶体管36，一个第二功率开关或功率晶体管37，一个第一电流传感电阻38，一个第二电流传感电阻39，以及二极管31和32。晶体管36和37最好是MOS功率晶体管，其被连接到各自电感33和34，以提供一个充电电流来给电容35充电，以及在端28和29之间形成输出电压。在其它实施例中，所述功率开关可以是一个双极型晶体管，或者能够使得充电电流流过以及不流过电感33和34的其它类型的开关。电流传感电阻38和39分别形成了一个第一电流传感信号和一个第二电流传感信号，其是所述充电电流的代表。在系统25的优选实施例中，所述反馈信号的值很小，从而一个差分反馈信号被用来提高系统25的噪声免疫力以及准确性。在该优选实施例中，端28和29之间的所述输出电压被接收为一个差分反馈(FB)信号或者控制器41的反馈输入86和89之间的反馈信号。该差分反馈信号是所述输出电压的代表。在其它实施例中，所述反馈信号可以是单端的，并且被仅仅施加到输入86，从而，电阻70和输入89将被省略。晶体管36和37、电阻38和39、二极管31和32、以及电感33和34一般在控制器41外部，尽管在一些情况下，晶体管36和37可以是控制器41的一部分。

控制器41包括差分误差放大器45、一个补偿放大器55、一个电压参考产生器或参考43、减法电路或减法器44和51、一个求和电路63、电流传感放大器52和53、一个缓冲器64、一个第一脉冲宽度调制(PWM)控制器或PWM控制器66、一个第二PWM控制器73、一个第一功率开关驱动器71、以及一个第二功率开关驱动器78。控制器41一般还包括一个内部调节器42，其被形成来提供一个内部操作电压以用于控制器41中的元件，包括差分误差放大器45、补偿放大器55、PWM控制器66、PWM控制器73、以及参考43。尽管为了图的清晰没有示出，调节器42一般被连接在控制器41的一个功率输入88和一个功率返回87之间。返回87一般被连接到返回27。在系统25的所述优选实施例中，返回27被连接到端29，从而所述输出电压被参照到功率返回27。在其它实施例中，所述输出电压可以与所述输入电压隔离，以及端29将与返回27相隔离。参考43在参考43的一个输出上提供了一个参考电压。所述参考电压的值可以通过控制器41的多个控制输入30来从控制器41外部被改变。通常，输入30是被参考43接收的数字信号。改变输入30上信号的值就改变了参考43所述输出上的参考电压的值。

系统25被表示具有多个功率控制通道，这包括一个第一功率控制通道，其包括控制器66、驱动器71、以及晶体管36和电感33的一个第一功率级，以及一个第二功率控制通道，其包括控制器73、驱动器78、以及晶体管37和电感34的一个第二功率级。来自所述PWM控制器的PWM控制信号一般被形成来在不同的时间使能功率开关，并且通常被称作以不同的相位操作。在其它实施例中，系统25可以具有多于两个的功率控制通道或者可以只具有一个。PWM控制器66包括一个PWM比较器67、一个PWM斜坡产生器或斜坡电路68、以及一个PWM锁存器69。类似的，PWM控制器73包括一个PWM比较器74、一个斜坡产生器或斜坡电路75、以及一个PWM锁存器76。斜坡68以及75产生被用来设定各自锁存器69和76的一个时钟信号，并且还产生被施加到各自比较器67和74的一个输入的斜坡信号。设定锁存器69和76驱使驱动器71和78的输出提高到足以分别使能晶体管36和37。比较器67和74的输出被用来清除各自的锁存器69和76，并且开始禁用各自的晶体管36和37。控制器66和73在各自锁存器69和76的一个Q输出产生PWM控制信号，其被用来控制各自的晶体管36和37。晶体管驱动器71和78从各自的控制器66和73接收所述PWM控制信号，并且形成各自的第一和第二PWM驱动信号以使得各自的晶体管36和37能够和不能够工作。所述第一和第二PWM驱动信号一般被耦合到控制器41各自的第一和第二驱动输出77和79。所述PWM控制器、晶体管驱动器、PWM控制信号、以及PWM驱动信号对本领域中普通技术人员是熟知的。电流传感放大器52和53被配置来在各自的电阻38和39之间接收所述电流传感信号，并且在各自放大器52和53的输出上相应的形成各自的第一和第二电流反馈信号。求和电路63接收所述第一和第二电流反馈信号，并且相应的对它们求和以在电路63的一个输出形成一个复合电流反馈信号。所述复合电流反馈信号被一个缓冲器64所缓冲。如下文中将要看到的，所述复合电流反馈信号被放大器55所使用。

在如图1所示的所述典型现有技术供电系统中，一个反馈电压一般被施加到一个放大器的一个输入，以及一个参考电压被施加到相反的输入以形成一个误差电压。所述放大器的信号补偿导致所述反馈信号被放大一个增益，所述增益随着频率有一个变化，其与用来放大所述参考电压的增益的频率依赖性不同。如果所述参考电压改变了，那么所述参考电压的所述改变就被放大一个增益，所述增益随频率变化，这与用来放大所述反馈信号的增益不同。所述不同的频率依赖性导致了在所述输出电压中的跟踪误差，其被作为所述参考电压值变化的一个结果。参考图1中的现有技术系统，阻抗12和13的值给了控制器10的控制回路一个相移，其在更高的频率提供了稳定性。然而，阻抗12和13的值还决定了施加到放大器14上的所述输入电压(Vin)的增益。放大器14的传输函数被表示为：

Vout＝Vref((Z2/Z1)+1)-Vin(Z2/Z1)

其中：

Vout-是放大器14的输出电压的值；

Vin-是施加到放大器14的输入电压的值；

Z1-是阻抗12的值；

Z2-是阻抗13的值；以及

Vref-是参考电压16的值。

放大器14的所述传输函数表示了放大器14在不同的频率不相等的放大了所述输入电压的值和所述参考电压的值。从而，当所述参考电压的值改变时，所述改变没有对所述误差放大器的输出电压带来与所述输入电压的改变相同程度的影响。对所述参考电压与所述输入电压的放大的这个差异通常被称为跟踪误差。每当所述参考电压改变时，所述供电控制器的控制回路具有与输入电压改变时不相同的一个响应时间和衰减因子。例如，所述控制回路对所述参考电压的变化可能已经是欠阻尼，但对所述输入电压的变化可能已经是临界阻尼了。只要参考电压改变，所述不同的控制回路响应导致在所述供电系统中具有一个不稳定输出电压，其具有对所述输出电压期望值的一个大的变化。从而，在一个所述参考电压周期性变化的系统中，所述输出电压的调整不够。

反过来参考图2，我们已经发现，除了提高系统25的所述输出电压的稳定性和准确性之外，配置所述误差放大器来对所述参考电压和所述反馈信号两者在控制器41的操作频率上具有基本恒定的增益还提高了系统25的瞬态响应。从而，差分误差放大器45被配置来对所述参考电压(Vref)和所述反馈(FB)信号两者在来自控制器66和73的所述PWM控制信号的操作频率范围上具有基本恒定的增益。通过这样一个配置，所述参考电压值的改变和所述FB信号的改变的效果在所述操作频率上是恒定的，从而控制器41，包括PWM控制器66和73，就以相同的方式调整所述输出电压的值，以响应所述参考电压值的变化和所述输出电压值的变化。所述几乎恒定的增益一般是在从直流到二十(20)MHz的一个频率范围上，并且最好是在从直流到至少十(10)Mhz的一个频率范围上。在所述优选实施例中，放大器45在该频率范围上具有单位增益。

差分误差放大器45在放大器45的所述反相和非反相输入之间接收所述差分反馈(FB)信号。所述反馈信号通过电阻48被参照到返回87，以及所述参考电压通过电阻50被参照到返回87。这样，放大器45从所述反馈信号的值减去所述参考电压的值，并且相应的放大所述参考电压的值与所述反馈信号的值之间的差别。差分误差放大器45包括一个运算放大器46、一个第一增益电阻47、一个第二增益电阻48、一个第三增益电阻49、以及一个第四增益电阻50。电阻47、48、49、50和70被选择来从所述反馈信号和所述参考电压向所述错误信号提供所述增益的期望值。所得到的放大器45的传输函数是：

ES＝(FB1(R50/(R50+R49)))(1+(R48/R47)+(R48/R70))-FB2(R48/R70)-Vref(R48/R47)

其中：

ES-是放大器45输出电压的值；

FB1-是施加到输入86的相对返回87的所述反馈信号的值；

FB2-是施加到输入89的相对返回87的所述反馈信号的值；

Vref-是施加到放大器45的第二输入的所述参考电压的值；

R47-是电阻47的值；

R48-是电阻48的值；

R49-是电阻49的值；

R50-是电阻50的值；以及

R70-是电阻70的值。

所述目标是要配置放大器46以及电阻47-50和70，从而使得对于所述FB信号改变的增益以及对于所述参考电压改变的增益在所述PWM控制信号的操作频率上是恒定的。然而，如本领域中熟知的，总是存在较小的差异阻碍所述增益完全相等。本领域中公认，最多到大约百分之十(10％)的差异都被认为是离精确恒定的理想目标的合理差异。在形成在一个半导体基片上的控制器41的实施例中，电阻47-50和70一般是在所述半导体基片内部的，但在一些实施例中可以在外部。

补偿放大器55包括具有一个频率补偿网络的一个放大器56，所述补偿网络包括第一阻抗57和第二阻抗58，它们都被选择来为所述系统25的控制回路提供高频稳定性，以及在低频提供一个高增益以为系统25提供好的直流调整。在形成于一个半导体基片上的控制器41的所述实施例中，阻抗部件Z1和Z2一般是在所述半导体基片外部。补偿放大器55从差分误差放大器45接收所述误差信号(ES)，并且补偿所述信号来形成一个被补偿信号(CS)，其提供了产生所述期望的稳定性所必需的极点和零点。从而，放大器55在控制器41的所述操作频率范围的至少一部分上，对所接收的ES信号施加一个带有频率的变化相位。来自补偿放大器55输出的所述被补偿信号(CS)被减法器44和51接收，其减去了各自第一和第二电流反馈信号的值，从而对控制器41提供系统25的通道之间的强制电流共享以及提高的输出电压稳定性。来自减法器44和51的电流校正信号分别被控制器66和73的各自的比较器67和74接收。所述电流校正信号的值设定了一个值，比较器67和74在该值处清除各自的锁存器69和76，并且开始禁用各自的晶体管36和37。

来自缓冲器64所述输出的求和电流传感信号被第三阻抗59接收，并且阻抗59的输出与所述补偿信号(CS)求和，以在所述补偿信号(CS)中包括所述电流控制信息。第三阻抗59也是放大器55的一部分。阻抗57和58的值被选择来为补偿放大器55提供所期望的高频稳定性和高直流增益。阻抗59的值被选择来为系统25提供一个被控的输出阻抗。这样的求和电路和缓冲器对本领域中熟悉技术的人是熟知的。在一些实施例中，电路63、缓冲器64、以及阻抗59可以被省略来配置仅具有电压模式控制的控制器41。可以看到，形成放大器45来从所述误差信号中减去所述参考电压，以及形成放大器55来提供分离的信号补偿，允许了放大器45用一个第一增益放大所述参考电压的变化，所述第一增益在所述操作频率上基本恒定，并且允许用一个第二增益放大所述反馈信号的变化，所述第二增益在所述操作频率上基本恒定。此外，阻抗57、58和59所提供的频率补偿能够被改变和修改，而不影响所述参考电压和所述反馈电压之间的增益与频率的关系。所得到的放大器45的传输函数为：

ES＝(R50(((FB(86)(R54))+((Vof)(R49)))/(((R50)(R54))+((R49)(R50))

+((R49)(R54)))))(1+(R48/R47)+(R48/R70))-FB(89(R48/R70)-Vref(R48/R47)。

其中

ES-是放大器45的输出电压值；

FB-是施加到输入86相对于返回87的所述反馈信号的值；

FB2-是施加到输入89相对于返回87的所述反馈信号的值；

Vref-是施加到放大器45的所述第二输入的所述参考电压的值；

R47-是电阻47的值；

R48-是电阻48的值；

R49-是电阻49的值；

R50-是电阻50的值；

R70-是电阻70的值；以及

Vof-是所述偏置电压的值。

为了提供前面所述的功能，放大器46的一个反相输入被公共接到电阻47、70和48的一个第一端。电阻70的一个第二端被连接到控制器41的输入89。电阻48的一个第二端被连接到放大器46的所述输出和阻抗57的一个第一端。电阻47的一个第二端被连接到参考43的所述输出。放大器46的一个非反相输入被公共的接到电阻49和50的一个第一端。电阻49的一个第二端被连接到反馈输入86，以及，电阻50的一个第二端被连接到返回87。调节器42的一个输入被连接到控制器41的输入88。阻抗57的一个第二端被公共连接到放大器56的一个反相输入、阻抗59的一个第一端、以及阻抗58的一个第一端。阻抗58的一个第二端被公共连接到放大器56的所述输出、减法器44的一个第一输入、以及减法器51的一个第一输入。阻抗59的一个第二端被连接到缓冲器64的一个输出，缓冲器64具有连接到电路63一个输出的一个输入。减法器44的一个第二输入被公共连接到电路63的一个第一输入和放大器52的一个输出。减法器44的一个输出被连接到比较器67的所述反相输入。减法器51的一个第二输入被公共连接到电路63的一个第二输入和放大器53的一个输出。减法器51的一个输出被连接到比较器74的所述反相输入。比较器67的一个非反相输入被连接到斜坡电路68的一个第一输出，以及，比较器67的一个输出被连接到锁存器69的一个复位输入。锁存器69的一个设定输入被连接到斜坡电路68的一个第二输出，以及，锁存器69的一个Q输出被连接到驱动器71的一个输入。驱动器71的输出被连接到控制器41的输出77。比较器74的一个非反相输入被连接到斜坡电路75的一个第一输出，比较器74的一个输出被连接到锁存器76的一个复位输入。锁存器76的一个设定输入被连接到斜坡电路75的一个第二输出。锁存器76的一个Q输出被连接到驱动器78的一个输入，以及驱动器78的一个输出被连接到控制器41的一个输出79。控制器41的输入30被连接到参考43的所述输入。控制器41的输出77被连接到晶体管36的栅极，其具有连接到输入26的一个漏极，以及公共连接到二极管31的第一端和电感34的第一端的一个源极。控制器41的输出79被连接到晶体管37的一个栅极，其具有连接到输入26的一个漏极，以及公共连接到电阻39的第一端和电感34的第一端的一个源极。电感33和34的第二端被连接到各自电阻38和39的第一端，以及各自放大器52和53的一个非反相输入。电阻38和39的第二端被连接到放大器52和53的各自的反相输入，以及连接到端28。二极管31和32的第二端被连接到端29。

图3示意性的表示了具有一个供电控制器81的一个供电系统80的一个实施例的一部分，其是系统25和控制器41各自的可替换实施例。控制器81具有被加到控制器41上的一个偏置电压产生器61。偏置电压产生器61形成一个偏置电压，它被施加到放大器45和55以设定一个一般被称为普通模式电压的电压值，所述放大器45和55的输出围绕该电压值摇摆。例如，假设调节器42的内部操作电压大约为三(3.0)伏。在这样的一个例子中，所述偏置电压可以被设定为大约1.5伏，以及，放大器45和55的所述输出可以在所述偏置电压提供的1.5伏普通模式电压附近摇摆几个毫伏。此外，一个运算放大器82而不是放大器56被使用，从而所述偏置电压可以被加到补偿放大器55。所述偏置电压还可以通过一个求和电路60被加到被缓冲的复合电流反馈信号的值上，从而所述被缓冲的复合电流反馈信号也具有与放大器55一样的普通模式电压。作为系统25对所述参考电压值改变的响应的进一步的提高，控制器81可以被配置来向前馈送所述参考电压，并且将其加到所述补偿信号(CS)。所述参考电压被一个缓冲器65所接收。在缓冲器65的所述输出上的所述缓冲参考电压信号被施加到一个求和电路62的输入，所述求和电路将所述平均参考电压加到所述补偿信号。缓冲器65和求和电路62提供了一个参考电压前向馈送功能，从而所述参考电压的值改变得更快。对缓冲器65的输出与CS求和避免了补偿放大器55的延迟，以方便所述输出电压更好的跟踪所述参考电压的变化。这样，所述改变的量被加到所述补偿信号(CS)，其通过减法器44和51被控制器66和73接收。所述补偿信号的值的变化迅速改变了比较器67和74的输入，从而，迅速改变了晶体管36和37的状态以及端28和29之间输出电压的值。

为了提供该附加功能，缓冲器65的一个输入被连接到参考43的输出，以及，缓冲器65的一个输出被连接到求和电路62的一个第一输入。求和电路62的一个第二输入被连接到放大器56的输出，以及，电路62的一个输出被公共连接到减法器44和51的所述非反相输入。缓冲器64的输出被连接到求和电路60的一个第一输入，以及，电路60的一个输出被连接到阻抗59的所述第二端。产生器61的一个输出被公共连接到电阻54的一个第一端、电路60的一个第二输入、以及放大器56的一个非反相输入。放大器56的一个反相输入被公共连接到阻抗57的所述第二端以及阻抗58的所述第一输入。电阻54的一个第二端被连接到放大器46的所述反相输入。

图4示意性的表示了形成在一个半导体基片91上的一个半导体设备90的实施例一个部分的放大平面图。控制器14形成在基片91上。为了绘图的简洁性，基片91还可以包括没有示于图3的其它电路。控制器41和设备90通过本领域中熟悉技术的人所熟知的半导体制造技术而被形成在基片91上。

考虑到上述所有内容，很明显，一个新型设备和方法被公开。在其它特征中，所包括的是形成所述误差放大器，以频率上基本恒定的增益放大一个参考信号和所述反馈信号。所述基本恒定的增益提高了包含所述误差放大器的所述供电系统的输出电压的准确性和稳定性。

尽管本发明是通过具体的优选实施例来描述的，但很明显，许多替换和变化对熟悉半导体领域的人将是显然的。

Claims (9)

1.控制具有一个输出电压的一个供电系统的方法，包括：

产生一个代表所述输出电压的反馈信号；

耦合第一增益控制元件到一个误差放大器的第一输出来接收所述反馈信号，和耦合第二增益控制元件到所述误差放大器的第二输出来接收一个参考信号，以及使所述误差放大器以所述误差放大器的操作频率上基本上恒定的增益来放大所述参考信号和所述反馈信号，以及从所述反馈信号中减去所述参考信号，以形成一个差分信号，并且放大所述差分信号来形成一个误差信号；以及

为了频率稳定性补偿所述误差信号。

2.权利要求1的所述方法，还包括使用所述误差信号来产生PWM控制信号，以及在产生所述误差信号的步骤之后、并且在使用所述误差信号来产生所述PWM控制信号之前，为了稳定性补偿所述误差信号。

3.权利要求1的所述方法，其中耦合所述第一增益控制元件到误差放大器的第一输出来接收所述反馈信号和耦合所述第二增益控制元件到误差放大器的第二输出来接收所述参考信号包括，耦合所述第一增益控制元件以形成用于所述反馈信号的第一增益以及耦合所述第二增益控制元件以形成用于所述参考信号的第二增益，其中所述第一增益和第二增益是基本相等的。

4.权利要求1的所述方法，还包括设置参考信号发生器电路来形成所述参考信号，以及响应于控制信号而改变所述参考信号的值。

5.形成一个供电控制器的方法，包括：

耦合一个误差放大器来接收一个反馈信号，所述反馈信号是所述供电控制器的一个外部电压的代表；

耦合所述误差放大器来接收一个参考信号；

配置所述误差放大器来用一个第一增益放大所述反馈信号，以及用一个第二增益放大所述参考信号，以及从所述反馈信号减去所述参考信号以产生一个误差信号，其中所述第一增益和所述第二增益在所述供电控制器的操作频率上是基本恒定的；以及

耦合一个补偿放大器来接收所述误差信号，以及频率补偿所述误差信号来形成一个补偿后的信号。

6.权利要求5所述的方法，其中配置所述误差放大器来用所述第一增益放大所述反馈信号以及用所述第二增益放大所述参考信号，包括配置所述误差放大器来用一个第一传输函数放大所述反馈信号，以及用一个基本等于所述第一传输函数的第二传输函数放大所述参考信号。

7.权利要求5所述的方法，还包括配置所述供电控制器来用一个相移补偿所述误差信号，以形成一个补偿后的信号。

8.权利要求5所述的方法，还包括配置多个PWM控制器来接收所述误差信号，以及相应地产生多个PWM控制信号，其以不同相位进行操作以控制多个功率控制开关。

9.权利要求5所述的方法，其中耦合误差放大器来接收所述反馈信号包括，耦合第一增益控制元件到所述误差放大器的第一输出以接收所述反馈信号；以及其中耦合所述误差放大器来接收所述参考信号包括，耦合第二增益控制元件到所述误差放大器的第二输出以接收所述参考信号，以及第一增益控制元件形成用于所述反馈信号的第一增益，第二增益控制元件形成用于所述参考信号的第二增益。

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