CN107370374A - 电源转换器及控制电源转换器的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电源转换器及控制电源转换器的电路。控制电源转换器的电路包括:检测器,配置为检测电源转换器的输出电压中的电压瞬态事件,并基于检测的电压瞬态事件生成第一控制信号;斜波发生器,配置为接收输入信号,并基于输入信号生成斜波信号;比较器,包括接收斜波信号的第一输入端、接收第一控制信号的第二输入端和提供第二控制信号的输出端;脉冲发生器,配置为接收第一和第二控制信号,生成包括脉冲的脉冲信号,并基于第一和第二控制信号改变脉冲的至少一个特征;和控制逻辑电路,配置为接收脉冲信号,基于脉冲信号控制电源转换器中至少一个开关的操作。本发明能够在负载快速变化导致输出电压的瞬态事件时,提高电源转换器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及在瞬态事件(transient events)期间提高电源转换器(powerconverter)例如降压转换器(buck converter)的性能。
背景技术
电源转换器用来将电能从一种形式转换到另一种形式。降压转换器是一种其输出电压低于其输入电压的电源转换器。恒定导通时间(constant on-time)降压转换器在恒定导通时间内重复将其上部开关(high-side switch)切换为开,以达到所需的输出电压。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种电源转换器及控制电源转换器的电路,以解决传统的电源转换器无法跟上快速的负载变化的问题。
根据至少一个实施方式,提供了一种控制电源转换器的电路,该电源转换器包括产生电感电流的电感器,该电路包括:检测器,被配置为检测该电源转换器的输出电压中的电压瞬态事件,并基于检测到的该输出电压中的电压瞬态事件生成第一控制信号;斜波发生器,被配置为接收输入信号,并基于该输入信号生成斜波信号;比较器,包括接收该斜波信号的第一输入端、接收该第一控制信号的第二输入端以及提供第二控制信号的输出端;脉冲发生器,被配置为接收该第一控制信号和该第二控制信号,生成包括脉冲的脉冲信号,并基于该第一控制信号和该第二控制信号改变该脉冲的至少一个特征;以及控制逻辑电路,被配置为接收该脉冲信号,并基于该脉冲信号控制该电源转换器中至少一个开关的操作。
根据至少一个实施方式,提供了一种电源转换器,包括:电感器,具有第一端和第二端,该电感器的该第二端被配置为提供该电源转换器的输出电压;第一开关,具有控制端、第一端和第二端,该第一开关的第一端耦接到该电感器的第一端,该第一开关的第二端被配置为接收该电源转换器的输入电压;检测器,被配置为检测该电源转换器的输出电压中的电压瞬态事件,并基于检测到的该输出电压中的电压瞬态事件生成第一控制信号;斜波发生器,被配置为接收输入信号,并基于该输入信号生成斜波信号;比较器,包括接收该斜波信号的第一输入端、接收该第一控制信号的第二输入端以及提供第二控制信号的输出端;脉冲发生器,被配置为接收该第一控制信号和该第二控制信号,生成包括脉冲的脉冲信号,并基于该第一控制信号和该第二控制信号改变该脉冲的至少一个特征;以及控制逻辑电路,被配置为耦接至该第一开关的控制端,并且接收该脉冲信号,并基于该脉冲信号控制该第一开关的操作。
根据至少一个实施方式,提供了一种控制电源转换器的电路,该电源转换器包括电感器,该电感器的一端通过开关耦接至输入电压,该电路包括:检测器,被配置为检测该电源转换器的输出电压中的电压瞬态事件,并基于检测到的该输出电压中的电压瞬态事件生成第一控制信号;控制信号发生器,被配置为接收该第一控制信号,并且基于该第一控制信号至少部分地通过在该电压瞬态事件期间改变该开关的导通时间以及当该检测器没有检测到电压瞬态事件时保持该开关的导通时间恒定,来控制该开关的操作。
本发明的电源转换器和控制电源转换器的电路,能够在负载快速变化导致输出电压的瞬态事件时,可以提高电源转换器的性能。
在阅读各个附图中例示的优选实施例的如下详细描述之后,本发明的这些和其他目的对本领域技术人员来说无疑将变得显而易见。
附图说明
图1根据一些实施方式示出了电源转换器系统的示意图。
图2A至图2C根据一些实施方式示出了降压转换器系统的详细示意图。
图3A至图3C根据一些实施方式示出了在不同的操作条件下脉冲信号的示例波形图。
具体实施方式
传统的恒定导通时间降压转换器通常比其他类型的电源转换器,如基于时钟(clock-based)的降压转换器提供更快的瞬态响应时间。然而,传统的恒定导通时间降压转换器可能仍然无法跟上快速的负载变化。本发明的发明人已经意识到,通过改变在瞬态事件期间上部开关的导通时间并且当瞬态事件结束时返回到恒定导通时间,恒定导通时间降压变换器的性能可以提高。
图1根据一些实施方式示出了在瞬态事件期间改变上部开关的导通时间的电源转换器系统100的示意图。电源转换器系统100包括耦接到降压转换器102的控制电路112。降压转换器102接收输入电压Vin并提供小于输入电压Vin的输出电压Vout。降压转换器102包括上部开关104、下部开关106、电感器108和电容器110。电容器110的第一端耦接到电感器108的第二端,电容器110的第二端耦接到参考电位(如接地)。上部开关104包括被配置为接收输入电压Vin的第一端、耦接到电感器108的第一端的第二端、以及控制端。下部开关106包括耦接到电感器108的第一端的第一端、耦接到参考电位的第二端、以及控制端。控制电路112可以分别耦接到上部开关104的控制端和下部开关106的控制端,以控制施加到电感器108的第一端的电压,从而控制输出电压Vout。例如,控制电路112可以分别交替地将上部开关104和下部开关106导通和关闭,以在电感器108的第一端处产生其平均值低于输入电压Vin的方波电压。在此示例中,电感器108和电容器110共同作为低通滤波器,因而产生比输入电压Vin低的直流(DC)输出电压Vout。
控制电路112包括瞬态检测器114和控制信号发生器113。瞬态检测器114接收降压转换器102的输出电压并且检测输出电压相对于参考电压Vref的变化。瞬态检测器114可以基于检测到的电压瞬变(voltage transient)生成控制信号124(即,第一控制信号)并将控制信号124提供给控制信号发生器113。控制信号发生器113可以被配置为接收控制信号124并根据控制信号124控制上部开关104和/或下部开关106的操作。例如,控制信号发生器113可以改变在电压瞬态事件期间上部开关104的导通时间,并且当瞬态检测器114没有检测到瞬态事件时保持上部开关104的导通时间恒定。
如图1所示,控制信号发生器113包括斜波发生器(ramp generator)116、比较器118、脉冲发生器120、控制逻辑电路122。斜波发生器116基于其输入信号生成第一斜波信号126。下面将更详细地讨论,输入信号可以是来自控制电路112和/或降压转换器102的各种信号的任何一种。例如,输入信号可以是降压转换器102中电感器108的第一端处的电压。第一斜波信号126被提供至比较器118的反相端。比较器118的非反相端从瞬态检测器114接收控制信号124。比较器118将第一斜波信号126与控制信号124比较,以生成表示第一斜波信号126是否高于(或低于)控制信号124的输出信号。比较器118的输出信号可以是触发脉冲发生器120在脉冲信号130中开始脉冲的起始信号128(其中,该起始信号128也可称为第二控制信号)。例如,第一斜波信号126可以包括下降的斜波,当第一斜波信号126下降到低于控制信号124时,起始信号128可以触发脉冲发生器120生成脉冲。
脉冲发生器120生成脉冲信号130,脉冲信号130用于操作(direct)控制逻辑电路122分别控制上部开关104和/或下部开关106的状态。脉冲发生器120除了从比较器118接收起始信号128外,还可以从瞬态检测器114接收控制信号124,并根据控制信号124和起始信号128生成脉冲信号130。在一些实施方式,脉冲信号130可以包括表明上部开关104何时应该导通(或断开)的脉冲。在这些实施方式,脉冲发生器120可以改变脉冲信号130中脉冲的一个或多个特征,以调整输出电压Vout,从而补偿瞬态事件。例如,输出电压Vout可能会低于目标电压,则脉冲信号130可以指示上部开关104的导通时间应该增加,以增加在电感器108的第一端处的平均电压,从而提高输出电压Vout。相反,输出电压Vout可能会高于目标电压,则脉冲信号130可以指示上部开关104的导通时间应该减少,以降低在电感器108的第一端处的平均电压,从而降低输出电压Vout。
图2A根据一些实施方式示出了降压转换器系统的示例实现方式。如图2A所示,瞬态检测器114包括误差放大器202,误差放大器202的非反相端接收参考电压Vref,反相端接收输出电压Vout,输出端提供控制信号124。在一些实施方式中,参考电压Vref即目标(或期望的)输出电压。在这些实施方式中,误差放大器202产生的控制信号124用于指示期望的输出电压Vref和实际输出电压Vout之间的差。
图2A所示的脉冲发生器120基于来自比较器118的起始信号128和来自瞬态检测器114的控制信号124,生成脉冲信号130。脉冲发生器120包括存储器212,该存储器212通过在两个状态(例如低状态和高状态)之间切换来生成脉冲信号130中的脉冲。存储器212可以例如是SR锁存器。存储器212在输出端Q提供脉冲信号130并且在输出端Q’提供脉冲信号130的反向信号。存储器212包括耦接到比较器118的输出的设置输入端,以接收起始信号128。存储器212可以响应于起始信号128从第一状态变化到第二状态(例如,从低到高),开始脉冲信号130中的脉冲。存储器212还包括重置端以接收停止信号224。存储器212可以响应于停止信号224从第一状态变化到第二状态(例如,从高到低),停止脉冲信号130中的脉冲。停止信号224可以由比较器220生成,比较器220用于比较控制信号124和第二斜波信号222。第二斜波信号222可以通过对电容器214充电和放电产生。例如,电容器214可以开始时是完全放电状态,在电容器214两端之间电压为零(或接近于零)。与电容器214串联的电流源216对容器214充电以增加电容器214两端间的电压。因此,产生上升的斜波信号作为第二斜波信号222。开关218与电容器214并联耦接并且对电容器214放电以重置上升的斜波信号。可以基于存储器212提供的脉冲信号130的反向信号来控制开关218。
如上所述,斜波发生器116生成提供至比较器118的第一斜波信号126。图2A中的斜波发生器116包括与开关210并联耦接的电容器204,其中开关210由脉冲发生器120提供的脉冲信号130控制。斜波发生器116进一步包括耦接到开关210的第一端的电压源206和耦接到开关210的第二端的电流源208。图2A所示的斜波发生器116通过对电容器204充电和放电生成下降的斜波信号。例如,电容器204可以以完全放电状态开始,此时电容器204两端的电压等于(或约等于)电压源206提供的电压。与电容器204串联耦接的电流源208对电容器204充电,以增加电容器204两端的电压。因此,第一斜波信号126的电压随着时间降低。第一斜波信号126的电压可以通过暂时闭合开关210以对电容器204放电,重置回初始值(例如,电压源206的电压)。如图所示,电容器204基于脉冲信号130的状态通过开关210放电。例如,电容器204可以在脉冲信号130中每个脉冲开始时被放电。
应当理解,图2A所示的斜波发生器116可以根据脉冲信号130之外的信号生成第一斜波信号126。降压转换器102和/或控制电路112可以包括适合于转变成第一斜波信号126的多个信号。例如,电感器108的电感电流可以具有三角波形式,该三角波形式包括上升的斜率部分和下降的斜率部分。下降的斜波信号可以通过如下方式形成:将三角波的具有上升斜率的部分移除以产生具有一系列下降斜波的信号。图2B示出了这种示例的斜波发生器。可以看出,降压转换器102包括电流感测电路226,被配置为产生表示电感器108中电流幅度的电感电流信号,并提供电感电流信号至斜波发生器116。斜波发生器116通过电流感测放大器228放大电感电流信号,并通过取样保持电路230移除三角波形中具有上升斜率的部分。例如,三角波形的上升部分可以对应于当上部开关104导通时的时间,并且三角波形的下降部分可以对应于当上部开关104关断时的时间。因此,可以通过在上部开关104导通之前将电感电流信号保持在固定值,来移除三角波形的上升部分。取样保持电路230可以接收脉冲信号130,并基于脉冲信号130在适当的时间将电感电流信号保持在固定值。例如,脉冲信号130中的脉冲可以表示上部开关104何时导通。在这个示例中,取样保持电路230可以在脉冲信号130为高的时间期间(表示上部开关104导通)保持电感电流信号的值恒定。
在一些实施方式中,斜波发生器116基于电感器108第一端上的电压生成第一斜波信号126。例如,电感器108的分别耦接到上部开关104和下部开关106的端子处的电压波形可以是方波。因此,斜波信号可以通过对方波进行滤波以产生包括一系列下降斜波的三角波形而形成。图2C示出了这种示例斜波发生器。如图所示,斜波发生器116接收电感器108的第一端处的电压,并将低通滤波器应用到该电压波形以生成第一斜波信号126。低通滤波器可以包括电阻器228和电容器230。
如上所述,脉冲发生器120可以在瞬态事件期间改变脉冲信号130中脉冲的一个或多个特征,以维持输出电压Vout。例如,可以改变脉冲信号130中脉冲的宽度和/或定时。图3A示出了没有任何瞬态事件时脉冲信号130的示例波形。如图3A所示,脉冲信号130包括多个脉冲,该多个脉冲具有等间距的相同脉冲宽度。当第一斜波信号126的幅度达到控制信号124时,开始脉冲信号130中的每个脉冲。当第一斜波信号126的幅度达到控制信号124时,第一斜波信号126也会重置。当第二斜波信号222的幅度达到控制信号124时,脉冲信号130中的每个脉冲结束。当达到控制信号124时第二斜波信号222重置,并且第二斜波信号222保持低值直到脉冲信号130中新脉冲开始。
图3B示出了在输出电压Vout下降的瞬态事件期间脉冲信号130的示例波形。输出电压Vout下降可能是由于例如负载阻抗的改变和/或负载引起的电流幅度的改变。如图3B所示,瞬态事件302的特点可以是控制信号124的增加。控制信号124的增加提前停止了第一斜波信号126中的第一斜波,因此,提前开始了脉冲信号130中的第二脉冲。脉冲信号130中第二脉冲的持续时间也会增加,因为第二斜波信号222必须达到现在已经增加了的控制信号124。如图所示,第三脉冲回到与第一脉冲相同的特征,因为瞬态事件302已经结束。
图3C示出了在输出电压Vout增加的瞬态事件期间脉冲信号130的示例波形。输出电压Vout增加可能是由于例如负载阻抗的改变和/或负载引起的电流强度的改变。如图3C所示,瞬态事件304的特点可以是控制信号124的降低。控制信号124的降低延长了第一斜波信号126中的第一斜波,因此,延迟了脉冲信号130中第二脉冲的开始。脉冲信号130中第二脉冲的持续时间也会减少,因为第二斜波信号222仅需达到现在已经降低了的控制信号124。如图所示,第三脉冲回到与第一脉冲相同的特征,因为瞬态事件304已经结束。
在一些实现方式中,可以具体选择斜波发生器116和/或脉冲发生器120的各种参数,以在稳态操作期间产生脉冲信号130中具有各种特征的脉冲。例如参照图2A,可以选择电压源206提供的电压(V206)和电流源216提供的电流(I216)的幅值,以产生在脉冲信号130中宽度与Vref和输入电压Vin之比成正比的脉冲。在这个示例中,可以选择电流源216提供的电流(I216)的幅值与输入电压Vin成比例。此外,电压源206提供的电压(V206)可以是稳态时参考电压Vref、电容器204的电容值(C204)、电流源208的电流(I208)和脉冲信号130中脉冲的期望周期(T)的函数,如方程(1)所示:
应当理解,可以采用不同的关系来确定图2A至图2C中所示组件的适当的值。此外,在一些实施方式中脉冲信号130中的脉冲的宽度也可以不与参考电压Vref除以输入电压Vin成正比。
上述实施方式已经描述了降压转换器。本文描述的技术并不局限于恒定导通时间的降压转换器,因为这些技术例如也可以适用于恒定关断时间的降压转换器。此外,本文所示技术并不局限于降压转换器,因为这些技术也可以应用到其他类型的电源转换器,例如升压转换器等。在一些实施方式中,这些技术还可以适用于恒定导通时间或恒定关断时间的的升压转换器。此外,虽然这里描述的技术适用于恒定导通时间或恒定关断时间的电源转换器,所述技术并不局限于具有恒定导通时间或关断时间的电源转换器。
本文所述装置和技术的各个方面可以单独使用,或组合使用,或者以上述说明书中描述的实施方式中未特别讨论的各种方式使用,因此其应用并不局限于说明书或附图中所描述的组件的细节和设置。例如,一个实施方式描述的方面可以以任何方式与其他实施方式中描述的方面相结合。
权利要求中使用的序数词,比如“第一”、“第二”、“第三”等本身并不意味着任何次序、优先级或一个元件相对另一个元件的顺序或者执行方法步骤的顺序,仅作为标签以将具有某名称的一个元件与具有相同名称的另一元件区分开来。
同时,所使用的措辞和术语是以描述为目的的,不应该被视为限制。本文使用的“包括”、“包含”、“具有”、“有”、“含有”等及其变形,旨在包括其后列出的所有项目和其等同物以及额外的项目。
Claims (25)
1.一种控制电源转换器的电路,该电源转换器包括产生电感电流的电感器,该电路包括:
检测器,被配置为检测该电源转换器的输出电压中的电压瞬态事件,并基于检测到的该输出电压中的电压瞬态事件生成第一控制信号;
斜波发生器,被配置为接收输入信号,并基于该输入信号生成斜波信号;
比较器,包括接收该斜波信号的第一输入端、接收该第一控制信号的第二输入端以及提供第二控制信号的输出端;
脉冲发生器,被配置为接收该第一控制信号和该第二控制信号,生成包括脉冲的脉冲信号,并基于该第一控制信号和该第二控制信号改变该脉冲的至少一个特征;以及
控制逻辑电路,被配置为接收该脉冲信号,并基于该脉冲信号控制该电源转换器中至少一个开关的操作。
2.根据权利要求1所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该斜波发生器的该输入信号是该电感器的第一端处的电压,并且该斜波发生器包括被配置为通过对该输入信号进行滤波以生成该斜波信号的低通滤波器。
3.根据权利要求1所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该斜波发生器的该输入信号是该电感电流的幅度,并且该斜波发生器包括串联耦接的取样保持电路和放大器。
4.根据权利要求3所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该斜波发生器进一步被配置为接收该脉冲信号,并基于该脉冲信号控制该取样保持电路。
5.根据权利要求1所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该斜波发生器包括电容器、与该电容器并联耦接的开关、耦接至该电容器的第一端的电压源以及耦接至该电容器的第二端的电流源。
6.根据权利要求5所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该斜波发生器的该输入信号是该脉冲信号,并且该斜波发生器进一步被配置为基于该脉冲信号控制该斜波发生器中的该开关的操作。
7.根据权利要求1所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该脉冲发生器包括存储器,该存储器被配置为通过在至少两种状态间切换生成该脉冲信号。
8.根据权利要求7所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该脉冲发生器进一步包括电流源、与该电流源串联耦接的电容器以及开关,该脉冲发生器中的该开关的第一端耦接在该电流源和该电容器之间,该开关的第二端耦接到参考电位。
9.根据权利要求8所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该脉冲发生器进一步包括比较器,该脉冲发生器中的该比较器的第一输入端耦接至该脉冲发生器中的该开关的第一端,该脉冲发生器中的该比较器的第二输入端被配置为接收该第一控制信号。
10.根据权利要求9所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该存储器是SR锁存器,并且包括被配置为接收该第二控制信号的设置端以及耦接到该脉冲发生器中的该比较器的输出端的重置端。
11.根据权利要求10所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该SR锁存器进一步被配置为生成该脉冲信号的反向信号,并且该脉冲发生器进一步被配置为基于该脉冲信号的反向信号来控制该脉冲发生器中的该开关的操作。
12.根据权利要求1所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该脉冲发生器进一步被配置为根据该第一控制信号和该第二控制信号改变该脉冲的宽度。
13.一种电源转换器,包括:
电感器,具有第一端和第二端,该电感器的该第二端被配置为提供该电源转换器的输出电压;
第一开关,具有控制端、第一端和第二端,该第一开关的第一端耦接到该电感器的第一端,该第一开关的第二端被配置为接收该电源转换器的输入电压;
检测器,被配置为检测该电源转换器的输出电压中的电压瞬态事件,并基于检测到的该输出电压中的电压瞬态事件生成第一控制信号;
斜波发生器,被配置为接收输入信号,并基于该输入信号生成斜波信号;
比较器,包括接收该斜波信号的第一输入端、接收该第一控制信号的第二输入端以及提供第二控制信号的输出端;
脉冲发生器,被配置为接收该第一控制信号和该第二控制信号,生成包括脉冲的脉冲信号,并基于该第一控制信号和该第二控制信号改变该脉冲的至少一个特征;以及
控制逻辑电路,被配置为耦接至该第一开关的控制端,并且接收该脉冲信号,并基于该脉冲信号控制该第一开关的操作。
14.根据权利要求13所述的电源转换器,其特征在于,该电源转换器进一步包括与该第一开关串联耦接的第二开关,并且该控制逻辑电路进一步被配置为基于该脉冲信号控制该第一开关和该第二开关的操作。
15.根据权利要求13所述的电源转换器,其特征在于,该斜波发生器的该输入信号是该电感器的第一端处的电压,并且该斜波发生器包括被配置为通过对该输入信号进行滤波以生成该斜波信号的低通滤波器。
16.根据权利要求13所述的电源转换器,其特征在于,该斜波发生器的该输入信号是该电感器中电流的幅度,并且该斜波发生器包括串联耦接的取样保持电路和放大器。
17.根据权利要求13所述的电源转换器,其特征在于,该斜波发生器包括电容器、与该电容器并联耦接的开关、耦接至该电容器的第一端的电压源以及耦接至该电容器的第二端的电流源。
18.根据权利要求17所述的电源转换器,其特征在于,该斜波发生器的该输入信号是该脉冲信号,并且该斜波发生器进一步被配置为基于该脉冲信号控制与该斜波发生器中的该开关的操作。
19.根据权利要求13所述的电源转换器,其特征在于,该脉冲发生器进一步被配置为根据该第一控制信号和该第二控制信号改变该脉冲的宽度。
20.一种控制电源转换器的电路,该电源转换器包括电感器,该电感器的一端通过开关耦接至输入电压,该电路包括:
检测器,被配置为检测该电源转换器的输出电压中的电压瞬态事件,并基于检测到的该输出电压中的电压瞬态事件生成第一控制信号;以及
控制信号发生器,被配置为接收该第一控制信号,并且基于该第一控制信号至少部分地通过在该电压瞬态事件期间改变该开关的导通时间以及当该检测器没有检测到电压瞬态事件时保持该开关的导通时间恒定,来控制该开关的操作。
21.根据权利要求20所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该控制信号发生器包括斜波发生器和比较器,该斜波发生器被配置为生成斜波信号,该比较器被配置为将该斜波信号与该第一控制信号比较,以生成第二控制信号。
22.根据权利要求21所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该斜波发生器进一步被配置为基于该电感器中的电流幅值和该电感器的第一端处的电压两者中至少一者生成该斜波信号。
23.根据权利要求21所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该控制信号发生器进一步包括脉冲发生器,该脉冲发生器被配置为接收该第一控制信号和该第二控制信号,并基于该第一控制信号和该第二控制信号生成包括脉冲的脉冲信号,以及该控制信号发生器进一步被配置为基于该脉冲信号控制该开关的操作。
24.根据权利要求23所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该脉冲发生器进一步被配置为基于该第一控制信号和该第二控制信号改变该脉冲的至少一个特征。
25.根据权利要求23所述的控制电源转换器的电路,其特征在于,该斜波发生器进一步被配置为接收该脉冲信号,并基于该脉冲信号生成该斜波信号。
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