CN114389439A - 一种斜波注入电路及其在开关电源中的误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种斜波注入电路及其在开关电源中的误差补偿方法，斜波注入电路包括斜波电压产生模块和误差补偿模块，斜波电压产生模块根据第一控制信号产生斜波电压，第一控制信号为第一状态时斜波电压的电压值线性上升，第一控制信号为第二状态时斜波电压的电压值为零；误差补偿模块采样斜波电压的峰值电压作为补偿电压，斜波注入电路将斜波电压减去补偿电压后作为最终斜波电压。将本发明应用于开关电源时，开关电源将参考电压叠加斜波电压并减去补偿电压后作为最终比较基准用于与开关电源输出电压的反馈电压进行比较，使得比较基准恒定，实现不同占空比情况下开关电源的输出电压保持恒定，消除斜波电压带来的误差。

Description

一种斜波注入电路及其在开关电源中的误差补偿方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种斜波注入电路，特别是一种具有误差补偿功能 的斜波注入电路，以及开关电源中采用本发明提出的斜波注入电路进行误差补偿的方法。

背景技术

随着技术发展，为满足市场需求，对开关电源的要求也越来越高，通常要求开关电源具 有响应速度快等优点。固定导通时间的开关电源为了简化外围器件，减小输出纹波，在内部 会集成斜波注入电路。如图1所示，传统内部集成斜波注入电路的固定导通时间开关电源中， 斜波注入电路产生斜波电压Vripple并与参考电压Vref叠加后与开关电源输出电压Vout的反 馈电压Vfb进行比较，根据比较结果进行脉冲宽度调制PWM。

但这种结构在不同的占空比情况下，注入的斜波不同，如图3所示，图3中(b)、(c)、(d)分别是三种不同占空比对应的斜波电压Vripple与参考电压Vref叠加后再与反馈电压Vfb进行比较的情况，图3中(a)是将图3中(b)、(c)、(d)三种情况画在一起的示意图， 可以看出三种不同占空比对应的斜波电压Vripple不同，导致Vripple与Vref叠加的值不同， 从而导致反馈电压Vfb的变化。

由于开关电源输出电压Vout＝Vfb*(R1+R2)/R1＝(Vref+Vripple)*(R1+R2)/R1，因 此在不同的占空比情况下，反馈电压Vfb不同，开关电源的输出电压Vout也是不同的。可见 传统的斜波注入电路会令开关电源引入输出误差，需要提出一种能够补偿输出误差的斜波注 入电路。

发明内容

针对内部集成斜波注入电路的开关电源中由斜波电压引入的输出误差问题，本发明提出 一种斜波注入电路，通过采样产生的斜波电压的峰值电压用于补偿误差，并提出将本发明的 斜波注入电路应用于开关电源中的方案，消除开关电源的输出误差。

本发明提出的斜波注入电路技术方案为：

一种斜波注入电路，包括斜波电压产生模块和误差补偿模块，所述斜波电压产生模块用 于根据第一控制信号产生斜波电压，当所述第一控制信号为第一状态时所述斜波电压的电压 值线性上升，当所述第一控制信号为第二状态时所述斜波电压的电压值为零；

所述误差补偿模块用于采样所述斜波电压的峰值电压作为补偿电压，所述斜波注入电路 将所述斜波电压减去所述补偿电压后作为最终斜波电压。

具体的，所述斜波电压产生模块包括第一电容、第一开关、第二开关和电流源，第一电 容的第一连接端接地，其第二连接端一方面通过第一开关后连接电流源，另一方面通过第二 开关后接地；第一开关和第二开关由所述第一控制信号控制，当所述第一控制信号为第一状 态时控制第一开关导通、第二开关断开，当所述第一控制信号为第二状态时控制第一开关断 开、第二开关导通，第一电容的第二连接端输出所述斜波电压。

具体的，在所述第一控制信号即将从第一状态跳变到第二状态时产生一个脉冲信号作为 第二控制信号；所述误差补偿模块包括第一电容、第二电容和第三开关，第二电容的第一连 接端接地，其第二连接端通过第三开关后连接第一电容的第二连接端；第三开关由所述第二 控制信号控制，当所述第二控制信号有效时控制第三开关导通，当所述第二控制信号无效时 控制第三开关断开，第二电容的第二连接端输出所述补偿电压。

具体的，所述脉冲信号产生模块包括第一非门、第二非门、第一与门和第二与门，第一 非门的输入端连接第一与门的第一输入端、第二与门的第一输入端以及外部控制信号，其输 出端连接第一与门的第二输入端和第二非门的输入端；第二与门的第二输入端连接第二非门 的输出端，其输出端输出所述第一控制信号；第一与门的输出端输出所述第二控制信号。

将本发明提出的斜波注入电路应用于开关电源中消除输出误差，技术方案如下：

开关电源中斜波电压的误差补偿方法，所述开关电源将参考电压叠加斜波电压后的信号 作为比较基准用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，并根据比较结果产生脉宽 调制信号控制所述开关电源中开关器件的工作占空比，所述斜波电压与所述开关电源中开关 器件的工作占空比有关，当所述开关电源中开关器件的工作占空比不同时所述叠加的斜波电 压也不同，造成比较基准的变化；

所述开关电源中斜波电压的误差补偿方法为：采样所述斜波电压的峰值电压作为补偿电 压，将所述参考电压叠加所述斜波电压并减去采样获得的所述补偿电压后的信号作为最终比 较基准用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，使得比较基准恒定，消除斜波电 压带来的误差。

具体的，所述开关电源中开关器件包括串联并接在供电电源和地之间的上功率管和下功 率管，根据上功率管和下功率管串联点的信号产生第一控制信号，当所述第一控制信号为低 电平时控制所述斜波电压的电压值线性上升，当所述第一控制信号为高电平时控制所述斜波 电压的电压值为零。

具体的，用于产生所述斜波电压的结构包括第一电容、第一开关、第二开关和电流源， 第一电容的第一连接端接地，其第二连接端一方面通过第一开关后连接电流源，另一方面通 过第二开关后接地；第一开关和第二开关由所述第一控制信号控制，当所述第一控制信号为 低电平时控制第一开关导通、第二开关断开，当所述第一控制信号为高电平时控制第一开关 断开、第二开关导通，第一电容的第二连接端输出所述斜波电压。

具体的，用于采样所述斜波电压的峰值电压得到所述补偿电压的结构包括第一电容、第 二电容和第三开关，第二电容的第一连接端接地，其第二连接端通过第三开关后连接第一电 容的第二连接端；第三开关由第二控制信号控制，当所述第二控制信号为高电平时控制第三 开关导通，当所述第二控制信号为低电平时控制第三开关断开，第二电容的第二连接端输出 所述补偿电压；所述第二控制信号是所述第一控制信号即将从低电平跳变到高电平时产生的 一个高电平有效的脉冲信号。

具体的，用于产生所述第一控制信号和第二控制信号的结构包括第一非门、第二非门、 第一与门和第二与门，第一非门的输入端连接第一与门的第一输入端、第二与门的第一输入 端以及所述开关电源中上功率管和下功率管串联点的信号，其输出端连接第一与门的第二输 入端和第二非门的输入端；第二与门的第二输入端连接第二非门的输出端，其输出端输出所 述第一控制信号；第一与门的输出端输出所述第二控制信号。

本发明的有益效果为：本发明提出的斜波注入电路通过对斜波电压Vripple的斜波峰值电 压进行采样并滤波获得补偿电压Vec，实现了对斜波电压Vripple的斜波峰值电压在系统上产 生误差的补偿；将本发明应用于开关电源中，能够实现不同占空比情况下开关电源的输出电 压保持恒定，消除了开关电源的输出误差。

附图说明

下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出 了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了 本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采 用相同的附图标记。

图1是传统集成斜波注入电路的开关电源示意图。

图2是产生斜波电压的一种实现电路示意图。

图3是传统集成斜波注入电路的开关电源中在不同占空比下关键信号的波形图，其中(b) (c)(d)分别是三种占空比情况下由第一控制信号Vsw控制产生斜波电压Vripple并与参考 电压Vref叠加后信号Vref+Vripple的波形图、以及对应反馈电压Vfb的波形图，图(a)为整 合三种情况的的对比图，可以看出在不同的占空比情况下，开关电源的反馈电压Vfb不同， 输出电压也不同，具有较大误差。

图4是将本发明提出的一种斜波注入电路应用在开关电源中的示意图。

图5是本发明提出的一种斜波注入电路在实施例中的具体电路示意图。

图6是本发明提出的一种斜波注入电路中第一控制信号Vsw和第二控制信号Vsh的时 序图，以及产生的斜波电压Vripple和采样斜波电压的峰值电压得到补偿电压Vec的波形图， 可以看出补偿电压Vec能快速稳定到斜波电压Vripple的峰值。

图7是本发明提出的一种斜波注入电路中在不同占空比下关键信号的波形图，其中(b) (c)(d)分别是三种占空比情况下由第一控制信号Vsw控制产生斜波电压Vripple以及对斜 波电压Vripple采样获得补偿电压Vec的波形图，图(a)为整合三种情况的的对比图，可以 看出在不同的占空比情况下，斜波电压Vripple的峰值不同，将补偿电压Vec保持与斜波电压 Vripple的峰值相同，以补偿由于斜波电压引入的误差。

图8是集成本发明的斜波注入电路的开关电源中在不同占空比下关键信号的波形图，其中 (b)(c)(d)分别是三种占空比情况下由第一控制信号Vsw控制产生斜波电压Vripple并与 参考电压Vref叠加再减去补偿电压Vec后信号Vref+Vripple-Vec的波形图、以及对应反馈电 压Vfb的波形图，图(a)为整合三种情况的的对比图，可以看出在不同的占空比情况下，开 关电源的反馈电压Vfb相同，输出电压也相同，由于斜波电压引入的误差得以补偿。

图9是一种根据上功率管106和下功率管107的连接处电压Vsw产生对应第一控制信号 Vswd和第二控制信号Vsh的一种脉冲信号产生电路结构。

图10是图9所示脉冲信号产生电路结构的对应关键节点波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明进行详细地 说明。显然，所描述的实施例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 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例， 都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或 者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何 这种实际的关系或者顺序。比如第一控制信号、第二控制信号的第一状态和第二状态可以互 换，可以是第一状态表示高电平、第二状态表示低电平，也可以是第一状态表示低电平、第 二状态表示高电平；电容的第一连接端和第二连接端也可互换，不影响本发明技术方案的实 现。

本发明提出一种斜波注入电路，包括斜波电压产生模块和误差补偿模块，其中斜波电压 产生模块用于根据第一控制信号Vsw产生斜波电压Vripple，如图2和图5所示给出了斜波电 压产生模块的一种实现方式，包括第一电容201、第一开关202、第二开关203和电流源204， 第一电容201的第一连接端接地，其第二连接端一方面通过第一开关202后连接电流源204， 另一方面通过第二开关203后接地；第一电容201的第二连接端输出斜波电压Vripple；第一 开关202和第二开关203由第一控制信号Vsw控制，使得产生的斜波电压Vripple与第一控 制信号Vsw对齐，当第一控制信号Vsw为第一状态时控制第一开关202导通、第二开关203 断开，斜波电压Vripple的电压值线性上升；当第一控制信号Vsw为第二状态时控制第一开 关202断开、第二开关203导通，斜波电压Vripple的电压值为零。

本发明能够应用于开关电源，由于固定导通时间(包括固定关断时间)的开关电源中为 了减小输出纹波往往有斜波注入需求，因此本发明尤其适用于固定导通时间的开关电源。在 将本发明应用于固定导通时间的开关电源时，可以根据开关电源中上功率管106和下功率管 107的连接处电压Vsw产生第一控制信号，比如图5所示实施例中直接取开关电源中上功率 管106和下功率管107的连接处电压Vsw作为第一控制信号Vsw，因此本实施例中第一控制 信号Vsw的第一状态为低电平，第二状态为高电平，如图3和图6所示，第一控制信号Vsw 为低电平时斜波电压Vripple的电压值线性上升，第一控制信号Vsw为高电平时斜波电压 Vripple的电压值为零。当然对于其他应用情况，第一控制信号Vsw的第一状态不仅限于低电 平，也可以是高电平，对应的第一控制信号Vsw的第二状态也不仅限于高电平，也可以是低 电平。

开关电源中，上功率管106和下功率管107串联并接在供电电源和地之间，其栅极驱动 信号由PWM脉宽调制模块101控制，传统集成斜波电路的开关电源将参考电压Vref叠加斜 波电压Vripple作为比较基准，再与开关电源输出电压的反馈电压Vfb进行比较，根据比较结 果来调整PWM脉宽调制模块101，由于斜波电压Vripple根据上功率管106和下功率管107 的连接处电压Vsw来产生，因此斜波电压Vripple与开关电源中开关器件的工作占空比有关， 当开关电源中开关器件的工作占空比不同时叠加的斜波电压Vripple也不同，造成了比较基准 的变化。

基于此，本发明提出了误差补偿模块，误差补偿模块用于采样斜波电压Vripple的峰值电 压作为补偿电压Vec，并将斜波电压Vripple减去补偿电压Vec得到的信号作为最终斜波电压 并输出。如图5所示给出了误差补偿模块的一种实现结构，包括第一电容201、第二电容205 和第三开关206，第二电容205的第一连接端接地，其第二连接端通过第三开关206后连接 第一电容201的第二连接端；第二电容205的第二连接端输出斜波电压的峰值电压作为补偿 电压Vec。本实施例中误差补偿模块与斜波电压产生模块共用第一电容201，再增加了一个第 三开关206和第二电容205构成自采样并联开关电容滤波器，实现对斜波电压Vripple峰值电 压的采样和开关电容滤波并输出Vec。

第三开关206由第二控制信号Vsh控制，第二控制信号Vsh是第一控制信号Vsw即将从 第一状态跳变到第二状态时产生的一个脉冲信号，由于本实施例中取开关电源上功率管106 和下功率管107的连接处电压Vsw作为第一控制信号Vsw，因此本实施例中第二控制信号 Vsh是第一控制信号Vsw即将从低电平跳变到高电平时产生的一个脉冲信号，当第二控制信 号Vsh有效时控制第三开关206导通，当第二控制信号Vsh无效时控制第三开关206断开。 一些实施例中可以令该脉冲信号高电平有效，则在第一控制信号Vsw即将由低翻高时第二控 制信号Vsh由低翻高，在第一控制信号Vsw由低翻高的同时第二控制信号Vsh由高翻低。当 然也可以根据第三开关的类型选择第二控制信号Vsh低电平有效，只要控制第二控制信号Vsh 有效时第三开关206导通、第二控制信号Vsh无效时控制第三开关206断开即可。

结合图6、7所示时序图说明本发明的斜波注入电路进行误差补偿的工作过程：

当第一控制信号Vsw为低电平时，第一开关202导通，第二开关203断开，此时第一电 容201通过电流源204充电，斜波电压Vripple上升。当第一控制信号Vsw为高电平时，第一开关202断开，第二开关203导通，此时第一电容201通过第二开关203放电，斜波电压Vripple为0。

当第一控制信号Vsw由低到高跳变前产生一个高电平有效的脉冲信号作为第二控制信号 Vsh，第二控制信号Vsh的短脉冲控制第三开关206导通，第一电容201和第二电容205电 荷重新分配，此时第二电容205第二连接端的电压即补偿电压Vec与第一电容201第二连接 端的斜波电压Vripple相等(如图6所示的前几个周期)。经过有限的周期之后，补偿电压Vec 的电压值与斜波电压Vripple的斜波峰值电压相等。

另一些实施例中可以对开关电源中上功率管106和下功率管107的连接处电压Vsw进行 处理获得第一控制信号和第二控制信号，如图9所示给出了一种根据上功率管106和下功率 管107的连接处电压Vsw产生对应第一控制信号Vswd和第二控制信号Vsh的一种脉冲信号 产生电路结构，包括第一非门210、第二非门212、第一与门211和第二与门213，第一非门 210的输入端连接第一与门211的第一输入端、第二与门213的第一输入端以及开关电源中 上功率管和下功率管串联点的信号Vsw，其输出端连接第一与门211的第二输入端和第二非 门212的输入端；第二与门213的第二输入端连接第二非门212的输出端，其输出端输出第 一控制信号Vswd用于控制第一开关202和第二开关203；第一与门211的输出端输出第二控 制信号Vsh用于控制第三开关206。

其中第一非门210具有一定的延时以满足时序。当信号Vsw为低时，第一控制信号Vswd 为低，斜波电压Vripple上升；当信号Vsw为高时，第一控制信号Vswd在第二控制信号Vsh 脉冲之后翻高；对应关键节点波形图如图10所示。由于数字逻辑的等效变换，同样的逻辑功 能可以由不同的逻辑器件组合实现，因此实现如图9所示的控制信号产生电路仅作为参考， 说明此发明的可实现性，控制信号也可以由其他的逻辑电路实现。

通过上述方法获得补偿电压Vec后，可以利用补偿电压Vec补偿斜波电压Vripple的斜波 峰值电压在系统上产生的误差。实质上，第一电容201、第三开关206和第二电容205共同 构成了一个自采样并联开关电容滤波器，对斜波电压Vripple的斜波峰值电压进行采样并滤波， 获得补偿电压Vec。

将本发明应用于开关电源中时，可以将斜波电压Vripple连接到比较器102的一个正向输 入端，将补偿电压Vec连接到比较器102的一个负向输入端，如图4所示，比较器102的另 一个正向输入端连接参考电压Vref，比较器102的另一个负向输入端连接输出电压经过电阻 分压后的反馈电压Vfb，使得参考电压Vref叠加斜波电压Vripple并减去补偿电压Vec后的信 号作为新的比较基准与反馈电压Vfb进行比较。

如图8所示是将新的比较基准Vref+Vripple-Vec与反馈电压Vfb进行比较的波形图，图8 中(b)、(c)、(d)分别是三种不同占空比对应的新的比较基准Vref+Vripple-Vec与反馈电压 Vfb的比较情况，图8中(a)是将图8中(b)、(c)、(d)三种情况画在一起的示意图，可 以看出三种不同占空比对应的斜波电压Vripple不同，但结合补偿电压Vec后得到的新的比较 基准与反馈电压Vfb的比较结果是相同的，因此不同占空比对应的反馈电压Vfb是相同的， 开关电源的输出电压Vout也相同，实现了对斜波电压引入误差的补偿。

本发明提出通过采样斜波电压的峰值电压作为补偿电压，实现对斜波电压误差的补偿， 实施例中虽然给出一种产生斜波电压的结构，和一种采样斜波电压的峰值电压的结构，但本 领域技术人员应当知晓，其余产生斜波电压的结构和采样斜波电压的峰值电压的结构都可以 适用本发明，另本发明所采用的第一开关202、第二开关203和第三开关206可以由工艺允 许的任何开关器件及其组合实现；电流源204可以由电流镜实现，也可以由其他方式实现。 本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其 它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种斜波注入电路，包括斜波电压产生模块和误差补偿模块，所述斜波电压产生模块用于根据第一控制信号产生斜波电压，当所述第一控制信号为第一状态时所述斜波电压的电压值线性上升，当所述第一控制信号为第二状态时所述斜波电压的电压值为零；

其特征在于，所述误差补偿模块用于采样所述斜波电压的峰值电压作为补偿电压，所述斜波注入电路将所述斜波电压减去所述补偿电压后作为最终斜波电压。

2.根据权利要求1所述的斜波注入电路，其特征在于，所述斜波电压产生模块包括第一电容、第一开关、第二开关和电流源，第一电容的第一连接端接地，其第二连接端一方面通过第一开关后连接电流源，另一方面通过第二开关后接地；第一开关和第二开关由所述第一控制信号控制，当所述第一控制信号为第一状态时控制第一开关导通、第二开关断开，当所述第一控制信号为第二状态时控制第一开关断开、第二开关导通，第一电容的第二连接端输出所述斜波电压。

3.根据权利要求2所述的斜波注入电路，其特征在于，在所述第一控制信号即将从第一状态跳变到第二状态时产生一个脉冲信号作为第二控制信号；所述误差补偿模块包括第一电容、第二电容和第三开关，第二电容的第一连接端接地，其第二连接端通过第三开关后连接第一电容的第二连接端；第三开关由所述第二控制信号控制，当所述第二控制信号有效时控制第三开关导通，当所述第二控制信号无效时控制第三开关断开，第二电容的第二连接端输出所述补偿电压。

4.根据权利要求3所述的斜波注入电路，其特征在于，所述斜波注入电路还包括脉冲信号产生模块，所述脉冲信号产生模块包括第一非门、第二非门、第一与门和第二与门，第一非门的输入端连接第一与门的第一输入端、第二与门的第一输入端以及外部控制信号，其输出端连接第一与门的第二输入端和第二非门的输入端；第二与门的第二输入端连接第二非门的输出端，其输出端输出所述第一控制信号；第一与门的输出端输出所述第二控制信号。

5.开关电源中斜波电压的误差补偿方法，所述开关电源将参考电压叠加斜波电压后的信号作为比较基准用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，并根据比较结果产生脉宽调制信号控制所述开关电源中开关器件的工作占空比，所述斜波电压与所述开关电源中开关器件的工作占空比有关，当所述开关电源中开关器件的工作占空比不同时所述叠加的斜波电压也不同，造成比较基准的变化；

其特征在于，所述开关电源中斜波电压的误差补偿方法为：采样所述斜波电压的峰值电压作为补偿电压，将所述参考电压叠加所述斜波电压并减去采样获得的所述补偿电压后的信号作为最终比较基准用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，使得比较基准恒定，消除斜波电压带来的误差。

6.根据权利要求5所述的开关电源中斜波电压的误差补偿方法，其特征在于，所述开关电源中开关器件包括串联并接在供电电源和地之间的上功率管和下功率管，根据上功率管和下功率管串联点的信号产生第一控制信号，当所述第一控制信号为低电平时控制所述斜波电压的电压值线性上升，当所述第一控制信号为高电平时控制所述斜波电压的电压值为零。

7.根据权利要求6所述的开关电源中斜波电压的误差补偿方法，其特征在于，用于产生所述斜波电压的结构包括第一电容、第一开关、第二开关和电流源，第一电容的第一连接端接地，其第二连接端一方面通过第一开关后连接电流源，另一方面通过第二开关后接地；第一开关和第二开关由所述第一控制信号控制，当所述第一控制信号为低电平时控制第一开关导通、第二开关断开，当所述第一控制信号为高电平时控制第一开关断开、第二开关导通，第一电容的第二连接端输出所述斜波电压。

8.根据权利要求7所述的开关电源中斜波电压的误差补偿方法，其特征在于，用于采样所述斜波电压的峰值电压得到所述补偿电压的结构包括第一电容、第二电容和第三开关，第二电容的第一连接端接地，其第二连接端通过第三开关后连接第一电容的第二连接端；第三开关由第二控制信号控制，当所述第二控制信号为高电平时控制第三开关导通，当所述第二控制信号为低电平时控制第三开关断开，第二电容的第二连接端输出所述补偿电压；所述第二控制信号是所述第一控制信号即将从低电平跳变到高电平时产生的一个高电平有效的脉冲信号。

9.根据权利要求8所述的开关电源中斜波电压的误差补偿方法，其特征在于，用于产生所述第一控制信号和第二控制信号的结构包括第一非门、第二非门、第一与门和第二与门，第一非门的输入端连接第一与门的第一输入端、第二与门的第一输入端以及所述开关电源中上功率管和下功率管串联点的信号，其输出端连接第一与门的第二输入端和第二非门的输入端；第二与门的第二输入端连接第二非门的输出端，其输出端输出所述第一控制信号；第一与门的输出端输出所述第二控制信号。

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