CN114725892A - 逐周期电流限制电路及电源管理芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逐周期电流限制电路及电源管理芯片，包括用于采样功率管电流的电流采样单元、用于根据电流采样单元采样的电流值对功率管的工作进行控制的限流单元、用于为限流单元提供电流偏置的电流偏置单元以及用于调节电流采样单元温度系数的温度系数调节单元，限流单元包括采样侧支路和调节侧支路以及控制信号输出支路；通过设置温度系数调节单元，当功率管和电流采样单元的温度变化引起内部导通电阻变化时，则可对该导通电阻的变化值进行补偿，最终实现零温度系数变化，保证该电流限制电路在很宽的温度范围内都具有较高的限流精度。

Description

逐周期电流限制电路及电源管理芯片

技术领域

本发明涉及电源管理技术领域，尤其涉及一种逐周期电流限制电路及包括该逐周期电流限制电路的电源管理芯片。

背景技术

随着开关电源技术向高速、高功率密度的不断发展，开关电源的输出功率不断提高，为保护系统正常工作，避免输出电流过流导致的内部器件烧毁，逐周期电流限制电路是开关电源必不可少的一个保护模块。通过实时检测每个周期流过功率管电流的大小，采样功率管电流并在功率管电流达到设定阈值电流时输出控制信号，立刻关断功率管，此设计可防止因元器件的引脚短接时，功率管出现电流激增的情况，避免了电路因过流而烧坏器件。由于逐周期电流限电路需要采样功率管电流，所以该采样模块距离功率管很近，就容易导致该采样模块的温度变化很频繁，因此，逐周期电流限的关键指标之一是需具有很高的温度可靠性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种逐周期电流限制电路及包括该逐周期电流限制电路的电源管理芯片，以保证该电流限制电路在很宽的温度范围内都具有较高的限流精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种逐周期电流限制电路，所述逐周期电流限制电路包括用于采样功率管电流的电流采样单元、用于根据所述电流采样单元采样的电流值对所述功率管的工作进行控制的限流单元、用于为所述限流单元提供电流偏置的电流偏置单元以及用于调节所述电流采样单元温度系数的温度系数调节单元，所述限流单元包括采样侧支路和调节侧支路以及控制信号输出支路，所述电流采样单元的输出端与所述温度系数调节单元连接，所述电流偏置单元和所述温度系数调节单元均连接在所述采样侧支路与所述调节侧支路之间，所述调节侧支路与所述控制信号输出支路连接。

可选的，所述温度系数调节单元包括两个支路，一支路包括串联连接的第一电阻、第二电阻，另一支路包括第三电阻，所述第一电阻和第二电阻串联连接在电源端和采样侧支路之间，所述第一电阻和第二电阻之间的公共端与所述电流采样单元的输出端连接，所述第三电阻连接在电源端和所述调节侧支路之间。

可选的，所述采样侧支路和调节侧支路构成源极比较器，采样侧支路包括第一PMOS管和第一NMOS管，调节侧支路包括第二PMOS管和第二NMOS管，所述第一PMOS管的源极与所述温度系数调节单元的一支路连接，所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的栅极连接，所述第一PMOS管的漏极与所述第一NMOS管的漏极连接，第二PMOS管的源极与所述温度系数调节单元的另一支路连接，所述第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极均与所述电流偏置单元的输出端连接，所述第一NMOS管的源极、第二NMOS管的源极均接地，所述第二NMOS管的漏极与所述第二PMOS管的漏极连接并与所述控制信号输出支路连接。

可选的，所述限流单元还包括设置在采样侧支路和调节侧支路之间的第一稳压管和第四电阻，所述第一稳压管的阳极与所述第二PMOS管的栅极连接，所述第一稳压管的阴极与所述第二PMOS管的源极连接；所述第四电阻连接在所述第一PMOS管的栅极和漏极之间。

可选的，所述控制信号输出支路包括第一反相器和第一或非门，所述第一反相器的输入端与所述第二NMOS管的漏极连接，所述第一反相器的输出端与所述第一或非门的一输入端连接，所述第一或非门的输出端输出控制信号至所述功率管。

可选的，所述控制信号输出支路还包括前沿消隐模块，所述前沿消隐模块包括第三NMOS管，所述第三NMOS管的栅极输入前沿消隐信号，所述第三NMOS管的漏极与所述第一反相器的输入端连接，所述第三NMOS管的源极接地。

可选的，所述电流偏置单元包括第一三极管、第五电阻、第四NMOS管和可比例输出多个偏置电流的电流镜单元组，所述电流镜单元组包括一输入支路和多个输出支路，各所述输出支路的输出端作为所述电流偏置单元的输出端连接在所述采样侧支路与所述调节侧支路之间，所述输入支路连接在电源端和第一三极管的集电极之间，所述第一三极管的基极与基准电压信号连接，所述第一三极管的发射极经所述第五电阻接地，所述第四NMOS管的漏极与漏极连接并与各所述输出支路的输出端连接，所述第四NMOS管的源极接地。

可选的，所述电流镜单元组包括4个输出支路，所述输入支路包括第三PMOS管，4个所述输出支路分别为第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管和第七PMOS管，所述第三PMOS管的源极与电源端连接，所述第三PMOS管的栅极和漏极连接并与所述第一三极管的集电极、各所述输出支路的PMOS管的栅极连接，各输出支路的PMOS管的源极与电源端连接、漏极作为输出；且所述输入支路与4个所述输出支路之间的电流值比值为10：6：4：2：1。

可选的，所述电流镜单元组还包括连接在输出支路上的修调MOS管，所述修调MOS管的漏极与输出支路的PMOS管的漏极连接，所述修调MOS管的栅极与修调信号连接，所述修调MOS管的漏极作为所述电流偏置单元的输出。

为了解决上述的问题，本发明还提供了一种电源管理芯片，所述电源管理芯片包括如上任一项所述的逐周期电流限制电路。

采用本发明实施例，具有如下有益效果：

通过对本发明提供的逐周期电流限制电路的实施，通过设置温度系数调节单元，当功率管和电流采样单元的温度变化引起内部导通电阻变化时，则可对该导通电阻的变化值进行补偿，最终使得电流采样单元所采样的电流值可实现零温度系数变化；且当电流采样单元采样的电流值超过一定范围处于过流时，采样侧支路和调节侧支路上的电压、电流将不匹配，此时，调节侧支路将输出调节信息之控制信号输出支路，当控制信号输出支路的信号收到的调节信息达到一定值时，则输出控制信号至功率管，将关断功率管，防止过流烧毁功率管。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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发明的一些实施例，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。

其中：

图1为本发明实施例提供的逐周期电流限制电路的一种结构框图；

图2为本发明实施例提供的逐周期电流限制电路的具体电路原理图；

图3为本发明实施例提供的逐周期电流限制电路的相关部分信号时序图。

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、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

请参阅图1，为本发明实施例中逐周期电流限制电路的结构示意图，该逐周期电流限制电路包括用于采样功率管HMP电流的电流采样单元100、用于根据电流采样单元100采样的电流值对功率管HMP的工作进行控制的限流单元200、用于为限流单元200提供电流偏置的电流偏置单元300以及用于调节电流采样单元100温度系数的温度系数调节单元400，限流单元200包括采样侧支路210和调节侧支路220以及控制信号输出支路230，电流采样单元100的输出端与温度系数调节单元400连接，电流偏置单元300和温度系数调节单元400均连接在采样侧支路210与调节侧支路220之间，调节侧支路220与控制信号输出支路230连接。

在本实施例中，限流单元200的采样侧支路210、调节侧支路220构成源极比较器，电流偏置单元300用于为该源极比较器提供尾电流偏置，该电流偏置单元300可提供与输出侧成比例的电流偏置，设定输入侧的偏置电流为I_bias，则电流偏置单元300输出侧的输出电流设为kI_bias；当功率管HMP和电流采样单元100的温度变化引起内部导通电阻变化时，则可通过该温度系数调节单元400对该导通电阻的变化值进行补偿，最终使得电流采样单元100所采样的电流值可实现零温度系数变化；通过电流采样单元100周期采样功率管HMP的电流值，传输至该源极比较器进行比较，当采样的电流值超过一定范围处于过流时，采样侧支路210和调节侧支路220上的电压、电流将不匹配，此时，调节侧支路220将输出调节信息之控制信号输出支路230，当控制信号输出支路230的信号收到的调节信息达到一定值时，则输出控制信号至功率管HMP，将关断功率管HMP，防止过流烧毁功率管HMP。

具体地，参阅图2， 温度系数调节单元400包括两个支路，一支路包括串联连接的第一电阻R1、第二电阻R2，另一支路包括第三电阻R3，第一电阻R1和第二电阻R2串联连接在电源端和采样侧支路210之间，第一电阻R1和第二电阻R2之间的公共端与电流采样单元100的输出端连接，第三电阻R3连接在电源端和调节侧支路220之间。

在本实施例中，电流采样单元100采用采样MOS管HMS与功率管HMP构成等比例电流镜，则采样MOS管HMS上流过的电流与功率管HMP上的电流变化一致。设定流过功率管HMP的电流为I_p，设定流过采样MOS管HMS的电流为I_s，则I_p和I_s为之间的关系满足关系式（1）：

（1）

其中，R_on,p和R_on,s分别代表功率管HMP和采样MOS管HMS的导通电阻，V_R1为第一电阻R1上的压降。

初始状态下，功率管HMP与采样MOS管HMS均优选采用PMOS管。当功率管HMP导通后，采样MOS管HMS同样也会流过电流，且流过采样侧支路210和调节侧支路220的电流相等，均与电流偏置单元300输出端的电流相同。则此时，温度系数调节单元400两侧的电压满足关系式（2）：

（2）

结合关系式（1）和（2）可得出采样MOS管HMS上的采样电流为关系式（3）：

（3）

在关系式（2）中，

（4）

根据关系式（3）、（4），设定

、

，其中，W_on,s为采样MOS管HMS沟道的宽度，W_on,p为功率管HMP沟道的宽度，则由关系式（3）可推导出功率管HMP上的电流关系式（5）：

（5）

关系式（5）右边第一项偏置电流前的系数为正温度系数，由于采样MOS管HMS导通电阻正温系数太大，关系式（5）右边第二项偏置电流前的系数呈现负温度系数，因此，通过合理设置表达式（5）的系数主要是第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3的阻值即可实现功率管HMP电流的零温度系数，从而补偿功率管HMP导通电阻随温度的变化特性所带来的影响。

进一步地，采样侧支路210和调节侧支路220构成源极比较器，采样侧支路210包括第一PMOS管MP1和第一NMOS管MN1，调节侧支路220包括第二PMOS管MP2和第二NMOS管MN2，第一PMOS管MP1的源极与温度系数调节单元400的一支路连接，第一PMOS管MP1的栅极与第二PMOS管MP2的栅极连接，第一PMOS管MP1的漏极与第一NMOS管MN1的漏极连接，第二PMOS管MP2的源极与温度系数调节单元400的另一支路连接，第一NMOS管MN1的栅极、第二NMOS管MN2的栅极均与电流偏置单元300的输出端连接，第一NMOS管MN1的源极、第二NMOS管MN2的源极均接地，第二NMOS管MN2的漏极与第二PMOS管MP2的漏极连接并与控制信号输出支路230连接。

当功率管HMP上的电流增大时，此时，第一PMOS管MP1源极电压将略小于第二PMOS管MP2源极电压时，由于栅源电压差导致流过第二PMOS管MP2的电流值大于第一PMOS管MP1的电流值，而第一PMOS管MP1的电流由偏置电流决定，与电流偏置单元300输出端的电流相同。本来在第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2栅极处的电流相等，但由于前面分析的，第二PMOS管MP2的电流大于第一PMOS管MP1的电流，即第二PMOS管MP2流过的电流大于第二NMOS管MN2流过的电流，因此，为了使第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2栅极所构成的电流镜两侧的电流平衡，则第一NMOS管MN1的漏极处的信号必须要上升才能使得调节侧支路220的上下电流平衡；直到第二NMOS管MN2的漏极处的信号上升至过流状态时，此时，控制信号输出支路230的收到的调节信息也显示过流，则输出控制信号至功率管HMP，关断功率管HMP，防止过流烧毁功率管HMP。

进一步地，限流单元200还包括设置在采样侧支路210和调节侧支路220之间的第一稳压管DZ1和第四电阻R4，第一稳压管DZ1的阳极与第二PMOS管MP2的栅极连接，第一稳压管DZ1的阴极与第二PMOS管MP2的源极连接；第四电阻R4连接在第一PMOS管MP1的栅极和漏极之间。通过第一稳压管DZ1和第四电阻R4可防止过大电流烧毁限流单元200。

为了提升限流单元200的稳定性，在限流单元200的采样侧支路210和调节侧支路220上还设置有PMOS管HMP1、PMOS管HMP2、稳压器DZ2、电阻R6、电阻R7、NMOS管HMN1、NMOS管HMN1、PMOS管MP11、PMOS管MP12，这些器件的连接方式如图2所示出，在此不着重阐述。

进一步地，控制信号输出支路230包括第一反相器N1和第一或非门NOR1，第一反相器N1的输入端与第二NMOS管MN2的漏极连接，第一反相器N1的输出端与第一或非门NOR1的一输入端连接，第一或非门NOR1的输出端输出控制信号至功率管HMP。

在本实施例中，第一反相器N1优选采用施密特反相器，当第二NMOS管MN2的漏极上的调节信号上升调节至高电平时，即第一反相器N1上输入的信号为高电平时，第一反相器N1输出低电平信号，当第一或非门NOR1的两个输入端均为低电平时，第一或非门NOR1输出高电平信号，该高电平信号即为过流信号，将立即控制功率管HMP关断。

进一步地，控制信号输出支路230还包括前沿消隐模块，前沿消隐模块包括第三NMOS管MN3，第三NMOS管MN3的栅极输入前沿消隐信号，第三NMOS管MN3的漏极与第一反相器N1的输入端连接，第三NMOS管MN3的源极接地。

该前沿消隐信号可作为第一或非门NOR1的一输入，即设定在功率管HMP导通后预定时间内，该前沿消隐信号才置为低电平，可以避免在功率管HMP导通瞬间的浪涌电流影响该电流限电路的正常采样。

参阅图3，在功率管HMP导通瞬间，采样电流会出现尖峰，若采样此时间段的电流信号将会导致限流单元200误触发，因此通过添加前沿消隐信号，即在功率管HMP导通后，前沿消隐信号并不会立即翻转为低电平，而是经过一段预设的充电时间再翻转为低电平，此时，逐周期电流限制电路才正常工作。在过流时，功率管HMP的电流每周期都会增大一点，相应地，采样MOS管HMS的电流也会逐渐变大，此时，第一电阻R1上的压降逐渐变大，流过第三电阻R3的电流也逐渐变大，使得第二NMOS管MN2漏极之间上升至翻转，且每周期充电压摆率都在变大，因此，在控制信号输出支路230输出第一个脉冲后，后面每个周期输出的脉冲宽度都会加宽。而逐周期电流限制电路的输出CBCCL后接冷却时间模块，在CBCCL上升沿来时触发冷却时间，则后面的CBCCL上升沿脉冲已无用，系统已停止工作。

进一步地，电流偏置单元300包括第一三极管QN1、第五电阻R5、第四NMOS管MN4和可比例输出多个偏置电流的电流镜单元组，电流镜单元组包括一输入支路和多个输出支路，各输出支路的输出端作为电流偏置单元300的输出端连接在采样侧支路210与调节侧支路220之间，输入支路连接在电源端和第一三极管QN1的集电极之间，第一三极管QN1的基极与基准电压信号连接，第一三极管QN1的发射极经第五电阻R5接地，第四NMOS管MN4的漏极与漏极连接并与各输出支路的输出端连接，第四NMOS管MN4的源极接地。

在本实施例中，第一三极管QN1优选采用NPN型三极管，通过设置各输出支路与输入支路MOS管不同的宽长比，可以实现电流偏置单元300输出支路电流的精准比例复制输入支路电流。输入支路电流关系式如下：

（6）

V_REF是基准电压、V_BE是第一三极管QN1的基极-发射极电压。由于V_BE是负温度系数电压，因此，I_bias是正温度系数的电流。

可选的，电流镜单元组包括4个输出支路，输入支路包括第三PMOS管MP3，4个输出支路分别为第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP7，第三PMOS管MP3的源极与电源端连接，第三PMOS管MP3的栅极和漏极连接并与第一三极管QN1的集电极、各输出支路的PMOS管（MP5、MP6、MP7）的栅极连接，各输出支路的PMOS管（MP5、MP6、MP7）的源极与电源端连接、漏极作为输出；且输入支路与4个输出支路之间的电流值比值为10：6：4：2：1。

可选的，电流镜单元组还包括连接在输出支路上的修调MOS管（MP8、MP9、MP10），修调MOS管（MP8、MP9、MP10）的漏极与输出支路的PMOS管（MP5、MP6、MP7）的漏极连接，修调MOS管（MP8、MP9、MP10）的栅极与修调信号连接，修调MOS管（MP8、MP9、MP10）的漏极作为电流偏置单元300的输出。

在本实施例中，该修调MOS管（MP8、MP9、MP10）优选采用PMOS管，当修调信号为低电平时，该修调MOS管（MP8、MP9、MP10）导通，所在输出支路上的PMOS管（MP5、MP6、MP7）上流过的电流将流过第四NMOS管MN4，该电流偏置单元300输出该输出支路的电流；反之当修调信号为高电平时，所在输出支路上的PMOS管（MP5、MP6、MP7）上流过的电流将不会流过第四NMOS管MN4，该电流偏置单元300不会输出该输出支路的电流。

优选该修调MOS管优选设置在第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6和第七PMOS管MP7所在的输出支路上，该设置为了后续换算二进制便利。

而在不同工艺角下，关系式（5）的温度系数及电阻值都会改变，为了保证较好的温度系数，需要在不同工艺角下修调该电流偏置单元300的输出偏置电流。

综上，本发明具有很高的温度可靠性，通过提供正温度系数偏置电流来补偿功率管导通电阻随温度的变化特性。此外，修调信号以及前沿消隐信号能够避免在系统工艺角变化以及采样到尖峰电流时，逐周期电流限电路的误触发。

进一步的，本申请还提供了一种电源管理芯片，该电源管理芯片包括上述实施例提供的逐周期电流限制电路，通过该逐周期电流限制电路可容易高温度可靠性的对功率管限流，避免损坏功率管。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种逐周期电流限制电路，其特征在于，所述逐周期电流限制电路包括用于采样功率管电流的电流采样单元、用于根据所述电流采样单元采样的电流值对所述功率管的工作进行控制的限流单元、用于为所述限流单元提供电流偏置的电流偏置单元以及用于调节所述电流采样单元温度系数的温度系数调节单元，所述限流单元包括采样侧支路和调节侧支路以及控制信号输出支路，所述电流采样单元的输出端与所述温度系数调节单元连接，所述电流偏置单元和所述温度系数调节单元均连接在所述采样侧支路与所述调节侧支路之间，所述调节侧支路与所述控制信号输出支路连接。

2.根据权利要求1所述的逐周期电流限制电路，其特征在于，所述温度系数调节单元包括两个支路，一支路包括串联连接的第一电阻、第二电阻，另一支路包括第三电阻，所述第一电阻和第二电阻串联连接在电源端和采样侧支路之间，所述第一电阻和第二电阻之间的公共端与所述电流采样单元的输出端连接，所述第三电阻连接在电源端和所述调节侧支路之间。

3.根据权利要求2所述的逐周期电流限制电路，其特征在于，所述采样侧支路和调节侧支路构成源极比较器，采样侧支路包括第一PMOS管和第一NMOS管，调节侧支路包括第二PMOS管和第二NMOS管，所述第一PMOS管的源极与所述温度系数调节单元的一支路连接，所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的栅极连接，所述第一PMOS管的漏极与所述第一NMOS管的漏极连接，第二PMOS管的源极与所述温度系数调节单元的另一支路连接，所述第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的栅极均与所述电流偏置单元的输出端连接，所述第一NMOS管的源极、第二NMOS管的源极均接地，所述第二NMOS管的漏极与所述第二PMOS管的漏极连接并与所述控制信号输出支路连接。

4.根据权利要求3所述的逐周期电流限制电路，其特征在于，所述限流单元还包括设置在采样侧支路和调节侧支路之间的第一稳压管和第四电阻，所述第一稳压管的阳极与所述第二PMOS管的栅极连接，所述第一稳压管的阴极与所述第二PMOS管的源极连接；所述第四电阻连接在所述第一PMOS管的栅极和漏极之间。

5.根据权利要求4所述的逐周期电流限制电路，其特征在于，所述控制信号输出支路包括第一反相器和第一或非门，所述第一反相器的输入端与所述第二NMOS管的漏极连接，所述第一反相器的输出端与所述第一或非门的一输入端连接，所述第一或非门的输出端输出控制信号至所述功率管。

6.根据权利要求5所述的逐周期电流限制电路，其特征在于，所述控制信号输出支路还包括前沿消隐模块，所述前沿消隐模块包括第三NMOS管，所述第三NMOS管的栅极输入前沿消隐信号，所述第三NMOS管的漏极与所述第一反相器的输入端连接，所述第三NMOS管的源极接地。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的逐周期电流限制电路，其特征在于，所述电流偏置单元包括第一三极管、第五电阻、第四NMOS管和可比例输出多个偏置电流的电流镜单元组，所述电流镜单元组包括一输入支路和多个输出支路，各所述输出支路的输出端作为所述电流偏置单元的输出端连接在所述采样侧支路与所述调节侧支路之间，所述输入支路连接在电源端和第一三极管的集电极之间，所述第一三极管的基极与基准电压信号连接，所述第一三极管的发射极经所述第五电阻接地，所述第四NMOS管的漏极与漏极连接并与各所述输出支路的输出端连接，所述第四NMOS管的源极接地。

8.根据权利要求7所述的逐周期电流限制电路，其特征在于，所述电流镜单元组包括4个输出支路，所述输入支路包括第三PMOS管，4个所述输出支路分别为第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管和第七PMOS管，所述第三PMOS管的源极与电源端连接，所述第三PMOS管的栅极和漏极连接并与所述第一三极管的集电极、各所述输出支路的PMOS管的栅极连接，各输出支路的PMOS管的源极与电源端连接、漏极作为输出；且所述输入支路与4个所述输出支路之间的电流值比值为10：6：4：2：1。

9.根据权利要求8所述的逐周期电流限制电路，其特征在于，所述电流镜单元组还包括连接在输出支路上的修调MOS管，所述修调MOS管的漏极与输出支路的PMOS管的漏极连接，所述修调MOS管的栅极与修调信号连接，所述修调MOS管的漏极作为所述电流偏置单元的输出。

10.一种电源管理芯片，其特征在于，所述芯片包括如权利要求1-9中任一项所述的逐周期电流限制电路。

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