CN112542880A - 单输入冗余电源模块的输入电源切换电路、系统和方法 - Google Patents

单输入冗余电源模块的输入电源切换电路、系统和方法 Download PDF

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CN112542880A CN202011370116.6A CN202011370116A CN112542880A CN 112542880 A CN112542880 A CN 112542880A CN 202011370116 A CN202011370116 A CN 202011370116A CN 112542880 A CN112542880 A CN 112542880A
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Abstract

本发明涉及冗余电源模块技术领域，具体涉及一种单输入冗余电源模块的输入电源切换电路、系统和方法。该电路中，第一电源输入端通过第一开关连接第一输出端；第一输出端通过第二开关连接第二输出端；第二电源输入端通过第三开关连接第二输出端；电压检测单元的输入端分别连接第一电源输入端和第二电源输入端；电压检测单元的输出端连接开关控制单元的输入端；开关控制单元的控制端分别连接第一开关的控制端、第二开关的控制端和第三开关的控制端。本发明为单输入冗余电源模块提供了电源切换功能，同时无需考虑电源切换的时间，整体控制时序简单，提高了单输入冗余电源模块的冗余可靠性。

Description

单输入冗余电源模块的输入电源切换电路、系统和方法
技术领域
本发明涉及冗余电源模块技术领域，具体涉及一种单输入冗余电源模块的输入电源切换电路、系统和方法。
背景技术
冗余电源模块是用于服务器中的一种电源，是由两个完全一样的电源供应单元(Power Supply Unit，PSU)组成，并由芯片控制电源供应单元进行负载均衡工作，当一个电源供应单元出现故障时，另一个电源供应单元马上可以接管其工作，而在为故障的电源供应单元进行维修更换后，又是两个电源供应单元协同工作。
常见的冗余电源模块可以分为单输入型和双输入型两种。如图1所示为一种现有的双输入冗余电源模块的结构示意图，其中每个电源供应单元接入的输入源数量为2个，能够配合内部的自动转换开关(Automatic Transfer Switch，ATS)，实现输入电源的冗余配置，提高服务器供电的可靠性。
如图2所示为一种现有的单输入冗余电源模块的结构示意图，其中每个电源供应单元接入的输入源数量为1个，因此当某个输入源出现低压或断路故障，会直接导致对应的电源供应单元失效，使得单输入冗余电源模块丧失了冗余功能，由未出现故障的电源供应单元承担所有的负载工作。
目前冗余电源模块的效率于50％的负载条件下为最高效率点，以现今规范电源模块效率80PLUS的白金等级评估，当单一电源供应单元的负载为100％时其工作效率为91％，当负载为50％时其工作效率为94％。因此,当单输入冗余电源模块丧失冗余功能时，其工作效率将由原先的94％降低到91％，损失增加3％，耗电量越大的设施，则其用电损失以及经济损失则更广泛。
因此，如何提高单输入冗余电源模块的冗余可靠性，是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种单输入冗余电源模块的输入电源切换电路、系统和方法，以提高单输入冗余电源模块的冗余可靠性。
为实现上述目的，本发明实施例提供了以下方案：
第一方面，本发明实施例提供单输入冗余电源模块的输入电源切换电路，包括：第一电源输入端、第二电源输入端、第一输出端、第二输出端、电压检测单元、开关控制单元、第一开关、第二开关和第三开关；
所述第一电源输入端通过所述第一开关连接所述第一输出端；
所述第一输出端通过所述第二开关连接所述第二输出端；
所述第二电源输入端通过所述第三开关连接所述第二输出端；
所述电压检测单元的输入端分别连接所述第一电源输入端和所述第二电源输入端；所述电压检测单元的输出端连接所述开关控制单元的输入端；
所述开关控制单元的控制端分别连接所述第一开关的控制端、所述第二开关的控制端和所述第三开关的控制端。
在一种可能的实施例中，所述第一电源输入端通过第一二极管连接所述电压检测单元的输入端；
所述第二电源输入端通过第二二极管连接所述电压检测单元的输入端。
在一种可能的实施例中，所述电压检测单元为具有电压检测功能的单片机；
所述开关控制单元为具有开关控制功能的单片机。
在一种可能的实施例中，所述第一开关为第一继电器或第一可控硅器件；
所述第二开关为第二继电器或第二可控硅器件；
所述第三开关为第三继电器或第三可控硅器件。
第二方面，本发明实施例提供一种单输入冗余电源模块的输入电源切换系统，包括：输入电源切换电路、第一电源供应单元和第二电源供应单元；
所述输入电源切换电路，包括：第一电源输入端、第二电源输入端、第一输出端、第二输出端、电压检测单元、开关控制单元、第一开关、第二开关和第三开关；
所述第一电源输入端依次通过所述第一开关和所述第一输出端连接所述第一电源供应单元；
所述第一输出端通过所述第二开关连接所述第二输出端；
所述第二电源输入端依次通过所述第三开关和所述第二输出端连接所述第二电源供应单元；
所述电压检测单元的输入端分别连接所述第一电源输入端和所述第二电源输入端；所述电压检测单元的输出端连接所述开关控制单元的输入端；
所述开关控制单元的控制端分别连接所述第一开关的控制端、所述第二开关的控制端和所述第三开关的控制端。
在一种可能的实施例中，所述第一电源输入端通过第一二极管连接所述电压检测单元的输入端；
所述第二电源输入端通过第二二极管连接所述电压检测单元的输入端。
在一种可能的实施例中，所述电压检测单元为具有电压检测功能的单片机；
所述开关控制单元为具有开关控制功能的单片机。
在一种可能的实施例中，所述第一开关为第一继电器或第一可控硅器件；
所述第二开关为第二继电器或第二可控硅器件；
所述第三开关为第三继电器或第三可控硅器件。
第三方面，本发明实施例提供一种基于第二方面中任一所述输入电源切换系统的输入电源切换方法，包括：
根据电压检测单元的输出信号，获取第一电源输入端的第一输入电压；
根据所述电压检测单元的输出信号，获取第二电源输入端的第二输入电压；
若所述第一输入电压小于设定阈值，则生成并下发第一控制信号，以关断第一开关，并导通第二开关；
若所述第二输入电压小于所述设定阈值，则生成并下发第二控制信号，以关断第三开关，并导通所述第二开关。
在一种可能的实施例中，所述生成并下发第一控制信号之后，所述方法还包括：
判断所述第一输入电压是否小于所述设定阈值；
若所述第一输入电压不小于所述设定阈值，则生成并下发第三控制信号，以导通所述第一开关，并关断所述第二开关；
所述生成并下发第二控制信号之后，所述方法还包括：
判断所述第二输入电压是否小于所述设定阈值；
若所述第二输入电压不小于所述设定阈值，则生成并下发第四控制信号，以导通所述第三开关，并关断所述第二开关。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明为单输入冗余电源模组提供了输入电源控制电路，该电路设有两个电源输入端，分别用于为单输入冗余电源模组中的两个电源供应单元供电，当某一电源输入端的电压发生低压或断路故障，则可以控制第一开关或第三开关切断该电源输入端与对应电源供应单元的供电连接，然后控制导通第二开关，使未发生故障的电源输入端同时为两个电源供应单元供电。同时该电路中为两个电源供应单元独立供电，在切换电源时，当发生故障的电源供应单元对应的开关关断后，单输入冗余电源模组中的另一组电源供应单元还可以正常工作，避免电源模块因输入电源掉失瞬间导致电源模块输出掉失或是开关时序的误差导致正常输入电源反向流入异常输入电源的路径，因此本发明无需考虑电源切换的时间，整体控制时序简单，从而提高单输入冗余电源模块的冗余可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种现有的双输入冗余电源模块的结构示意图；
图2是一种现有的单输入冗余电源模块的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种单输入冗余电源模块的输入电源切换电路的连接示意图；
图4是本发明实施例提供的一种单输入冗余电源模块的输入电源切换系统的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种单输入冗余电源模块的输入电源切换方法的流程图。
附图标记说明：11为第一电源输入端，12为第二电源输入端，13为第一输出端，14为第二输出端，15为电压检测单元，16为开关控制单元，17为第一开关，18为第二开关，19为第三开关，2为第一电源供应单元，3为第二电源供应单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
本实施例提供一种单输入冗余电源模块的输入电源切换电路，请参阅图1，图3为该电路的连接示意图，具体包括：第一电源输入端11、第二电源输入端12、第一输出端13、第二输出端13、电压检测单元15、开关控制单元16、第一开关17、第二开关18和第三开关19。
第一电源输入端11和第二电源输入端12用来连接输入电源，该输入电源按照应用场景的不同以及电源供应单元的类型，可以选用工频交流电(市电)、交流发电机供电端和/或直流发电机供电端。
第一电源输入端11通过第一开关17连接第一输出端13；第一输出端13通过第二开关18连接第二输出端13；第二电源输入端12通过第三开关19连接第二输出端13。
第一开关17、第二开关18和第三开关19均为可控开关器件，可以采用继电器或可控硅(Silicon Controlled Rectifier，SCR)器件，当输入电源为低压直流电时，第一开关17、第二开关18和第三开关19还可以采用MOS管和三极管等半导体器件。
本实施例中，第一开关17为第一继电器或第一可控硅器件；第二开关18为第二继电器或第二可控硅器件；第三开关19为第三继电器或第三可控硅器件。
第一输出端13和第二输出端13分别用来连接单输入冗余电源模块中的电源供应单元，为其供电。
电压检测单元15的输入端分别连接第一电源输入端11和第二电源输入端12。
这里，电压检测单元15可以采用具有电压检测功能的单片机，直接使用其电压检测接口，来对第一电源输入端11和第二电源输入端12进行电压采样，从而获得第一电源输入端11和第二电源输入端12的输入电压。
电压检测单元15的输出端连接开关控制单元16的输入端；开关控制单元16的控制端分别连接第一开关17的控制端、第二开关18的控制端和第三开关19的控制端。
本实施例中开关控制单元16可以为具有开关控制功能的单片机。由于第一开关17、第二开关18和第三开关19均为可控开关器件，其分别设有控制对应开关通断的控制端，例如可控硅器件的控制端为控制极G，MOS管的控制端为其栅极，继电器的控制端为其控制线圈，本实施例中开关控制单元16的控制端分别连接第一开关17、第二开关18和第三开关19的控制端，通过下发控制电压/控制电流，控制第一开关17、第二开关18和第三开关19的导通状态。
如果第一开关17、第二开关18和第三开关19为继电器，还可以选用PLC控制器来作为开关控制单元16，以直接控制第一开关17、第二开关18和第三开关19的控制线圈的通电状态，从而实现对第一开关17、第二开关18和第三开关19导通状态的控制。
当然，还可以利用模拟电路元件搭建具有电压比较功能和具有开关控制功能的模拟电路，以判断第一电源输入端11和第二电源输入端12是否发生低压故障或断路故障并控制开关的导通状态。例如，可以用比较器电路来监测电源输入端的输入电压，当电源输入端的输入电压低于设定参考电压时，利用时序控制电路或RC电路控制第一开关17、第二开关18和第三开关19的切换顺序，实现第一开关17、第二开关18和第三开关19的通断控制。
为了避免采样时电源输入端电压波动导致电压检测单元15的损坏，第一电源输入端11通过第一二极管连接电压检测单元15的输入端，第二电源输入端12通过第二二极管连接电压检测单元15的输入端，实现了对电压检测单元15的保护。
本实施例的工作原理是：
电压检测单元15实时检测第一电源输入端11和第二电源输入端12的输入电压；
开关控制单元16根据第一电源输入端11和第二电源输入端12的输入电压，控制第一开关17、第二开关18和第三开关19的通断状态，具体控制逻辑为：
若第一电源输入端11的输入电压低于设定阈值，则认为第一电源输入端11可能发生低压故障或断路故障，此时开关控制单元16切断第一开关17，之后保持第二开关18处于导通状态，使第二电源输入端12同时为单输入冗余电源模块中的两个电源供应单元供电；
若第二电源输入端12的输入电压低于设定阈值，则认为第二电源输入端12可能发生低压故障或断路故障，此时开关控制单元16切断第三开关19，之后保持第二开关18处于导通状态，使第一电源输入端11同时为单输入冗余电源模块中的两个电源供应单元供电。
本实施例能够自动化地为单输入冗余电源模块切换输入电源，提高了单输入冗余电源模块冗余可靠性。
在切换电源时，当发生故障的电源供应单元对应的开关关断后，单输入冗余电源模组中的另一组电源供应单元还可以正常工作，避免电源模块因输入电源掉失瞬间导致电源模块输出掉失；同时关断的第一开关17或第三开关19能够切断正常输入电源反向流入异常输入电源的路径，因此本实施例无需考虑电源切换的时间，整体控制时序简单，进一步提高了单输入冗余电源模块的冗余可靠性。
基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种单输入冗余电源模块的输入电源切换系统，如图4所示为该系统实施例的结构示意图，包括：输入电源切换电路、第一电源供应单元2和第二电源供应单元3。
输入电源切换电路具体包括：第一电源输入端11、第二电源输入端12、第一输出端13、第二输出端13、电压检测单元15、开关控制单元16、第一开关17、第二开关18和第三开关19。
第一电源输入端11和第二电源输入端12用来连接输入电源，该输入电源按照应用场景的不同以及电源供应单元的类型，可以选用工频交流电(市电)、交流发电机供电端和/或直流发电机供电端。
第一电源输入端11依次通过第一开关17和第一输出端13连接第一电源供应单元2；第一输出端13通过第二开关18连接第二输出端13；第二电源输入端12依次通过第三开关19和第二输出端13连接第二电源供应单元3。
第一开关17、第二开关18和第三开关19均为可控开关器件，可以采用继电器或可控硅器件，当输入电源为低压直流电时，第一开关17、第二开关18和第三开关19还可以采用MOS管和三极管等半导体器件。
本实施例中，第一开关17为第一继电器或第一可控硅器件；第二开关18为第二继电器或第二可控硅器件；第三开关19为第三继电器或第三可控硅器件。
第一输出端13和第二输出端13分别用来连接单输入冗余电源模块中的电源供应单元，为其供电。
第一电源供应单元2和第二电源供应单元3为单输入冗余电源模块中的两个电源模组，分别具有一个电源输入端。电源供应单元能够根据芯片控制，对由其电源输入端输入的电压进行逆变、整流、滤波、升压和/或降压等处理，输出符合要求的输出电压。
电压检测单元15的输入端分别连接第一电源输入端11和第二电源输入端12。
这里，电压检测单元15可以采用具有电压检测功能的单片机，直接使用其电压检测接口，来对第一电源输入端11和第二电源输入端12进行电压采样，从而获得第一电源输入端11和第二电源输入端12的输入电压。
电压检测单元15的输出端连接开关控制单元16的输入端；开关控制单元16的控制端分别连接第一开关17的控制端、第二开关18的控制端和第三开关19的控制端。
本实施例中开关控制单元16可以为具有开关控制功能的单片机。由于第一开关17、第二开关18和第三开关19均为可控开关器件，其分别设有控制对应开关通断的控制端，例如可控硅器件的控制端为控制极G，MOS管的控制端为其栅极，继电器的控制端为其控制线圈，本实施例中开关控制单元16的控制端分别连接第一开关17、第二开关18和第三开关19的控制端，通过下发控制电压/控制电流，控制第一开关17、第二开关18和第三开关19的导通状态。
如果第一开关17、第二开关18和第三开关19为继电器，还可以选用PLC控制器来作为开关控制单元16，以直接控制第一开关17、第二开关18和第三开关19的控制线圈的通电状态，从而实现对第一开关17、第二开关18和第三开关19导通状态的控制。
当然，还可以利用模拟电路元件搭建具有电压比较功能和具有开关控制功能的模拟电路，以判断第一电源输入端11和第二电源输入端12是否发生低压故障或断路故障并控制开关的导通状态。例如，可以用比较器电路来监测电源输入端的输入电压，当电源输入端的输入电压低于设定参考电压时，利用时序控制电路或RC电路控制第一开关17、第二开关18和第三开关19的切换顺序，实现第一开关17、第二开关18和第三开关19的通断控制。
为了避免采样时电源输入端电压波动导致电压检测单元15的损坏，第一电源输入端11通过第一二极管连接电压检测单元15的输入端，第二电源输入端12通过第二二极管连接电压检测单元15的输入端，实现了对电压检测单元15的保护。
本实施例的工作原理与上述输入电源切换电路的工作原理类型，在此不予以赘述。
基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种基于上文中任一所述输入电源切换系统的输入电源切换方法，该方法应用于上文中的开关控制单元16中，如图5所示为该方法实施例的流程图，包括步骤11至步骤14。
步骤11，根据电压检测单元15的输出信号，获取第一电源输入端11的第一输入电压。
具体的，若电压检测单元15为单片机，则该输出信号直接为表征第一输入电压的数据，若电压检测单元15为模拟电路，则该输出信号为触发电压信号，以触发开关控制单元16的开关控制时序。
步骤12，根据所述电压检测单元15的输出信号，获取第二电源输入端12的第二输入电压。
具体的，若电压检测单元15为单片机，则该输出信号直接为表征第二输入电压的数据，若电压检测单元15为模拟电路，则该输出信号为触发电压信号，以触发开关控制单元16的开关控制时序。
步骤13，若所述第一输入电压小于设定阈值，则生成并下发第一控制信号，以关断第一开关17，并导通第二开关18。
具体的，在此之后，本实施例还包括：
步骤21，判断所述第一输入电压是否小于所述设定阈值。
步骤22，若所述第一输入电压不小于所述设定阈值，则生成并下发第三控制信号，以导通所述第一开关17，并关断所述第二开关18。
步骤21至步骤22用于在步骤13之后对第一输入电压进行监测，当第一输入电压正常后，则通过开关切换，恢复第一电源输入端11对第一电源供应单元2的供电。
步骤14，若所述第二输入电压小于所述设定阈值，则生成并下发第二控制信号，以关断第三开关19，并导通所述第二开关18。
具体的，本步骤之后，本实施例还包括：
步骤31，判断所述第二输入电压是否小于所述设定阈值。
步骤32，若所述第二输入电压不小于所述设定阈值，则生成并下发第四控制信号，以导通所述第三开关19，并关断所述第二开关18。
步骤31至步骤32用于在步骤14之后对第二输入电压进行监测，当第二输入电压正常后，则通过开关切换，恢复第二电源输入端12对第二电源供应单元3的供电。
本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例为单输入冗余电源模组提供了输入电源控制电路，该电路设有两个电源输入端，分别用于为单输入冗余电源模组中的两个电源供应单元供电，当某一电源输入端的电压发生低压或断路故障，则可以控制第一开关或第三开关切断该电源输入端与对应电源供应单元的供电连接，然后控制导通第二开关，使未发生故障的电源输入端同时为两个电源供应单元供电。同时该电路中为两个电源供应单元独立供电，在切换电源时，当发生故障的电源供应单元对应的开关关断后，单输入冗余电源模组中的另一组电源供应单元还可以正常工作，避免电源模块因输入电源掉失瞬间导致电源模块输出掉失或是开关时序的误差导致正常输入电源反向流入异常输入电源的路径，因此本发明无需考虑电源切换的时间，整体控制时序简单，从而提高单输入冗余电源模块的冗余可靠性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种单输入冗余电源模块的输入电源切换电路，其特征在于，包括：第一电源输入端、第二电源输入端、第一输出端、第二输出端、电压检测单元、开关控制单元、第一开关、第二开关和第三开关；
所述第一电源输入端通过所述第一开关连接所述第一输出端；
所述第一输出端通过所述第二开关连接所述第二输出端；
所述第二电源输入端通过所述第三开关连接所述第二输出端；
所述电压检测单元的输入端分别连接所述第一电源输入端和所述第二电源输入端；所述电压检测单元的输出端连接所述开关控制单元的输入端；
所述开关控制单元的控制端分别连接所述第一开关的控制端、所述第二开关的控制端和所述第三开关的控制端。
2.根据权利要求1所述的输入电源切换电路，其特征在于，所述第一电源输入端通过第一二极管连接所述电压检测单元的输入端；
所述第二电源输入端通过第二二极管连接所述电压检测单元的输入端。
3.根据权利要求1所述的输入电源切换电路，其特征在于，所述电压检测单元为具有电压检测功能的单片机；
所述开关控制单元为具有开关控制功能的单片机。
4.根据权利要求1所述的输入电源切换电路，其特征在于，所述第一开关为第一继电器或第一可控硅器件；
所述第二开关为第二继电器或第二可控硅器件；
所述第三开关为第三继电器或第三可控硅器件。
5.一种单输入冗余电源模块的输入电源切换系统，其特征在于，包括：输入电源切换电路、第一电源供应单元和第二电源供应单元；
所述输入电源切换电路，包括：第一电源输入端、第二电源输入端、第一输出端、第二输出端、电压检测单元、开关控制单元、第一开关、第二开关和第三开关；
所述第一电源输入端依次通过所述第一开关和所述第一输出端连接所述第一电源供应单元；
所述第一输出端通过所述第二开关连接所述第二输出端；
所述第二电源输入端依次通过所述第三开关和所述第二输出端连接所述第二电源供应单元；
所述电压检测单元的输入端分别连接所述第一电源输入端和所述第二电源输入端；所述电压检测单元的输出端连接所述开关控制单元的输入端；
所述开关控制单元的控制端分别连接所述第一开关的控制端、所述第二开关的控制端和所述第三开关的控制端。
6.根据权利要求5所述的输入电源切换系统，其特征在于，所述第一电源输入端通过第一二极管连接所述电压检测单元的输入端；
所述第二电源输入端通过第二二极管连接所述电压检测单元的输入端。
7.根据权利要求5所述的输入电源切换系统，其特征在于，所述电压检测单元为具有电压检测功能的单片机；
所述开关控制单元为具有开关控制功能的单片机。
8.根据权利要求5所述的输入电源切换系统，其特征在于，所述第一开关为第一继电器或第一可控硅器件；
所述第二开关为第二继电器或第二可控硅器件；
所述第三开关为第三继电器或第三可控硅器件。
9.一种基于权利要求5至8任一所述输入电源切换系统的输入电源切换方法，其特征在于，包括：
根据电压检测单元的输出信号，获取第一电源输入端的第一输入电压；
根据所述电压检测单元的输出信号，获取第二电源输入端的第二输入电压；
若所述第一输入电压小于设定阈值，则生成并下发第一控制信号，以关断第一开关，并导通第二开关；
若所述第二输入电压小于所述设定阈值，则生成并下发第二控制信号，以关断第三开关，并导通所述第二开关。
10.根据权利要求9所述的输入电源切换方法，其特征在于，所述生成并下发第一控制信号之后，所述方法还包括：
判断所述第一输入电压是否小于所述设定阈值；
若所述第一输入电压不小于所述设定阈值，则生成并下发第三控制信号，以导通所述第一开关，并关断所述第二开关；
所述生成并下发第二控制信号之后，所述方法还包括：
判断所述第二输入电压是否小于所述设定阈值；
若所述第二输入电压不小于所述设定阈值，则生成并下发第四控制信号，以导通所述第三开关，并关断所述第二开关。
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