CN101867177B - 一种过压过流硬件保护电路及dc电源供电电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过压过流硬件保护电路，与采用DC电源供电的主电路配合使用，包括：电流信号检测单元：对主电路的工作电流进行采样、整流、放大及比较处理以输出第一电平信号；电压信号检测单元：对主电路的工作电压进行采样、滤波、放大及比较处理以输出第二电平信号；比较单元：在第一电平信号和第二电平信号中的任意一个为低电平时输出一触发信号；触发翻转单元：将触发信号进行翻转以产生并输出一驱动信号；封锁保护单元：在接收到驱动信号时控制切断主电路以断开DC电源。本发明还涉及一种DC电源供电电路。在主电路失效时，本过压过流硬件保护电路可微秒级快速响应，使DC电源与主回路快速断开，从而对主电路中的功率器件产生保护。

Description

一种过压过流硬件保护电路及DC电源供电电路

技术领域

本发明涉及电源保护技术领域，更具体地说，涉及一种过压过流硬件保护电路及DC电源供电电路。

背景技术

目前，DC电源的关断主要依据两种方式，第一种是大电压检测关断方式，第二种是大电流检测关断方式，下面分别进行阐述：

第一种，即大电压检测关断方式中，在DC电源两端并联一个互感线圈，首先依据互感线圈的固定的匝数比并通过整流滤波电路得到一个稳定直流电压，再通过运放对此稳定直流电压进行衰减处理后送至MCU，MCU将经衰减处理后的稳定直流电压与预先设定好的电压阈值进行比较，并判断该衰减处理后的稳定直流电压是否超过该电压阈值，是则MCU控制关断DC电源。

其缺点是：必须采用互感线圈，若为高电压互感线圈，必须要匝数很多才能将高电压转换为低电压信号，于是不可避免的出现一个问题，即高压互感线圈的外形过于庞大，导致检测系统占用空间较大。另外，采用互感线圈后，整个大电压保护的成本过高。

第二种，即大电流检测关断方式中，一种比较普遍的为熔断器保护，还有一种是在大电流回路中加入电流传感器，通过电流传感器得到线性度很好的小电流或小电压，MCU将依据该小电流或小电压与预先设定好的阈值的比较结果控制是否关断DC电源。

其缺点是：在采用熔断器进行保护时，虽然成本较低，但保护精度不高，这是由于一般保护时间为ms级，往往在熔断器还没有熔断的情况下，功率器件已经过流击穿；并且，在采用电流传感器进行保护时，若用于保护功率器件，须选用闭环电流传感器才能达到响应速度快、保护功率器件的目的，但是闭环传感器价格很高，增加了电路成本。

可见，上述大电压检测关断方式和大电流检测关断方式中，由于受MCU的速度的限制，DC电源将不能实现微秒级的快速关断，同时由于功率器件对大电流和大电压的击穿时间往往是微秒级的，不能很好地对其实现保护。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述DC电源的大电压检测关断方式和大电流检测关断方式受MCU的速度的限制、且功率器件对大电流和大电压的击穿时间很短以不能很好地实现功率器件保护的缺陷，提供一种过压过流硬件保护电路及DC电源供电电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：构造一种过压过流硬件保护电路，与采用DC电源供电的主电路配合使用，其包括：

电流信号检测单元：对所述主电路的工作电流进行采样、整流、放大及比较处理，以输出第一电平信号；

电压信号检测单元：对所述主电路的工作电压进行采样、滤波、放大及比较处理，以输出第二电平信号；

比较单元：将第一电平信号和第二电平信号进行逻辑运算，在第一电平信号和第二电平信号中的任意一个为低电平时输出一触发信号；

触发翻转单元：在接收到所述触发信号时，将所述触发信号进行翻转以产生并输出一驱动信号；

封锁保护单元：在接收到所述驱动信号时控制切断所述主电路以断开所述DC电源；

所述比较单元和触发翻转单元包括肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、与非门ICIA、与非门ICIB、与非门ICIC、与非门ICID以及电阻R15、电阻R16和电阻R17，其中第二电平信号反向通过肖特基二极管D1接至与非门ICIA的第一输入端，第一电平信号反向通过肖特基二极管D2接至与非门ICIA的第一输入端，电压VCC通过电阻R17接至与非门ICIA的第一输入端，与非门ICIA的输出端输出所述触发信号、并接至与非门ICIB的第一输入端，电源VCC通过电阻R15接至与非门ICIB的第二输入端，与非门ICIB的输出端接至与非门ICIA的第二输入端。

本发明所述的过压过流硬件保护电路中，所述封锁保护单元还依据所述驱动信号产生一封锁信号，所述封锁信号使所述封锁保护单元处于封锁状态以避免产生振荡。

本发明所述的过压过流硬件保护电路中，所述过压过流硬件保护电路还包括一复位电路，所述复位电路产生一复位信号从而控制所述触发翻转单元返回到初始工作状态。

本发明所述的过压过流硬件保护电路中，所述电流信号检测单元包括比较器、以及为所述比较器提供比较电压的基准设置电路。

本发明所述的过压过流硬件保护电路中，所述电流信号检测单元包括在采样得到的工作电流转化为电压信号后对该电压信号进行积分处理的整流放大电路。

本发明所述的过压过流硬件保护电路中，所述电压信号检测单元包括比较器、以及为所述比较器提供比较电压的基准设置电路。

本发明所述的过压过流硬件保护电路中，所述比较单元采用与非门实现的RS触发器从而实现在第一电平信号和第二电平信号中的任意一个为低电平时输出一触发信号。

本发明所述的过压过流硬件保护电路中，所述触发翻转单元采用与非门来对所述触发信号进行翻转处理。

本发明所述的过压过流硬件保护电路中，所述复位信号作为所述RS触发器的输入信号，且低电平时进行复位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：构造一种DC电源供电电路，包括采用DC电源供电的主电路，还包括与所述主电路配合使用的过压过流硬件保护电路，所述过压过流硬件保护电路包括：

电流信号检测单元：对所述主电路的工作电流进行采样、整流、放大及比较处理，以输出第一电平信号；

电压信号检测单元：对所述主电路的工作电压进行采样、滤波、放大及比较处理，以输出第二电平信号；

比较单元：将第一电平信号和第二电平信号进行逻辑运算，在第一电平信号和第二电平信号中的任意一个为低电平时输出一触发信号；

触发翻转单元：在接收到所述触发信号时，将所述触发信号进行翻转以产生并输出一驱动信号；

封锁保护单元：在接收到所述驱动信号控制切断所述主电路以断开所述DC电源；

所述比较单元和触发翻转单元包括肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、与非门ICIA、与非门ICIB、与非门ICIC、与非门ICID以及电阻R15、电阻R16和电阻R17，其中第二电平信号反向通过肖特基二极管D1接至与非门ICIA的第一输入端，第一电平信号反向通过肖特基二极管D2接至与非门ICIA的第一输入端，电压VCC通过电阻R17接至与非门ICIA的第一输入端，与非门ICIA的输出端输出所述触发信号、并接至与非门ICIB的第一输入端，电源VCC通过电阻R15接至与非门ICIB的第二输入端，与非门ICIB的输出端接至与非门ICIA的第二输入端。

实施本发明的过压过流硬件保护电路及DC电源供电电路，具有以下有益效果：过压过流硬件保护电路与采用DC电源供电的主电路配合使用，在主电路失效时，过压过流硬件保护电路可微秒级快速响应，使DC电源与主回路快速断开，对主电路中的功率器件产生保护。即，在过压过流硬件保护电路中，电流信号检测单元对主电路的工作电流进行采样处理后得到第一电平信号，电压信号检测单元对主电路的工作电压进行采样处理后得到第二电平信号，比较单元在第一电平信号和第二电平信号中的任意一个为低电平时输出一触发信号，触发翻转单元将所述触发信号进行翻转以产生并输出一驱动信号，封锁保护单元在接收到所述驱动信号时控制切断主电路以断开DC电源。另外，DC电源的关断将不受MCU速度的限制，并且，过压过流硬件保护电路采用纯硬件设计，响应速度快，电流信号检测单元和电压信号检测单元对工作电流和工作电压进行滤波、整流、放大等处理后，将可保证主回路在几个微秒内断开，从而保证功率器件的安全性，且成本低，可靠性高。

进一步地，本过压过流硬件保护电路中，封锁保护单元还依据触发翻转单元产生的驱动信号产生一封锁信号，在DC电源被断开产生保护作用时，该封锁信号可使触发翻转单元处于封锁状态，以避免产生振荡。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明过压过流硬件保护电路的结构方框图；

图2是与本发明过压过流硬件保护电路配合使用的一主电路的简化电路图；

图3是本发明中电压信号检测单元的电路图；

图4、图5是本发明中电流信号检测单元的电路图；

图6是本发明中比较单元、触发翻转单元的电路图；

图7是本发明中封锁保护单元的电路图；

图8是本发明过压过流硬件保护电路一实施例的仿真电路图；

图9是图8所示的过压过流硬件保护电路的仿真波形图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明过压过流硬件保护电路的结构方框图，该过压过流硬件保护电路与采用DC电源供电的主电路配合使用，其包括电流信号检测单元1、电压信号检测单元2、比较单元3、触发翻转单元4和封锁保护单元5，其中，电流信号检测单元1对所述主电路的工作电流进行采样、整流、放大及比较处理，以输出一第一电平信号；电压信号检测单元2对所述主电路的工作电压进行采样、滤波、放大及比较处理，以输出一第二电平信号；比较单元3将第一电平信号和第二电平信号进行逻辑运算，在第一电平信号和第二电平信号中的任意一个为低电平时输出一触发信号；触发翻转单元4在接收到所述触发信号时，进行翻转动作以产生并输出一驱动信号；封锁保护单元5在接收到所述驱动信号时控制切断主电路以断开DC电源。

本过压过流硬件保护电路与采用DC电源供电的主电路配合使用，在主电路失效时，过压过流硬件保护电路可微秒级快速响应，使DC电源与主回路快速断开，从而对主电路中的功率器件产生保护。

如图2所示，是与本发明过压过流硬件保护电路配合使用的一主电路的简化电路图，该主电路包括电源滤波电容C3、晶体管OP1、晶体管OP2、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、无感电阻R3和负载R4，电源滤波电容C3连接在DC电源的正负两端，起滤波作用，DC电源的正端依次通晶体管OP2、负载R4、无感电阻R3和晶体管OP1接至DC电源的负端，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2串联后连接在晶体管OP1和晶体管OP2的节点与DC电源的负端之间。此处，定义为：T1为第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的节点，T2为电源滤波电容C3和第二分压电阻R2的节点，T3为无感电阻R3和负载R4的节点。端子“A”为晶体管OP1的控制端。

特别地，晶体管OP1和晶体管OP2均为微秒级开通关断器件。

该主电路的工作原理如下：

当负载R4或者是DC电源的电压波动时，将在负载阻R4上产生波动的电流，而此电流表现在无感电阻R3上的电压V23=I3*R3。

当DC电源的电压波动时，第二分压电阻R2上分的电压V12=R2/(R1+R2)*DC，也会波动，于是，通过对V12及V23的检测处理即可得到一个驱动信号用于控制关断晶体管OP1，从而切断该主电路与DC电源的连接，对大功率器件即晶体管OP2产生保护作用。

如图3所示，是本发明中电压信号检测单元的电路图，其基于图2所示的主电路的简化电路图，该电压信号检测单元2包括第一比较器U1A、反馈电阻R11、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R13和滤波电容C1，其中，电阻R8、电阻R13为上拉电阻，电阻R5、电阻R7起分压作用，V12为第二分压电阻R2上采集的电压信号，Vp为第一比较器U1A的输出信号，即第二电平信号。其中，V12接入第一比较器U1A的负端，电源VCC通过电阻R5接至第一比较器U1A的正端、第一比较器U1A的正端通过电阻R7接地，可见，电阻R5和电阻R7构成基准设置电路，从而为第一比较器U1A提供比较电压。于是，电阻R5和电阻R7的节点处提供一个电压基准Vf1。

该电路的工作原理如下：

V12的电压信号为波动的小电压信号，经过与电压基准Vf1比较后得到一个电平信号Vp，

当V12＜VCC*R7/(R5+R7)时，Vp为持续的高电平；

当V12≥VCC*R7/(R5+R7)时，Vp为持续的低电平。

结合图4、图5所示，是本发明中电流信号检测单元的电路图，其基于图2所示的主电路的简化电路图，该电流信号检测单元包括整流放大电路部分和比较电路部分，其中，图3为整流放大电路部分，图4为比较电路部分。

如图4所示，该整流放大电路部分包括第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B、肖特基二极管D3、肖特基二极管D4、瓷片电容C4，电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27均为匹配电阻，V23为无感电阻R3上采集的电压信号，第二运算放大器U2B和瓷片电容C4及其外围电路对V23进行积分处理，V23经过瓷片电容C4的积分处理后，产生一个直流高电平V27，另外，Ip为整流放大后的电压信号。

该电路的工作原理如下：

V23＞0时，肖特基二极管D3、肖特基二极管D4均不导通，

V24=﹣R21*V23/R20=-2*V23，V27=4*V23；

V23=0时，V27=0

V23＜0时，肖特基二极管D3、肖特基二极管D4均导通，V24=0，V27=-4*V23

如图5所示，该比较电路部分包括第二比较器U1B、反馈电阻R12、电阻R6、电阻R10、电阻R9、电阻R14和滤波电容C2，其中，电阻R9、电阻R14为上拉电阻，电阻R6、电阻R10起分压作用，Ip为图4中整流放大后的电压信号，Vip为第二比较器U1B的输出信号，即第一电平信号。其中，Ip接入第二比较器U1B的负端6，电源VCC通过电阻R6接至第二比较器U1B的正端5、第二比较器U1B的正端5通过电阻R10接地，可见，电阻R6和电阻R10构成基准设置电路，从而为第二比较器U1B提供比较电压。于是，电阻R6和电阻R10的节点处提供一个电压基准Vf2。

该电路的工作原理如下：

Ip为图4中整流放大后的电压信号，即为V27，Vf2=VCC*R10/(R6+R10)，将V27经过与电压基准Vf2比较后得到一个电平信号Vip，

当V27≥Vf2时，Vip为持续的低电平；

当V27＜Vf2时，Vip为持续的高电平。

如图6是本发明中比较单元3、触发翻转单元4的电路图，该电路包括肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、与非门ICIA、与非门ICIB、与非门ICIC、与非门ICID，电阻R15、电阻R16和电阻R17均为匹配电阻，Vp为第一比较器U1A的输出信号，即第二电平信号；Vip为第二比较器U1B的输出信号，即第一电平信号。其中，与非门ICIA、与非门ICIB组成一个RS触发器。

具体地，Vp反向通过肖特基二极管D1接至与非门ICIA的第一输入端，Vip也反向通过肖特基二极管D2接至与非门ICIA的第一输入端，同时，VCC通过电阻R17接至与非门ICIA的第一输入端，与非门ICIA的输出端输出所述触发信号、并接至与非门ICIB的第一输入端，电源VCC通过电阻R15接至与非门ICIB的第二输入端，与非门ICIB的输出端接至与非门ICIA的第二输入端。另外，与非门ICIA的输出端接至与非门ICIC的第一和第二输入端，与非门ICIC的输出端输出驱动信号“C”、并接至与非门ICID的第一输入端，进一步地，与非门ICIB的第二输入端接入复位信号“B”，与非门ICID的第二输入端接入封锁信号，与非门ICID的输出端可将输出控制信号“E”。

该电路的工作原理如下：

当VP为低电平时，肖特基二极管D1导通，V17为低电平，V39为高电平；

当Vip为低电平时，肖特基二极管D2导通，V17为低电平，V39为高电平；

也就是说，只要VP或者Vip任意一个为低电平时，V17都为低电平。同时，与非门IC1A的输出端为高电平，与非门IC1C的输出端输出的驱动信号“C”为低电平。

当VP和Vip同时为高电平时，V17为高电平，V39为低电平，与非门IC1C的输出端输出的驱动信号“C”为高电平。

上述中，复位信号“B”为低电平时，起复位作用，可为人工复位模式，也可为上电复位模式。

进一步地，当与非门IC1C的输出端为低电平时，即该驱动信号“C”为低电平，封锁保护单元将依据该驱动信号“C”产生复位信号“B”和封锁信号“D”，且当该封锁信号“D”为低电平时，将使封锁保护单元中的与非门IC1D处于封锁状态以避免产生振荡。另外，封锁信号“D”为高电平时，不产生任何作用，封锁保护单元正常工作，上述前提条件是必须将复位信号“B”置为高电平。

如图7所示，是本发明中封锁保护单元的电路图，该电路包括光耦OP3、稳压管Z1，电阻R18、电阻R22和电阻R23为匹配电阻。结合图2、图6所示，端子“A”为图2中晶体管OP1的控制端，端子“E”为图6中与非门IC1D的输出端，其输出控制信号“E”。

该电路的工作原理如下：

正常情况下，控制信号“E”为低电平时，端子“A”上为高电平，晶体管OP1导通，当发生过压或者过流后，与非门IC1A的第一输入端“1”处为低电平，与非门IC1C的输出端“8”处为低电平，也就是驱动信号“C”为低电平，控制信号“E”为高电平，整个电路产生保护动作。当MCU检测到驱动信号“C”为低电平的时候，同时使复位信号“B”和封锁信号“D”为低电平信号。而由于封锁信号“D”为低电平时保持封锁状态，控制信号“E”为高电平，保持长期的断开过程，从而达到保护大功率器件即晶体管OP2的目的。

如图8所示，是本发明过压过流硬件保护电路一实施例的仿真电路图，本仿真电路图中，通过施加激励信号进行仿真，如在DC电源两端加的激励信号波形为锯齿波，A点的电压波形为锯齿波，受仿真电路里面的滤波电容C2电容充放电时间的影响，B、D点的电压波形的锯齿波幅度减小。

采集到且经过整流放大处理后的电流信号是E，其通过比较器后的电平信号是Vip；采集到且经过滤波放大处理后的电压信号通过比较器后的电平信号是Vp；F点输出控制信号，用于控制功率器件的关断或关断，G点反应功率器件的开关状态。通过上图可以看出，在过电流和过电压的情况下，主回路断开，对功率器件起保护作用。

综上所述，在过压过流硬件保护电路中，电流信号检测单元1对主电路的工作电流进行采样处理后得到第一电平信号，电压信号检测单元2对主电路的工作电压进行采样处理后得到第二电平信号，比较单元3在第一电平信号和第二电平信号中的任意一个为低电平时输出一触发信号，触发翻转单元4将所述触发信号进行翻转以产生并输出一驱动信号，封锁保护单元5在接收到所述驱动信号时控制切断主电路以断开DC电源。另外，本DC电源的关断将不受MCU速度的限制，并且，过压过流硬件保护电路采用纯硬件设计，响应速度快，电流信号检测单元1和电压信号检测单元2对工作电流和工作电压进行滤波、整流、放大等处理后，将可保证主回路在几个微秒内断开，从而保证功率器件的安全性，且成本低，可靠性高。

另外，本发明还涉及一种DC电源供电电路，包括采用DC电源供电的主电路，以及与所述主电路配合使用的过压过流硬件保护电路。所述主电路和过压过流硬件保护电路上文已进行阐述，此处不再赘述。当然，所述DC电源供电电路中的主电路不止局限于上述描述方式，凡是采用过压过流硬件保护电路对主电路中的功率器件产生保护作用的，均属于本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种过压过流硬件保护电路，与采用DC电源供电的主电路配合使用，其特征在于，包括：

电流信号检测单元：对所述主电路的工作电流进行采样、整流、放大及比较处理，以输出第一电平信号；

电压信号检测单元：对所述主电路的工作电压进行采样、滤波、放大及比较处理，以输出第二电平信号；

比较单元：将第一电平信号和第二电平信号进行逻辑运算，在第一电平信号和第二电平信号中的任意一个为低电平时输出一触发信号；

触发翻转单元：在接收到所述触发信号时，将所述触发信号进行翻转以产生并输出一驱动信号；

封锁保护单元：在接收到所述驱动信号时控制切断所述主电路以断开所述DC电源；

所述比较单元和触发翻转单元包括肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、与非门ICIA、与非门ICIB、与非门ICIC、与非门ICID以及电阻R15、电阻R16和电阻R17，其中第二电平信号反向通过肖特基二极管D1接至与非门ICIA的第一输入端，第一电平信号反向通过肖特基二极管D2接至与非门ICIA的第一输入端，电压VCC通过电阻R17接至与非门ICIA的第一输入端，与非门ICIA的输出端输出所述触发信号、并接至与非门ICIB的第一输入端，电源VCC通过电阻R15接至与非门ICIB的第二输入端，与非门ICIB的输出端接至与非门ICIA的第二输入端。

2.根据权利要求1所述的过压过流硬件保护电路，其特征在于，所述封锁保护单元还依据所述驱动信号产生一封锁信号，所述封锁信号使所述封锁保护单元处于封锁状态以避免产生振荡。

3.根据权利要求1或2所述的过压过流硬件保护电路，其特征在于，所述过压过流硬件保护电路还包括一复位电路，所述复位电路产生一复位信号从而控制所述触发翻转单元返回到初始工作状态。

4.根据权利要求1所述的过压过流硬件保护电路，其特征在于，所述电流信号检测单元包括比较器、以及为所述比较器提供比较电压的基准设置电路。

5.根据权利要求1或4所述的过压过流硬件保护电路，其特征在于，所述电流信号检测单元包括在采样得到的工作电流转化为电压信号后对该电压信号进行积分处理的整流放大电路。

6.根据权利要求1所述的过压过流硬件保护电路，其特征在于，所述电压信号检测单元包括比较器、以及为所述比较器提供比较电压的基准设置电路。

7.根据权利要求1所述的过压过流硬件保护电路，其特征在于，所述比较单元采用与非门实现的RS触发器从而实现在第一电平信号和第二电平信号中的任意一个为低电平时输出一触发信号。

8.根据权利要求7所述的过压过流硬件保护电路，其特征在于，所述触发翻转单元采用与非门来对所述触发信号进行翻转处理。

9.根据权利要求7所述的过压过流硬件保护电路，其特征在于，所述过压过流硬件保护电路还包括一复位电路，所述复位电路产生一复位信号从而控制所述触发翻转单元返回到初始工作状态，所述复位信号作为所述RS触发器的输入信号，且低电平时进行复位。

10.一种DC电源供电电路，包括采用DC电源供电的主电路，还包括与所述主电路配合使用的过压过流硬件保护电路，其特征在于，所述过压过流硬件保护电路包括：

电流信号检测单元：对所述主电路的工作电流进行采样、整流、放大及比较处理，以输出第一电平信号；

电压信号检测单元：对所述主电路的工作电压进行采样、滤波、放大及比较处理，以输出第二电平信号；

比较单元：将第一电平信号和第二电平信号进行逻辑运算，在第一电平信号和第二电平信号中的任意一个为低电平时输出一触发信号；

触发翻转单元：在接收到所述触发信号时，将所述触发信号进行翻转以产生并输出一驱动信号；

封锁保护单元：在接收到所述驱动信号控制切断所述主电路以断开所述DC电源；

所述比较单元和触发翻转单元包括肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、与非门ICIA、与非门ICIB、与非门ICIC、与非门ICID以及电阻R15、电阻R16和电阻R17，其中第二电平信号反向通过肖特基二极管D1接至与非门ICIA的第一输入端，第一电平信号反向通过肖特基二极管D2接至与非门ICIA的第一输入端，电压VCC通过电阻R17接至与非门ICIA的第一输入端，与非门ICIA的输出端输出所述触发信号、并接至与非门ICIB的第一输入端，电源VCC通过电阻R15接至与非门ICIB的第二输入端，与非门ICIB的输出端接至与非门ICIA的第二输入端。

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