CN106031004B - 具有经自适应随机化扩展频谱的切换模式电力供应器 - Google Patents

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Abstract

在所描述实例中，一种切换模式电力供应器(100)包含输出滤波器(116)、驱动器(114)、脉冲宽度调制器(104)及脉冲调适电路(112)。所述输出滤波器(116)经配置以提供所述切换模式电力供应器(100)的输出。所述驱动器(114)耦合到所述输出滤波器(116)且经配置以将电流切换到所述输出滤波器(116)。所述脉冲宽度调制器(104)经配置以产生控制由所述驱动器(114)对电流的切换的脉冲。所述脉冲宽度调制器(104)包含扩展频谱逻辑，所述扩展频谱逻辑经配置以使由所述脉冲宽度调制器(104)产生的所述脉冲的时序随机化。所述脉冲调适电路(112)经配置以识别所述切换模式电力供应器(100)的所述输出超出预定阈值的瞬时偏离，且基于所述经识别瞬时偏离而修改由所述脉冲宽度调制器(104)产生的所述脉冲的所述经随机化时序。

Description

具有经自适应随机化扩展频谱的切换模式电力供应器
背景技术
切换模式电力供应器为电子电路，其将输入直流(DC)供应电压转换成量值高于或低于输入DC供应电压的一个或多个DC输出电压。产生低于输入电压的输出电压的切换模式电力供应器被称为降压或减压转换器。产生高于输入电压的输出电压的切换模式电力供应器被称为升压或增压转换器。
典型切换模式电力供应器包含开关，所述开关用于响应于切换信号而交替地打开及关闭通过电感器的电流路径。在操作中，跨越电感器施加DC电压。通过依据切换信号交替地打开及关闭开关而将电能转移到连接到电感器的负载。经转移到负载的电能的量为开关的工作循环及切换信号的频率的函数。开关模式电力供应器广泛用于给电子装置供电，尤其是电池供电装置，例如便携蜂窝式电话、膝上型计算机及其中期望高效使用电力的其它电子系统。
发明内容
在所描述实例中，一种切换模式电力供应器包含输出滤波器、驱动器、脉冲宽度调制器及脉冲调适电路。所述输出滤波器经配置以提供所述切换模式电力供应器的输出。所述驱动器耦合到所述输出滤波器且经配置以将电流切换到所述输出滤波器。所述脉冲宽度调制器经配置以产生控制由所述驱动器对电流的切换的脉冲。所述脉冲宽度调制器包含扩展频谱逻辑，所述扩展频谱逻辑经配置以使由所述脉冲宽度调制器产生的所述脉冲的时序随机化。所述脉冲调适电路经配置以识别所述切换模式电力供应器的所述输出超出预定阈值的瞬时偏离，且基于所述经识别瞬时偏离而修改由所述脉冲宽度调制器产生的所述脉冲的所述经随机化时序。
附图说明
图1是根据各种实施例的包含自适应扩展频谱脉冲产生的切换模式电力供应器的框图。
图2是根据各种实施例的脉冲调适电路的框图。
图3是根据各种实施例的电力供应器输出监测电路的框图。
图4及5是根据各种实施例的包含自适应扩展频谱脉冲产生的切换模式电力供应器的框图。
图6是根据各种实施例的用于切换模式电力供应器中的自适应脉冲产生的斜波调整的时序图。
图7是常规切换模式电力供应器中的PWM脉冲产生的时序图。
图8是根据各种实施例的包含自适应扩展频谱脉冲产生的切换模式电力供应器中的PWM脉冲产生的时序图。
具体实施方式
在所描述实例中，切换模式电力供应器包含自适应扩展频谱脉冲宽度调制脉冲产生。脉冲调适提供经减少电磁干扰同时也减少纹波及/或提供电力供应器输出处的其它优化。在一个实施例中，切换模式电力供应器包含输出滤波器、驱动器、脉冲宽度调制器及脉冲调适电路。输出滤波器经配置以提供切换模式电力供应器的输出。驱动器耦合到输出滤波器且经配置以将电流切换到输出滤波器。脉冲宽度调制器经配置以产生控制由驱动器对电流的切换的脉冲。脉冲宽度调制器包含扩展频谱逻辑或算法，所述扩展频谱逻辑或算法经配置以使由脉冲宽度调制器产生的脉冲的时序随机化。脉冲调适电路经配置以识别切换模式电力供应器的输出超出预定阈值的瞬时偏离，且基于经识别瞬时偏离而修改由脉冲宽度调制器产生的脉冲的经随机化时序。
在另一实施例中，切换模式电力供应器包含输出滤波器、驱动器、脉冲宽度调制器、第一反馈回路及第二反馈回路。输出滤波器经配置以提供切换模式电力供应器的输出。驱动器耦合到输出滤波器且经配置以将电流切换到输出滤波器。脉冲宽度调制器经配置以产生控制由驱动器对电流的切换的脉冲。脉冲宽度调制器包含扩展频谱逻辑或算法，所述扩展频谱逻辑或算法经配置以使由脉冲宽度调制器产生的脉冲的时序随机化。第一反馈回路经配置以将切换模式电力供应器的经积分输出电压与定义切换模式电力供应器的所要输出电压的参考电压进行比较。第二反馈回路经配置以识别切换模式电力供应器的输出超出预定阈值的瞬时偏离，且基于经识别瞬时偏离而修改由脉冲宽度调制器产生的脉冲的经随机化时序。
在又一实施例中，切换模式电力供应器包含输出滤波器、驱动器、脉冲宽度调制器、第一反馈回路及第二反馈回路。输出滤波器经配置以提供切换模式电力供应器的输出。驱动器耦合到输出滤波器且经配置以将电流切换到输出滤波器。脉冲宽度调制器经配置以产生控制由驱动器对电流的切换的脉冲。脉冲宽度调制器包含扩展频谱逻辑或算法，所述扩展频谱逻辑或算法经配置以使由脉冲宽度调制器产生的脉冲的时序随机化。第一反馈回路经配置以将切换模式电力供应器的经积分输出电压与定义切换模式电力供应器的目标输出电压的参考电压进行比较。第二反馈回路经配置以监测切换模式电力供应器的输出以在一间隔内维持切换模式电力供应器的输出的历史定义值，且基于所述历史而修改由脉冲宽度调制器产生的脉冲的经随机化时序。
切换模式电力供应器可提供一个电压到另一电压的高效率转换，且因此通常用于需要高转换效率的应用(例如电池供电系统)中。然而，切换模式电力供应器遭受若干问题。举例来说，切换模式电力供应器内的切换转变可产生非所要电磁干扰(EMI)，所述非所要电磁干扰不利地影响接近切换模式电力供应器的系统或装置的操作。常规技术通常利用屏蔽、滤波滤波器技术及/或电路布局来抑制EMI。这些常规技术试图减轻EMI的效果，但未能解决噪声产生源。屏蔽及滤波组件的使用还往往增加系统成本及大小。具备扩展频谱功能的经切换模式电力供应器可通过使切换脉冲随机化而缓解EMI，但常规扩展频谱技术可增加电力供应器的输出电压纹波且违反系统设计规范。
本文中所揭示的切换模式电力供应器通过应用反馈回路以自适应地导引扩展频谱调制且确保电力供应器操作符合预定义规范而在不增加电力供应器输出纹波的情况下减少EMI。通过反馈提供的自适应导引还可经应用以改进瞬态响应(对负载及线改变条件及影响电力供应器性能的其它条件的响应)。
图1展示根据各种实施例的包含自适应扩展频谱脉冲产生的切换模式电力供应器100的框图。切换模式电力供应器100经图解说明为降压转换器，但本文中所揭示的脉冲调适技术及原理可适用于多种切换模式电力供应器架构(例如，升压转换器及降压-升压转换器)。切换模式电力供应器100包含扩展频谱脉冲宽度调制器(PWM)控制器104、驱动电路114、输出滤波器116、误差积分器102及脉冲调适电路112。扩展频谱PWM控制器104产生控制驱动电路114的切换的脉冲。由扩展频谱PWM控制器104产生的脉冲的持续时间变化(例如，频率变化)以增加电力供应器切换噪声在其上扩展的带宽，且相应地减少所产生的峰值切换噪声及EMI。遗憾的是，在采用扩展频谱脉冲产生的常规切换模式电力供应器中，脉冲时序的经随机化变化可在电力供应器的输出中产生经增加纹波。
驱动电路114将电流切换到输出滤波器116，如通过由扩展频谱PWM控制器104产生的脉冲所指示。输出滤波器116存储能量以供递送到由电力供应器100供电的负载。滤波器116的输出Vout经路由到作为第一反馈回路的部分的误差积分器102。误差积分器102确定输出滤波器116的输出电压(Vout)与规定电力供应器100的所要输出电压的参考电压(Vref)的差。所述差经积分且经提供到扩展频谱PWM控制器104以控制PWM脉冲产生。由误差积分器102提供的差值为反映Vout与Vref之间的差随着时间的平均值，而非Vref与电力供应器100的输出之间的瞬时差。因此，由误差积分器产生的经积分差信号不提供对电力供应器100的输出中的高频率事件(例如纹波或瞬态)的校正。
脉冲调适电路112作为第二反馈回路的部分耦合到输出滤波器116。脉冲调适电路112监测滤波器116的输出(例如，电压或电流输出)且检测电力供应器100的输出中的短期或高频率事件。在检测到电力供应器输出中的事件时，脉冲调适电路112将信号提供到扩展频谱PWM控制器104，所述扩展频谱PWM控制器引起由扩展频谱PWM控制器104产生的PWM脉冲中的修改以校正事件。举例来说，如果脉冲调适电路112在电力供应器输出中检测到指示超过预定阈值的电力供应器纹波的事件，那么脉冲调适电路112可产生引起由扩展频谱PWM控制器104产生的脉冲的修改以将纹波减小到低于阈值的信号。类似地，如果脉冲调适电路112在滤波器116的输出中检测到瞬态(例如在电力供应器100的输出处的负载的突然改变)，那么脉冲调适电路可产生致使扩展频谱PWM控制器104产生PWM脉冲以补偿瞬态的信号。
扩展频谱PWM控制器104包含使在预定带宽内产生的PWM脉冲的时序随机化的电路，例如线性反馈移位寄存器(LFSR)106及计数器108。举例来说，LFSR 106可产生规定脉冲宽度的伪随机值，且计数器108可基于伪随机值及时钟信号对脉冲进行计时。有源脉冲校正电路110可修改基于由LFSR 106提供的信息产生的经随机化PWM脉冲的时序。脉冲时序修改校正由脉冲调适电路112在电力供应器100的输出中检测到的高频率事件，且所述修改是基于由脉冲调适电路112提供的信号。由脉冲调适电路112检测的事件不可经由由误差积分器102产生的差信号检测。由有源脉冲校正电路110提供的脉冲时序修改可包含对PWM脉冲上升及/或下降边缘时序的修改(例如，相对于仅基于LFSR输出的边缘时间进行修改)。举例来说，如果由脉冲调适电路112在电力供应器100的输出中检测到超过阈值的纹波，那么有源脉冲校正电路110连同脉冲调适电路一起可改变PWM脉冲时序(例如，通过移动脉冲边缘而减小脉冲间持续时间)以减少纹波。
图2展示根据各种实施例的脉冲调适电路112的框图。脉冲调适电路112包含输出监测器202及脉冲校正控制电路204。输出监测器202耦合到电力供应器100的输出，且检测电力供应器100的电压及/或电流输出中的事件。举例来说，输出监测器可识别电力供应器100的输出超出预定阈值的瞬时偏离。在由输出监测器202识别到事件时，脉冲校正控制电路204产生引导有源脉冲校正电路110修改所产生的PWM脉冲以补偿事件且改进电力供应器100的输出的信号。
图3展示根据各种实施例的电力供应器输出监测电路302的框图。输出监测电路302可充当输出监测器202。输出监测电路302包含多个比较器304，所述多个比较器中的每一者将输出滤波器116的输出与不同误差阈值进行比较。每一比较器304的输出为指示电力供应器100的输出超过阈值的旗标。因此，比较器304可定义误差带，且不同误差带可指示对待应用于由PWM控制器104产生的脉冲的不同修改。基于经断言的旗标(即其中检测到电力供应器输出事件的误差带)，脉冲校正控制电路204确定应将何种修改应用于PWM脉冲。举例来说，脉冲校正控制电路204对于在较高带中检测的事件及在较低误差带中检测的事件选择不同脉冲修改。
输出监测器202的一些实施例可采用除模拟比较器以外的检测技术。举例来说，输出监测器202的一些实施例可包含用以使电力供应器100的输出数字化的模/数转换器，及用以将经数字化电力输出值与规定误差带的预定误差阈值进行比较的比较器。
在输出监测器202的一些实施例中，除检测电力供应器100的输出中的瞬时事件以外，输出监测器202可维持电力供应器输出值的历史(例如，在预定时间间隔内的输出值的序列)。针对输出值的每一序列，脉冲校正控制电路204可应用对应脉冲校正或序列。
图4展示根据各种实施例的包含自适应扩展频谱脉冲产生的切换模式电力供应器400的框图。电力供应器400类似于本文中所描述的电力供应器100且为电力供应器100的实施例。电力供应器400包含斜波产生器402及比较器406。斜波产生器402产生锯齿斜波(或其它形状的斜波(例如三角形或双边锯齿)或PWM信号)信号，所述锯齿斜波信号具有由经由有源脉冲校正电路410产生的信号控制的斜率。在一些实施例中，有源脉冲校正电路410可产生控制斜波的斜率的电流。可通过改变电流来增加或减小斜波的斜率，此又可导致PWM脉冲宽度的对应减小或增加。比较器406将斜波电压与由误差积分器102产生的经积分差电压进行比较。
可基于LFSR 106输出值及基于由脉冲调适电路412检测的事件选择的修改而确定施加于斜波产生器402中的电流。如果脉冲调适电路412检测到事件(例如，电力供应器输出超过阈值)，那么有源脉冲校正电路410可在斜波脉冲的产生之前或期间的任何时间处改变施加到斜波产生的电流，以改变连同斜波脉冲一起产生的PWM脉冲的时序。
切换电力供应器400的一些实施例可通过改变电容器404的值而非如上文所描述地通过改变施加到斜波产生的电流而改变由斜波产生器402产生的斜波脉冲的斜率。在此些实施例中，由脉冲调适电路412或有源脉冲校正电路410产生的控制信号可自适应地设定待应用于斜波脉冲产生中的电容值。
包含如本文中所揭示的自适应扩展频谱脉冲产生的切换模式电力供应器的一些实施例可将计时器(例如计数器)应用于产生PWM脉冲时序。在此些实施例中，由脉冲调适电路412或有源脉冲校正电路410产生的控制信号可自适应地调整计数器的值以修改PWM脉冲宽度。
图5展示切换模式电力供应器500的框图，切换模式电力供应器500为在图4中所展示的电力供应器400的实施例。电力供应器400为电力供应器100的实施例。更具体来说，图5展示在图4中所展示的脉冲调适电路412及有源脉冲校正电路410的实施方案，其中自适应电流缩放504、电流DAC 506及输出监测器302为在图4中所展示的脉冲调适电路412及有源脉冲校正电路410的组件。
电力供应器500控制斜波斜率以使PWM脉冲时序变化。PWM控制器504包含LFSR以使PWM脉冲宽度随机化。电流数/模转换器(DAC)506产生对应于由LFSR提供的值的电流。由DAC506产生的电流由自适应电流缩放电路504根据其中由输出监测器302检测到电力供应器500的输出中的事件的误差带进行缩放。改变经提供到斜波产生器502的电流会改变所产生的斜波的斜率，此又改变基于斜波时序产生的PWM脉冲的时序(宽度、前缘时序及/或尾缘时序)。
图6展示根据各种实施例的对在切换模式电力供应器中产生的自适应脉冲产生信号的斜波调整的图式。仅基于LFSR输出值产生一组斜波脉冲602。脉冲602的宽度根据变化的LFSR输出值而随机化。脉冲602表示如可仅基于LFSR输出产生的经随机化斜波脉冲。已相对于斜波脉冲606而调整斜波脉冲604。斜波脉冲604的初始斜率大于斜波脉冲606的初始斜率，且斜波脉冲604的斜率在斜波脉冲产生期间减小。斜波脉冲604的初始斜率及最终斜率两者均可由于由输出监测器302在切换模式电力供应器500的输出中检测到的事件造成。类似地，斜波脉冲608的初始斜率小于斜波脉冲610的初始斜率，且斜波脉冲608的斜率在斜波脉冲产生期间增加。通过响应于例如纹波及瞬态的事件的检测而修改斜波脉冲的斜率，电力供应器500调整PWM脉冲时序以改进输出纹波及瞬态响应同时维持低EMI水平。在本文中所揭示的切换模式电力供应器的一些实施例中，EMI相对于常规扩展频谱PWM减少同时输出纹波经减少且瞬态响应经改进。
图7展示常规扩展频谱切换模式电力供应器中的PWM脉冲产生。斜波脉冲是仅基于LFSR输出值而产生。还展示电流驱动斜波产生(I_bias)及电力供应器输出电压(V_out)。
图8展示根据各种实施例的包含自适应扩展频谱脉冲产生的切换模式电力供应器中的PWM脉冲产生。重复来自图7的由常规扩展频谱切换模式电力供应器产生的信号以用于与经自适应产生的信号进行比较。图7展示针对电力供应器输出电压设定的纹波控制阈值806。在时间808处，输出电压超过纹波阈值806。输出监测器302检测到事件，且作为响应，施加到斜波产生的电流经减小且斜波802的斜率经减小。减小斜波802的斜率将所得PWM脉冲810的前缘相对于常规PWM脉冲812延迟。通过在时间814处增加斜波802的斜率而进一步修改PWM脉冲810的时序(下降边缘相对于脉冲812移动)。在816及818处展示经施加以产生经修改斜波斜率的斜波产生电流(I_bias)的改变。
在所描述实施例中进行修改为可能的，且其它实施例在权利要求书的范围内为可能的。

Claims (18)

1.一种切换模式电力供应器，其包括：
输出滤波器，其经配置以提供所述切换模式电力供应器的输出；
驱动器，其耦合到所述输出滤波器且经配置以将电流切换到所述输出滤波器；
脉冲宽度调制器，其经配置以产生控制由所述驱动器对电流的切换的脉冲，所述脉冲宽度调制器包含：经配置以使由所述脉冲宽度调制器产生的所述脉冲的时序随机化的扩展频谱逻辑；及经配置以控制所述脉冲的经随机化时序的计数器，所述脉冲控制由所述驱动器对电流的切换；及
脉冲调适电路；其中所述脉冲调适电路经配置以：识别所述切换模式电力供应器的所述输出超出预定阈值的瞬时偏离，且改变所述计数器的计数值以基于所述经识别瞬时偏离而修改由所述脉冲宽度调制器产生的所述脉冲的所述经随机化时序。
2.根据权利要求1所述的电力供应器，其进一步包括耦合到所述脉冲宽度调制器及所述脉冲调适电路的斜波产生器，其中所述脉冲调适电路基于所述经识别瞬时偏离而改变斜波的斜率。
3.根据权利要求2所述的电力供应器，其中所述脉冲调适电路在斜波产生期间改变所述斜波的所述斜率。
4.根据权利要求2所述的电力供应器，其中所述脉冲调适电路通过调整以下各项中的至少一者而改变所述斜率：经施加以产生所述斜波的电流，及经充电以产生所述斜波的电容。
5.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述脉冲调适电路包含比较器，所述比较器将所述切换模式电力供应器的所述输出与所述预定阈值进行比较以识别所述瞬时偏离。
6.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述脉冲调适电路包含多个比较器，其中所述比较器中的每一者将所述切换模式电力供应器的所述输出与不同阈值进行比较，且所述脉冲调适电路经配置以基于所述比较器中的哪一者识别所述切换模式电力供应器的所述输出超出阈值的瞬时偏离而选择对经随机化时序的修改。
7.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述脉冲调适电路包含：模/数转换器，其用于使所述切换模式电力供应器的所述输出数字化；及比较器逻辑，其用于将所述切换模式电力供应器的所述经数字化输出与所述预定阈值进行比较以识别所述瞬时偏离。
8.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述脉冲调适电路包含放大所述切换模式电力供应器的所述输出的放大器，且所述脉冲调适电路经配置以基于所述切换模式电力供应器的所述经放大输出的振幅而选择对所述经随机化时序的修改。
9.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述脉冲调适电路经配置以：在一间隔内维持所述切换模式电力供应器的所述输出的历史定义值，且基于所述历史定义值而选择对所述经随机化时序的修改。
10.根据权利要求1所述的电力供应器，其中所述脉冲调适电路经配置以：监测所述切换模式电力供应器的电压输出和电流输出中的至少一者以识别所述瞬时偏离。
11.一种切换模式电力供应器，其包括：
输出滤波器，其经配置以提供所述切换模式电力供应器的输出；
驱动器，其耦合到所述输出滤波器且经配置以将电流切换到所述输出滤波器；
脉冲宽度调制器，其经配置以产生控制由所述驱动器对电流的切换的脉冲，所述脉冲宽度调制器包含：经配置以使由所述脉冲宽度调制器产生的所述脉冲的时序随机化的扩展频谱逻辑；
第一反馈回路，其经配置以将所述切换模式电力供应器的输出电压与定义所述切换模式电力供应器的目标输出电压的参考电压的差进行积分，其中经积分的差提供到包含扩展频谱逻辑的脉冲宽度调制器；及
第二反馈回路；
其中所述第二反馈回路经配置以：识别所述切换模式电力供应器的所述输出超出预定阈值的瞬时偏离；且基于经识别的所述瞬时偏离而修改由所述脉冲宽度调制器产生的所述脉冲的经随机化时序。
12.根据权利要求11所述的电力供应器，其进一步包括耦合到所述脉冲宽度调制器及所述第二反馈回路的斜波产生器，其中所述第二反馈回路经配置以：基于所述经识别的所述瞬时偏离而改变所述斜波的斜率；在斜波产生期间改变所述斜波的所述斜率，且通过调整以下各项中的一者而改变所述斜率：经施加以产生所述斜波的电流，及经充电以产生所述斜波的电容。
13.根据权利要求11所述的电力供应器，其进一步包括经配置以控制所述脉冲的所述经随机化时序的计数器，所述脉冲控制由所述驱动器对电流的切换，其中所述第二反馈回路经配置以基于所述经识别的所述瞬时偏离而改变所述计数器的计数值。
14.根据权利要求11所述的电力供应器，其中所述第二反馈回路包含多个比较器，其中所述比较器中的每一者将所述切换模式电力供应器的所述输出与不同阈值进行比较，且所述第二反馈回路经配置以基于所述比较器中的哪一者识别出所述切换模式电力供应器的所述输出超出阈值的所述瞬时偏离而选择对所述经随机化时序的修改。
15.根据权利要求11所述的电力供应器，其中所述第二反馈回路包括：模/数转换器，其用于使所述切换模式电力供应器的所述输出数字化；及比较器逻辑，其用于将所述切换模式电力供应器的经数字化输出与所述预定阈值进行比较以识别所述瞬时偏离。
16.根据权利要求11所述的电力供应器，其中所述第二反馈回路经配置以：基于所述瞬时偏离而识别所述切换模式电力供应器的所述输出中的纹波；且响应于纹波的识别而修改由所述脉冲宽度调制器产生的所述脉冲的所述经随机化时序以降低所述纹波的振幅。
17.一种切换模式电力供应器，其包括：
输出滤波器，其经配置以提供所述切换模式电力供应器的输出；
驱动器，其耦合到所述输出滤波器且经配置以将电流切换到所述输出滤波器；
脉冲宽度调制器，其经配置以产生控制由所述驱动器对电流的切换的脉冲，所述脉冲宽度调制器包含经配置以使由所述脉冲宽度调制器产生的所述脉冲的时序随机化的扩展频谱逻辑；
第一反馈回路，其经配置以将所述切换模式电力供应器的输出电压与定义所述切换模式电力供应器的目标输出电压的参考电压的差进行积分，其中经积分的差提供到包含扩展频谱逻辑的脉冲宽度调制器；及
第二反馈回路；
其中所述第二反馈回路经配置以：监测所述切换模式电力供应器的所述输出；在一间隔内维持所述切换模式电力供应器的所述输出的历史定义值；且基于所述历史定义值而修改由所述脉冲宽度调制器产生的所述脉冲的所述经随机化时序。
18.根据权利要求17所述的电力供应器，其中所述第二反馈回路经配置以通过追踪所述切换模式电力供应器的电压输出或电流输出中的一者而监测所述切换模式电力供应器的所述输出。
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