CN110829864B - 自适应直流电压输出电源组件及电压需求侦测与输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应直流电压输出电源组件，用于根据电器的额定电压输出相应电压值的直流电源，其包括直流电源插座，与其适配的输电电缆及嵌入用电器的被测电路；所述直流电源插座的输入端与市政电源连接，电器经过所述四芯电缆(可以兼容各类通用USB数据线，包括USB type‑c等)与所述直流电源插座连接，所述四芯电缆中，两根芯(导线)为直流电压输出(Vout，地线GND)，另两根线为信号线(D1，D2)，用于对用电器进行检测，获取用电器所需直流电压值。本发明还提出了一种电压需求侦测与输出方法，在技术上实现了对所有低功耗直流电子设备的电源供电接口的统一。对于较高功耗，本发明的基本方法仍然适用。

Description

自适应直流电压输出电源组件及电压需求侦测与输出方法

技术领域

本发明属于电子电器领域，具体地说，涉及一种自适应直流电压输出电源组件。

背景技术

现代办公和家庭生活用电存在着交流送电和直流用电的矛盾。世界各国面向最终用户的电力输送普遍实行交流送电。而办公和家庭用电除一些能耗设备(如白炽灯，热水器，空调，电扇等)，很多电子设备其内部实际都是用直流供电的(如电脑，手机，pad，LED灯，无线路由器、机顶盒，CD机等)。

这种现状导致一些问题，例如：

由于历史原因，进户电压在全球各国有着不同的标准(如中国采用220v交流进户)，各国插座接口的物理特征也多种多样，相同功能的电器在不同国家销售须配置不同的插头。这些不同给人民的国际交往带来麻烦。

每个电器都要设置电源模块，不同的电器不能共享。有些电器(如机顶盒、CD机)的电源模块设置在机器内部，导致机器体积变大，同时存在散热等问题，影响设计小型化。有些电器的电源模块设置在机器外部(称为电源适配器)，但是不同电器(虽然采用相同电压)甚至是同种电器的不同品牌之间(如笔记本电脑)都使用不同的接口，使得电源适配器成为一个必须携带的累赘附件，影响电器的便携性。

由于各种原因，除了手机充电接口有建议标准(USB接口)外，直流电源的机械接口尚未统一。一方面，同样电压的机械接口可能是不同的，不能互相借用；另一方面，不同电压的机械接口可能是相同的，容易因连接出错导致电路主板烧坏。

针对以上问题，本发明团队主要成员申请并获得了发明专利(ZL201510015344.4，“一种自适应调节输出电压的直流电源插座组件”)。本发明是对于前述已授权专利的改进。专利ZL201510015344.4中所描述的“一种自适应调节输出电压的直流电源插座组件”，包括直流电源插座及与其适配的输电电缆，电缆包含电压输出引脚和信号引脚。根据电器的额定电压，在用电器端(或者在电缆的电器侧)设置跳线，电源插座通过信号线读取该跳线设置的值，在电压输出端输出预设的电压值(一组电压值序列的一个值，该电压值序列可以是等差、等比或按照一定标准或协议来设置)。典型的，电缆需要14根引脚来实现信号和直流能源的传送。

美国高通公司的快速充电协议(Quick Charge，QC)通过电源适配器端与智能设备的通讯调节对智能设备电池进行充电的电压及功率。目前较常用的为QC2.0和QC3.0协议，其中QC2.0支持5V/9V/12V(classA)和5V/9V/12V/20V(classB)两种固定电压值的调节方式。QC3.0在兼容QC2.0的基础上，智能设备根据当前电池的电量及温度，选择合适的充电电压(以0.2V为基本单位增加或降低)，然后将电压变更需求发送给充电器，以达到提高充电效率、减少电池发热的效果。

其他用于移动终端的快充方案还有：联发科PEP、OPPO VOOC、华为FCP/Supercharge、USB PD等。这些快速充电协议主要用于对智能设备电池的充电管理，通过调节电压或电器内部电流的方式来实现对设备电池的快速充电。其电压(电流)调节需要智能设备端运行相关程序与供电端通讯来实现，因而不适用于对一般的电子设备(非充电设备，非智能设备等)进行匹配直流电压供电。

发明内容

本发明主要为解决部分办公和生活用电子设备实际直流用电和市电交流送电之间的矛盾，提出了一种能够自适应调节输出直流电压的电源插座及组件，用于根据电器的额定电压输出相应电压值的直流电源。

本发明提出了一种自适应直流电压输出电源组件，包括：直流电源插座、四芯电缆和被测电路。

本发明中，所述直流电源插座设置一个或一个以上插孔，所述插孔与交直流变换电路和处理控制模块连接；所述处理控制模块与所述交直流变换电路连接；所述插孔通过四芯电缆与所述用电器电气连接，所述用电器内设置所述被测电路；所述被测电路通过所述四芯电缆与所述处理控制模块连接。

本发明中，所述处理控制模块包括：用电器类型检测分析模块、快充协议处理与响应模块、被测电路电气属性侦测模块、被测电路电压需求分析模块、输出电压调节模块。

本发明中，所述四芯电缆中，两根芯为与直流电压输出线和接地线(Vout，地线GND)，另两根芯为信号线(D1，D2)；所述四芯电缆可以兼容各类通用USB数据线，包括USBtype-c等，此时，所述插孔与USB插孔(type-A，type-C或后续类型)机电兼容。如新类型USB电缆多于四根芯线，本发明用到其中的Vcc、GND、D-和D+四条芯线。

本发明中，所述交直流变换电路将输入的交流电压转换为直流电压，对插座内部模块供电，并根据所述处理控制模块的控制信号输出相应的直流电压到所述插孔；所述插孔具有检测插孔是否插入的机电装置，若无电缆插入，所述交直流变换电路将断开。

基于以上自适应直流电压输出电源组件，本发明还提出了一种自适应直流电压输出电源组件的电压需求侦测与输出方法：处理控制模块通过四芯电缆侦测被测电路的被测属性，并根据所述被测属性调控交直流变换电路的直流输出；所述交直流变换电路根据所述处理控制模块的控制信号，将交流输入转换成所述用电器的额定电压，通过所述四芯电缆传输至所述电器实现供电。

本发明提出的电压需求侦测与输出方法中，所述处理控制模块监测四芯电缆中信号线上信号，若用电器动态提出修改输出电压的需求，改变线上信号，所述处理控制模块识别用电器需求，调节控制信号输出对应的电压值。

本发明提出的电压需求侦测与输出方法中，所述被测属性包括下列属性的一个或几个的组合：电阻值、电容值、电感值、电压值、电流值、震荡电路频率、一定时间内脉冲计数。

本发明提出的电压需求侦测与输出方法中，所述处理控制模块根据被测属性值的大小或变化调节输出电压，输出电压与被测电路属性的值存在映射关系。

本发明提出的电压需求侦测与输出方法中，所述处理控制模块的电压输出包括：细粒度输出和粗粒度输出；所述细粒度输出可以输出精细的电压，输出电压直接与被测电路的被测属性直接相关；所述粗粒度输出输出的电压值为一个离散序列，它将被测属性测量值映射到可用电压序列中最接近的电压值。

本发明提出的电压需求侦测与输出方法中，所述离散序列可以是等比序列、等差序列或者一系列指定的电压值组成的序列。

本发明所述用电器内设置一个固定的被测电路，见附图5。通过测量该被测电路的基本特征属性来设置输出直流的电压；所述直流电源插座通过四芯电缆中的D1,D2信号线侦测所述被测电路的被测属性，所述处理控制模块将被测属性按一定规律转化成电压需求，通知所述直流电源直流电压变换输出电路，在所述四芯电缆的(Vout，GND)上输出所对应的直流电压。

本发明进一步简化了电器接口，一般只需4根引脚用于信号和能量的传输，从而从物理器件上，可以使用USB电缆(各种类型)作为插座和电器之间的传输电缆，进一步提高了使用的便利性。

进一步，本发明在插座端也增加了对快充协议的兼容性。对于支持快充的用电器(智能终端，如支持快充的智能手机)动态提出修改输出电压的需求，系统将予以响应。对于不支持输入电压可动态改变的一般用电器(如LED电灯，机顶盒)，则通过被测电路读取电压需求，由系统产生所需电压的直流电。

本发明的有益效果在于：

在插座上实现统一的直流供电接口，直接对直流电器进行直流供电，提高效率，减少电器本身的体积、重量等，提高便携性，减少冗余和浪费。

与现有技术相比，本发明进一步简化了电器接口，只需4根引脚用于信号和能量的传输，从而从物理器件上，可以使用USB电缆(各种类型)作为插座和电器之间的传输电缆，进一步提高了使用的便利性。

采用USB电缆，在插座端也增加了对快充协议的兼容性。对于支持快充的用电器(智能终端)，动态提出修改输出电压的需求，系统将予以响应。对于不支持输入电压可动态改变的一般用电器，则通过被测电路读取电压需求，由系统产生所需电压的直流电。

相较于各类快充协议，本发明不仅可以用于支持快充协议的智能设备，进行快速充电，而且适用于非智能设备，非充电设备的直流供电。

在技术上实现了对所有低功耗直流电子设备的电源供电接口的统一(统一插孔，统一电缆)。对于较高功耗(高电压、高电流)，本技术的基本方法仍然适用，在具体实施中需要考虑到电压的生成和电流传输过程中导线等的安全和功耗问题。

附图说明

图1是现有技术中电源插座及适配器的工作原理图。

图2是本发明供电分工示意图。

图3是系统的一种实现方案对应的示意图。

图4是本发明系统结构图。

图5是插孔与被测电路连接示意图。

图6是被测电路是一个电阻时与处理控制模块的连接示意图。

图7是被测电路是一个振荡电路时与处理控制模块的连接示意图。

图8是被测电路是一个计数脉冲生成电路时与处理控制模块的连接示意图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明提出了一种自适应直流电压输出电源组件，包括：直流电源插座、四芯电缆和被测电路。

本发明中，所述直流电源插座设置一个或一个以上插孔，所述插孔与交直流变换电路和处理控制模块连接；所述处理控制模块与所述交直流变换电路连接；所述插孔通过四芯电缆与所述用电器电气连接，所述用电器内设置所述被测电路；所述被测电路通过所述四芯电缆与所述处理控制模块连接。

本发明中，所述处理控制模块包括：用电器类型检测分析模块、快充协议处理与响应模块、被测电路电气属性侦测模块、被测电路电压需求分析模块、输出电压调节模块。

本发明中，所述四芯电缆中，两根芯为与直流电压输出线和接地线(Vout，地线GND)，另两根芯为信号线(D1，D2)；所述四芯电缆可以兼容各类通用USB数据线，包括USBtype-c等。

本发明中，所述交直流变换电路将输入的交流电压转换为直流电压，对插座内部模块供电，并根据所述处理控制模块的控制信号输出相应的直流电压到所述插孔；所述插孔具有检测插孔是否插入的机电装置，若无电缆插入，所述交直流变换电路将断开。

基于以上自适应直流电压输出电源组件，本发明还提出了一种自适应直流电压输出电源组件的电压需求侦测与输出方法：处理控制模块通过四芯电缆侦测被测电路的被测属性，并根据所述被测属性调控交直流变换电路的直流输出；所述交直流变换电路根据所述处理控制模块的控制信号，将交流输入转换成所述用电器的额定电压，通过所述四芯电缆传输至所述电器实现供电。

本发明提出的电压需求侦测与输出方法中，所述处理控制模块监测四芯电缆中信号线上信号，若用电器动态提出修改输出电压的需求，改变线上信号，所述处理控制模块识别用电器需求，调节控制信号输出对应的电压值。

本发明提出的电压需求侦测与输出方法中，所述被测属性包括下列属性的一个或几个的组合：电阻值、电容值、电感值、电压值、电流值、震荡电路频率、一定时间内脉冲计数。

本发明提出的电压需求侦测与输出方法中，所述处理控制模块根据被测属性值的大小或变化调节输出电压，输出电压与被测电路属性的值存在映射关系。

本发明提出的电压需求侦测与输出方法中，所述处理控制模块的电压输出包括：细粒度输出和粗粒度输出；所述细粒度输出可以输出精细的电压，输出电压直接与被测电路的被测属性直接相关；所述粗粒度输出输出的电压值为一个离散序列，它将被测属性测量值映射到可用电压序列中最接近的电压值。

本发明提出的电压需求侦测与输出方法中，所述离散序列可以是等比序列、等差序列或者一系列指定的电压值组成的序列。

插座与直流插孔

作为一个示例，图3显示了一种可行的但不唯一的插座(接线板)形状。为了便于使用其它交流电的电器，该插座保留了220v交流电压的插孔。实际的插座也可以不保留交流电压插孔。

图3中显示的直流电压输出的插孔的排列仅作参考，插孔间的排列可以是任意的。插座的形状也可以任意设计，只要能排列得下相应插孔以及内部电路即可。除接线板外，也可以是嵌入到墙面的插座，一体化的转换插头(插针直接接交流电，一个或多个插孔输出直流电)，或其它形式的含直流插孔的电源供应器件。

本实施例中，插孔设置有检测是否有电缆插入的机电装置。

四芯电缆与插头

与插孔相对应，四芯电缆内部需要4根导线，对应连接到插头的四个引脚，与插孔的Vout、GND、D1、D2相匹配。本发明可以根据最大允许输出电流，信号线的噪音屏蔽要求等设计四芯电缆。

为了提高兼容性和便利性，一般的，本发明可以采用USB电线(任何一种类型)作为本发明的四芯电缆的一种实现。从而可以采用USB的插头。相应的，直流插孔也可以采用USB插口的方式。与USB兼容使用时，Vout、GND、D1、D2四根引脚分别对应于USB的Vcc、GND、D-、D+引脚。

电器端的被测电路

所述用电器内设置一个固定的被测电路，通过测量该被测电路的基本特征属性来设置输出直流的电压；该被测电路的特征属性(被测属性)包括但不限于下列属性的一个或几个的组合：电阻值、电容值、电感值、电压值、电流值、振荡电路频率、一定时间内的脉冲计数等；所述直流电源插座处理控制模块通过四芯电缆中的D1,D2信号线侦测所述被测电路的被测属性，并将被测属性按一定规律转化成电压需求，通知所述直流电源插座处理控制模块，在所述四芯电缆的两根引脚(Vout，GND)上输出所对应的直流电压。

电压输出分为细粒度输出和粗粒度输出。细粒度可以输出精细的电压，输出电压直接与被测电路的被测属性直接相关(根据一定的公式计算而得)，它需要采用精密的被测电路。粗粒度输出电压值为一个离散序列(可以是等比，等差，或者根据约定指定的一些电压值的序列)，它将被测属性测量值映射到可用电压序列中最接近的电压值。粗粒度输出降低了对器件的精度要求。

工作过程简述

参考图4，所有插孔未有插头物理插入时，系统电路断开，处于不工作状态。当有插头插入插孔，交直流变换电路接通开始工作，为相关内部模块供电。处理控制模块通过检测D1、D2上的信号，分析确定用电器所需电压，输出控制信号给可控变压模块实现自适应直流电压的输出。

系统中增加了对快充协议的兼容。对于采用快充协议的智能用电器，直接使用USB数据线连接。智能电器按照快充协议中对USB数据线的D+，D-上的信号电压进行变化，插座端检测到D+，D-(即本发明所称D2，D1)上信号的变化，根据快充协议在Vcc，GND之间输出协议规定的电压。

对于不采用快充协议的智能设备或没有通信功能的非智能用电器，例如台灯、路由器等，则需要在用电器端设置一个被测电路，实现所需输出电压的识别。如前所述，该被测电路测量的量包括但不限于下列属性的一个或几个的组合：电阻值、电容值、电感值、电压值、电流值、基本震荡频率等。如果插座端没有检测到(D1，D2)上发生符合快充协议的变化，并且被测电路的属性也稳定不变，则认为用电器端是一个非智能电器，实施本发明所对应的自适应电压输出。

图5展示了本发明被测电路与插孔的通用的连接方法。被测电路某些参数可以设置，以反映用电器的需求。参数设置是由用电器生产厂家根据电器需求设置，对电器的最终用户是透明的，无须用户操作。被测电路通过D1，D2将相关属性连接到插座的处理控制模块。

如前所述，该被测电路的特征属性(被测属性)包括但不限于下列属性的一个或几个的组合：电阻值、电容值、电感值、电压值、电流值、振荡电路频率、一定时间内的脉冲计数等。

下面以3种实现为例加以说明，展示用电器被测电路的连接与用户需求电压的计算方法。实际具体连接方式可能有所区别，不再罗列所有实现方法。

例1.以测量电阻为例。

如图6所示。被测电路为一个电阻(被测电阻R)，连接在D1，D2之间。处理控制模块包含一个MCU(微控制单元)。MCU输出一个参考电压Vref，经过一个参考电阻R0连接到D1,D2接地。D1连接到MCU的一根模拟输入引脚，测量输入的电压为Vin。则有：

Vin＝Vref*R/(R0+R) (1)

Vin的值域为[0,Vref)。需求电压Vout的取值范围根据目标用电器的取值范围确定，记为[Vout_bot,Vout_top],例如[1.5,24]。在Vin的值域中选一个子区间[Vin_bot,Vin_top]，即可与Vout建立映射关系。即通过设置电阻R的阻值，即可调节Vin的值，从而得到Vout的目标值。

为简化起见，令Vout正比于Vin，即

Vout＝k*Vin (2)

k为一个比例常数。

本实施例在插座端根据电阻的值来计算需求输出电压。则对用电器端而言，输出电压已知，需要通过设置电阻的值来实现需求电压设置。根据公式(1)，(2)，可以推导

R＝R0*Vin/(Vref-Vin)

＝R0*Vout/(k*Vref-Vout) (3)

即，根据公式(3)可以根据电压输出需求Vout求出被测电阻R的值。

典型的，Vref＝3.3(v),则Vin的值域为[0,3.3)。设k＝10，则取Vin_bot＝0.15,Vin_top＝2.4，即可满足Vout_bot＝1.5Vout_top＝24的需求。此时R的取值区间为[0.0476*R0,2.67*R0],该公式用于体现细粒度输出电压连续可变的特性，并提供一种相对简单的计算方式。此时电阻值的精度影响输出电压的精度。当测得阻值不在本阈值范围内时，有可能电阻电路发生短路、断路或者错接，此时应当无电压输出，以保证安全。

实际应用中，所需的不同电压往往不需要精细，这时也可以用粗粒度输出，即在一系列的电压中挑选一个。粗粒度输出可以通过相关公式进行四舍五入求近似值求得，也可以直接设置对应表格进行设置，例如下表：

被测属性范围(以电阻为例单位kΩ)	用电器所需电压(单位V)
		4000～5000	3.3
2500～3000	5
		1200～1500	9
750～900	12
		300～360	20

采用细粒度还是粗粒度，可以通过阻值的区间进行区分。

例2.以测量振荡电路频率为例。

如图7所示。这里被测振荡电路以经典的555电路为例。处理控制模块包含一个MCU。MCU输出Vcc_test，通过插孔的D1给555振荡电路供电，振荡电路即开始工作，并在D2引脚生成一个方波，接入MCU的一个数字输入引脚Sig_in。该方波的周期

T＝ln2*R2(R1+2R2)*C (4)

即R1，R2，C为可调节参数。

而振荡频率

F＝1/T (5)

在MCU的Sig_in输入引脚可以测量输入的频率。

可以建立输出电压需求Vout和振荡频率F之间的关系，设定为正比关系，即

Vout＝k2*F (6)

作为一个例子，取k2＝0.01。则F取值在[150,2400]可满足Vout的要求。

例3.以测量一定时间内的脉冲计数为例。

如图8所示。被测电路为脉冲生成电路。首先由晶振(频率为Fosc)形成基础的方波脉冲，由脉冲调节模块调节后从Po口经插孔的D2引脚连接到处理控制模块。

脉冲调节模块控制是否输出该方波，从而控制输出的方波个数。

统计在一个较短时间(称为计数周期，Tp)内在Po口的方波个数Np。设置Np和用电器需求电压Vout的映射关系。为简化起见，设

Vout＝k3*Np (7)

具体方法，晶振按Fosc的频率产生方波脉冲。脉冲调节模块内部有计数器，对这些方波脉冲的个数进行计数，则每个计数周期生成的晶振脉冲有Fosc*Tp个，记作Nx。计数器每隔Tp时间复位，即每次计数到Nx-1时，计数器归零重新计数。设置在一个计数周期内，当计数值count小于Np时，Po输出脉冲，否则不输出。

例如，晶振频率为32768Hz，Tp设为1/8秒，则Nx＝4096。即Np的取值范围为[0,4095]。令k3＝0.01，则Vout的取值范围为[0,40.95](伏)。反之，如需Vout在[1.5,24]之间，设置Np在[150,2400]之间即可。插座端的处理控制模块从Sig_in端口读取脉冲信号并计数，在Tp时间内即可获得相应的Np值，从而进行相关设置，控制交直流变换电路输出所需电压Vout。

这种方法基于数字电路的精确性，可以侦测到非常精准的电压需求，其精度也是可以调节的。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (9)

1.一种自适应直流电压输出电源组件，其特征在于，包括：直流电源插座、四芯电缆和被测电路，所述直流电源插座内设有交直流变换电路和处理控制模块，所述交直流变换电路用于将输入的交流电压转换为直流电压并对所述处理控制模块供电以及与所述处理控制模块信号连接；

所述直流电源插座设置一个或一个以上插孔，所述插孔的输入端与所述交直流变换电路直接电连接以及与所述处理控制模块信号连接；

所述四芯电缆包括两根信号线和两根直流电压输出线，所述插孔的输出端通过所述两根直流电压输出线与所述用电器电连接以及通过所述两根信号线与设置于用电器内的被测电路信号连接；其中

所述处理控制模块包括MCU微处理器并通过所述四芯电缆侦测所述被测电路的被测属性并将该被测属性按一定规律转化成电压需求，所述被测属性包括下列属性的一个或几个的组合：电阻值、电容值、电感值、电压值、电流、震荡电路频率、一定时间内脉冲计数，以及

所述交直流变换电路设置成根据所述处理控制模块的控制信号直接输出相应的直流电压到所述插孔。

2.如权利要求1所述的自适应直流电压输出电源组件，其特征在于，所述处理控制模块包括：用电器类型检测分析模块、快充协议处理与响应模块、被测电路电气属性侦测模块、被测电路电压需求分析模块、输出电压调节模块。

3.如权利要求1所述的自适应直流电压输出电源组件，其特征在于，所述四芯电缆可以与USB电缆兼容，其中，所述插孔与USB插孔机电兼容；所述USB插孔包括type-A和type-C；若所述USB电缆多于四根芯线，则使用其中Vcc、GND、D-和D+四条芯线。

4.如权利要求1所述的自适应直流电压输出电源组件，其特征在于，所述插孔具有检测插孔是否插入的机电装置，若无电缆插入，所述交直流变换电路将断开。

5.如权利要求1所述的自适应直流电压输出电源组件，其特征在于，所述处理控制模块监测四芯电缆中信号线上信号，若用电器动态提出修改输出电压的需求，改变线上信号，所述处理控制模块识别用电器需求，调节控制信号输出对应的电压值。

6.如权利要求5所述的自适应直流电压输出电源组件，其特征在于，所述处理控制模块根据被测属性值的大小或变化调节输出直流电压，输出电压与被测电路属性的值存在映射关系。

7.如权利要求5所述的自适应直流电压输出电源组件，其特征在于，所述处理控制模块的电压输出包括：细粒度输出和粗粒度输出；

所述细粒度输出可以输出精细的电压，输出电压直接与被测电路的被测属性直接相关；

所述粗粒度输出输出的电压值为一个离散序列，它将被测属性测量值映射到可用电压序列中最接近的电压值。

8.如权利要求7所述的自适应直流电压输出电源组件，其特征在于，所述离散序列可以是等比序列、等差序列或者一系列指定的电压值组成的序列。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的自适应直流电压输出电源组件的电压需求侦测与输出方法，其特征在于，

处理控制模块通过四芯电缆侦测被测电路的被测属性，并根据所述被测属性调控交直流变换电路的直流输出；

所述交直流变换电路根据所述处理控制模块的控制信号，将交流输入转换成所述用电器的额定电压，通过所述四芯电缆传输至所述电器实现供电。

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