CN114725894A - 具有短路保护的电子装置 - Google Patents

Abstract

一种具有短路保护的电子装置包括输入端、输出端、偏压电路与电致动组件。偏压电路具有第一脚位、偏压单元与第二脚位。偏压单元两端分别耦接第一脚位与第二脚位，第一脚位连接于输入端，第二脚位连接于输出端。电致动组件具有开关电路与控制电路，开关电路并联于偏压电路，开关电路的一端耦接于第一脚位，另一端耦接第二脚位，控制电路的一端耦接于第二脚位。当控制电路接获输入电能，导通开关电路。若控制电路中断接收输入电能，断开开关电路，以即时切断对负载电路的电能供应。

Description

具有短路保护的电子装置

技术领域

一种具有开关电路的电子装置，特别关于一种具有短路保护的电子装置。

背景技术

对于电子装置而言，发生短路是一件危险的事情。当设备的两接点之间发生非正常连接，接触的两接点将会流经超过额定的电流。由于超过额定电流就可能引起电路与电子元件的烧毁。常见的短路保护的机制分别为过电流保护(over current protection)与过温度保护(over temperature protection)。

过电流保护是通过电流限制(current limit)的电路或电子元件所实现。过电流保护是针对流经上述电路或电子元件的电流大小，借以判别是否超过额定电流。而过温度保护是针对特定电路区域或电子元件的温度进行量测。这两种方式虽然可以起到短路侦测的目的，两者的设置成本较高，而且防护的范围有所限制。

除此之外，对于有连接电池或电容的电路而言，发生短路不只会影响电路，也可能使得电池或电容产生爆炸。上述的各保护机制被触发时，虽然可以降低短路所带来的风险。但是短路发生时，对于电池而言会有两种情况的影响。第一种情况是电池的放电，由于电路短路将使得电池的快速放电。如此一来，快速放电将使得电池的寿命缩短。第二种情况是电池的充电。在短路的状态中，如果对电池持续的充电可能会导致电池温度过高，使得电池产生爆炸。

发明内容

有鉴于此，依据一些实施例提供一具有短路保护的电子装置，其特征在于保护负载电路发生短路时的其他电路。

此一实施例的具有短路保护的电子装置包括输入端、输出端与偏压电路。偏压电路具有第一脚位、偏压单元与第二脚位，偏压单元两端分别耦接第一脚位与第二脚位，第一脚位连接于输入端，第二脚位连接于输出端；电致动组件具有开关电路与控制电路，开关电路并联于偏压电路，开关电路的一端耦接于第一脚位，另一端耦接第二脚位，控制电路的一端耦接于第二脚位；其中，当控制电路中断接收输入电能，断开开关电路。在一些实施例中，具有短路保护的电子装置可以根据短路所引发的电流的变化，使电致动组件即时响应并断开已连通的电路。

在一些实施例中，控制电路至少包括发光二极管，当控制电路的两端电压差大于运行阀值，发光二极管发光。在一些实施例中，并能即时发出短路的警示，借以告知使用者负载电路发生短路。

在一些实施例中，控制电路包括光耦合元件，当控制电路的两端电压差大于运行阀值，发光二极管照射光耦合元件，开关电路为导通状态。

在一些实施例中，具有短路保护的电子装置包括限流电路，限流电路的端连接于第二脚位，另一端连接于控制电路。

在一些实施例中，控制电路包括电磁元件，开关电路包括磁簧元件，当控制电路的两端电压差大于运行阀值，电磁元件产生运行磁力，电磁元件的运行磁力磁感应磁簧元件，使开关电路为导通状态。在一些实施例中，在一些实施例中，电致动组件在无运行电能，开关电路可以确保将会切换为开路。

在一些实施例中，进一步包括限流电路，包括第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻与限流晶体管，电致动组件连接第一限流电阻的一端，第二限流电阻的两端分别连接第一限流电阻的另一端与限流晶体管的基极，第三限流电阻的一端连接第一限流电阻的另一端，限流晶体管的集极连接于电致动组件。

在一些实施例中，控制电路接收输入电能，使控制电路的两端电压差大于运行阀值时，导通开关电路。

在一些实施例中，限流电路进一步包括齐纳二极管，齐纳二极管的阳极连接限流晶体管的集极，阴极连接输入端。在一些实施例中，齐纳二极管可以防止反向电流流至限流电路。

此一实施例的具有短路保护的电子装置，其包括输入端、输出端、偏压电路与MOS晶体管。偏压电路具有第一脚位、偏压单元与第二脚位，偏压单元两端分别耦接第一脚位与第二脚位，第一脚位连接于输入端，第二脚位连接于输出端；MOS晶体管的源极耦接于第一脚位，MOS晶体管的漏极耦接于输出端，MOS晶体管的栅极耦接于第二脚位，MOS晶体管的栅极输入工作电压，导通MOS晶体管的源极与漏极；MOS晶体管的栅极的电压压降低于运行阀值，断开MOS晶体管的源极与漏极。在一些实施例中，MOS晶体管的反应速率优于其他种类的半导体晶体管，而且MOS晶体管可以设置于有限的电路中。具短路保路的电子装置可以根据短路所引发的电压压降的变化，使电致动组件即时响应并断开已连通的电路。

在一些实施例中，具有短路保护的电子装置进一步包括限流电路，包括第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻与限流晶体管，MOS晶体管的漏极连接第一限流电阻的一端，第二限流电阻的两端分别连接第一限流电阻的另一端、限流晶体管的基极，第三限流电阻的一端连接第一限流电阻的另一端，限流晶体管的集极连接于MOS晶体管的栅极。

在一些实施例中，具有短路保护的电子装置包括第一二极管与第二二极管，第一二极管的阳极连接第二二极管的阳极，第一二极管的阴极连接于MOS晶体管的源极，第二二极管的阴极连接于MOS晶体管的栅极。

在一些实施例中，具有短路保护的电子装置包括第三二极管，第三二极管的阳极连接于MOS晶体管的源极，第三二极管的阴极连接于MOS晶体管的漏极。

附图说明

图1A本发明的一些实施例的具有短路保护的电子装置示意图。

图1B本发明的一些实施例的应用场合示意图。

图1C本发明的一些实施例的短路保护装置的电路示意图。

图2A本发明的一些实施例的短路保护装置示意图。

图2B本发明的一些实施例的预处理状态的输入电能的流向示意图。

图2C本发明的一些实施例的预处理状态的输入电能的流向示意图。

图2D本发明的一些实施例的工作状态的输入电能的流向示意图。

图3本发明的一些实施例的的短路保护装置的电路示意图。

图4本发明的一些实施例的短路状态的示意图。

图5A本发明的一些实施例的短路保护装置的电路示意图。

图5B本发明的一些实施例的磁簧元件切换第二位置与输入电能的示意图。

图5C本发明的一些实施例的短路保护装置的电路示意图。

图5D本发明的一些实施例的磁簧元件切换第二位置与输入电能的示意图。

图5E本发明的一些实施例的短路状态的示意图。

图6A本发明的一些实施例的短路保护装置的电路示意图。

图6B本发明的一些实施例的短路保护装置的电路示意图。

图6C本发明的一些实施例的短路保护装置的电路示意图。

图6D本发明的一些实施例的短路保护装置的电路示意图。

其中，附图标记：

100短路保护装置

110输入端

111直流电源输入端

120输出端

121负载电路

130偏压电路

131第一脚位

132第二脚位

133偏压单元

134电阻

135齐纳二极管

136发光二极管

140电致动组件

141开关电路

141a光耦合元件

141b磁簧元件

142控制电路

142a发光二极管

142b电磁元件

150限流电路

151电阻

152a第一限流电阻

152b第二限流电阻

152c第三限流电阻

152d限流晶体管

160MOS晶体管

161a第一二极管

161b第二二极管

161c第三二极管

具体实施方式

请参考图1A所示，本发明的一些实施例的具有短路保护的电子装置示意图。以下将具有短路保护的电子装置简称为短路保护装置100。在一些实施例的短路保护装置100包括输入端110、输出端120、偏压电路130与电致动组件140。输入端110可连接一直流电源输入端111，输入端110用于传输来自于直流电源输入端111的输入电能。输出端120可连接一负载电路121，所述负载电路121可以是但不限定为充电器、变压器、电子装置或其他电路结构。

举例来说，短路保护装置100可以设置于数据线材的通用串行总线(UniversalSerial Bus,USB)接头或电缆线中，如图1B所示。短路保护装置100也可以设置于电子装置内部，例如：图1B的行动通讯装置的USB插座与电路板之间可以设置短路保护装置100(图1B的虚线圆框处)。当电子装置发生短路时，短路保护装置100除了可以提示使用者，也可以断开负载电路121的运行电流，使得发生短路的电路停止供电。以下针对本发明短路保护装置100在预处理状态、工作状态与短路状态的元件作动说明。

预处理状态为输入端110接获输入电能后至电致动组件140被致能(enable)前的期间。工作状态为电致动组件140被致能后且电致动组件140连通输入端110至输出端120的线路。当负载电路121发生短路，此状态为短路状态。在短路状态中，短路保护装置100将进行中断电致动组件140对于输入端110与输出端120的连通。

偏压电路130具有第一脚位131、偏压单元133与第二脚位132。偏压单元133两端分别耦接第一脚位131与第二脚位132，请参考图1C所示。偏压电路130的第一脚位131连接于输入端110，偏压电路130的第二脚位132连接于输出端120。偏压电路130于预处理状态时，输入电能通过第一脚位131流至第二脚位132。在一些实施例中，所述偏压单元133至少包括一电阻134、齐纳二极管(Zener diode)135或发光二极管136。以偏压单元133为发光二极管为例说明，在预处理状态期间，输入电能会通过偏压电路130，使得偏压单元133发光。使用者可以藉由偏压电路130的发光二极管136得知短路保护装置100已经开始运行。

电致动组件140具有开关电路141与控制电路142。开关电路141并联于偏压电路130，开关电路141的一端耦接于第一脚位131，开关电路141另一端耦接第二脚位132。控制电路142的一端耦接于第二脚位132与输出端120，控制电路142的另一端连接接地端。于预处理状态时，控制电路142接收来自于第二脚位132的输入电能。请参考图2A所示，本发明的一些实施例的短路保护装置示意图。于预处理状态与短路状态时，开关电路141均为开路，图2A中以“X”符号表示开路。在一些实施例中，开关电路141包括光耦合元件141a，控制电路142至少包括发光二极管142a。

在预处理状态时，控制电路142获得输入电能，使得控制电路142的两端电压差大于运行阀值，发光二极管142a致能发光，请配合图2B与图2C的电流箭头所示。一般而言，运行阀值取决于电致动组件140的可工作电压或电流，例如运行阀值可以取决于发光二极管142a的最小工作电压。图2B、图2C中的箭头代表电流的传输路径。图2B为预处理状态，由于控制电路142未获得输入电能，因此开关电路141呈现开路。

输入电能通过偏压电路130流至电致动组件140。发光二极管142a致能发光，发光二极管142a照射开关电路141的光耦合元件141a，使得开关电路141接通输入端110与输出端120。因此电致动组件140从预处理状态切换为工作状态。所以输入电能可以通过开关电路141流至输入端110，如图2D所示。在工作状态下，偏压电路130将不会有输入电能通过，使得偏压电路130中的发光二极管136不会发光。

在一些实施例中短路保护装置100包括输入端110、输出端120、偏压电路130、限流电路150与电致动组件140，请参考图3所示。输入端110传输来自于直流电源输入端111的输入电能。输出端120连接负载电路121，输出端120将输入电能输出至负载电路121。偏压电路130的两端分别连接输入端110与限流电路150。限流电路150的一端连接于偏压电路130的第二脚位132与输出端120。限流电路150的另一端连接于电致动组件140。限流电路150用于调整输入电能，借以保护电致动组件140。限流电路150至少包括电阻151，电阻151阻抗根据电致动组件140所决定。

电致动组件140包括开关电路141与控制电路142。控制电路142并联于开关电路141。控制电路142的一端连接于限流电路150，另一端连接于连接接地端。开关电路141的一端耦接于第一脚位131，开关电路141另一端耦接第二脚位132。输入电能经由限流电路150流至电致动组件140，使发光二极管142a被致能发光并导通开关电路141。

负载电路121连接于短路保护装置100的输出端120。当短路保护装置100为工作状态，开关电路141将输入电能由输入端110传输至输出端120与负载电路121，如图2C所示。当负载电路121发生短路时，短路保护装置100则进入短路状态。由于负载电路121发生短路，使得负载电路121可以被视为直接接地，如图4所示。在图4中，负载电路121与输出端120之间以粗黑线连接负载电路121的输入与接地端，用于表示负载电路121发生短路。

在工作状态中，输入电能应通过输入端110、电致动组件140、输出端120至负载电路121。在短路状态中，输入电能将通过偏压电路130与输出端120后直接接地。因此限流电路150与电致动组件140将不会有输入电能流经其中。换言之，输入电流不流经电致动组件140，使得控制电路142的电压压降至为零。因此控制电路142的两端的电压差将低于运行阀值。所以控制电路142的发光二极管142a不会致能发光，使得开关电路141的光耦合元件141a被禁能(disable)，进而开关电路141呈现开路。在短路状态下，输入电能将会持续流经偏压电路130至负载电路121的接地端。偏压电路130的发光二极管136将呈现恒亮。

由于从预处理状态切换至工作状态的时间间隔短，因此偏压电路130的发光二极管136的发光时间短。而短路状态下，偏压电路130的发光二极管136是持续发光。使用者可以通过偏压电路130的发光二极管136的发光态样判断负载电路121是否出现短路。

在一些实施例中，控制电路142至少包括电磁元件142b，开关电路141至少包括磁簧元件141b，如图5A所示。磁簧元件141b于第一位置(未示出)与第二位置(未示出)间切换。当开关电路141在非工作状态时，磁簧元件141b均位于第一位置。磁簧元件141b位于第一位置时开关电路141为开路，使得输入电能无法通过开关电路141流至输出端120。电磁元件142b的一端可以连接电能输入源，其中电能输入源可以是直流电源输入端111，也可以是外部的电能源。在图5A中为方便表示，因此电磁元件142b的一端是连接外部电能源，但不局限于此。开关电路141在工作状态时，电磁元件142b获得输入电能并产生磁通量变化。因此磁簧元件141b受电磁元件142b作用，使得磁簧元件141b将从第一位置切换至第二位置。当磁簧元件141b位于第二位置，输入电能可以经由输出端120流经开关电路141至输出端120与负载电路121，如图5B所示。短路保护装置100由预处理状态切换为工作状态。

在一些实施例中，限流电路150包括第一限流电阻152a、第二限流电阻152b、第三限流电阻152c、限流晶体管152d与齐纳二极管152e，请参考图5C与图5D所示。电致动组件140连接第一限流电阻152a的一端。图5C、图5D与图5E中为简化电路显示，输入端110以VCC_IN表示，输出端120以VDD_IN表示。第二限流电阻152b的两端分别连接第一限流电阻152a的另一端与限流晶体管152d的基极。第三限流电阻152c的一端连接于第一限流电阻152a的另一端。限流晶体管152d的集极连接于电致动组件140。第二限流电阻152b限制流经限流晶体管152d的电流大小，以使限流晶体管152d控制流向电致动组件140的电流大小。

在预处理状态下，偏压电路130使输入电能经过第一限流电阻152a、第二限流电阻152b与限流晶体管152d，输入电能最后导向电磁元件142b。电磁元件142b获得输入电能，并产生磁通量变化进而带动磁簧元件141b由第一位置切换至第二位置，如图5D所示。由于电致动组件140由预处理状态切换为工作状态，使得输入电能可以经由开关电路141导流至输出端120与负载电路121。

第一限流电阻152a与第三限流电阻152c的分压是用于发生短路时对电致动组件140触发条件。当负载电路121发生短路时，第一限流电阻152a对第三限流电阻152c的分压将使得限流晶体管152d禁能，而输入电能会经由偏压电路130至接地端，使得输入电能不会经过电致动组件140。因此磁簧元件141b将不受电磁元件142b电磁感应，使得磁簧元件141b由第二位置切换至第一位置，如图5E所示。而且输入电能持续经过偏压电路130，如图5E所示。所以偏压电路130的发光二极管136会维持恒亮。使用者可以通过发光二极管136的恒亮进一步得知负载电路121是否发生短路。

在一些实施例中，短路保护装置100可以通过金氧半场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)的组合实现电致动组件140，请配合图6A所示。短路保护装置100包括输入端110、输出端120、偏压电路130与MOS晶体管160。偏压电路130具有第一脚位131、偏压单元133与第二脚位132。偏压单元133两端分别耦接第一脚位131与第二脚位132，第一脚位131连接于输入端110，第二脚位132连接于输出端120。

图6A中以增强P型MOS晶体管(enhancement type-P MOSFET)为例，但实际上也可以采用N型MOS晶体管160或其他种类的半导体晶体管。MOS晶体管160的源极耦接于第一脚位131，MOS晶体管160的漏极耦接于输出端120，MOS晶体管160的栅极耦接于第二脚位13 2。在预处理状态下，MOS晶体管160的源极与漏极为开路，因此输入电能将流经偏压电路130。

输入电能经由偏压电路130流至MOS晶体管160的栅极。当输入电能达到MOS晶体管160的工作电压时，则导通MOS晶体管160的源极与漏极。因此短路保护装置100从预处理状态切换为工作状态，输入电能将不流经偏压电路130，而是改流经MOS晶体管160的源极至漏极至输出端120。所以输入电能可以输入端110流经MOS晶体管160，输入电能在从输出端120输出负载电路121。

当负载电路121发生短路状态，输入电能将从偏压电路130流向输出端、负载电路121与接地端。由于负载电路121为短路，使得MOS晶体管160大于负载电路121。因此MOS晶体管160将不会接收到输入电能。当短路状态时，MOS晶体管160的栅极中断接收输入电能，因此MOS晶体管160将中断源极与漏极的连通。

在一些实施例中，MOS晶体管160的反应速率优于其他种类的半导体晶体管。而且MOS晶体管160所占用的体积少因此可以配合电路设计。

在一些实施例中，短路保护装置100包括输入端110、输出端120、偏压电路130、限流电路150与MOS晶体管160，如图6B所示。在图6B、图6C、图6D中为简化电路显示，输入端110以VCC_IN表示，输出端120以VDD_IN表示。偏压电路130具有第一脚位131、偏压单元133与第二脚位132。偏压单元133两端分别耦接第一脚位131与第二脚位132，第一脚位131连接于输入端110，第二脚位132连接于输出端120。

限流电路150包括第一限流电阻152a、第二限流电阻152b、第三限流电阻152c与限流晶体管152d。MOS晶体管160的漏极连接第一限流电阻152a的一端，第二限流电阻152b的两端分别连接第一限流电阻152a的另一端与限流晶体管152d的基极。第三限流电阻152c的一端连接于第一限流电阻152a的另一端。限流晶体管152d的集极连接于MOS晶体管160的栅极，限流晶体管152d的射极连接接地端。输入电能经由第一限流电阻152a、第二限流电阻152b与限流晶体管152d的压降后，使MOS晶体管160可以确保所获得的输入电能处于工作电压之中。

在一些实施例中，于MOS晶体管160与限流电路150间进一步设置第一二极管161a与第二二极管161b，请参考图6C所示。第一二极管161a的阳极连接第二二极管161b的阳极。第一二极管161b的阴极连接于MOS晶体管160的源极。第二二极管161b的阴极连接于MOS晶体管160的栅极。第一二极管161a与第二二极管161b用于限制流经源极与栅极之间的电流，借以确保MOS晶体管160不会因为过大电流而被击穿。

在一些实施例中，于MOS晶体管160的源极与漏极间进一步设置第三二极管161c，请参考图6D所示。第三二极管161c的阳极连接于MOS晶体管160的源极。第三二极管161c的阴极连接于MOS晶体管160的漏极。第三二极管161c用于防止流经源极与漏极的反向电压，确保MOS晶体管160不会被反向电压击穿。

综合上述所言，本发明提供具有短路保护的电子装置可以应用于各式电子装置或电路结构中，例如：充电器(Charger)、数据电缆(Data Cable)、主机板(main board)或电源管理芯片(power management IC)。短路保护装置100的构成电路元件简单与设置成本低廉。因此负载电路121发生短路时，短路保护装置100可以即时反应，借以保护其他电路或电池。在一些实施例中，短路保护装置100的发光元件可以提示使用者当前的运行状态。

Claims (12)

1.一种具有短路保护的电子装置，其特征在于，所述具有短路保护的电子装置包括：

输入端；

输出端；

偏压电路，具有第一脚位、偏压单元与第二脚位，所述偏压单元两端分别耦接所述第一脚位与所述第二脚位，所述第一脚位连接于所述输入端，所述第二脚位连接于所述输出端；以及

电致动组件，具有开关电路与控制电路，所述开关电路并联于所述偏压电路，所述开关电路的一端耦接于所述第一脚位，另一端耦接所述第二脚位，所述控制电路的一端耦接于所述第二脚位；

其中，当所述控制电路中断接收输入电能，断开所述开关电路。

2.如权利要求1所述的具有短路保护的电子装置，其特征在于，所述控制电路至少包括发光二极管，当所述控制电路的两端电压差大于所述运行阀值，所述发光二极管发光。

3.如权利要求2所述的具有短路保护的电子装置，其特征在于，所述开关电路包括光耦合元件，当所述控制电路的两端电压差大于所述运行阀值，所述发光二极管照射所述光耦合元件，所述开关电路为导通状态。

4.如权利要求1、2或3所述的具有短路保护的电子装置，其特征在于，包括限流电路，所述限流电路的一端连接于所述第二脚位，另一端连接于所述控制电路。

5.如权利要求1所述的具有短路保护的电子装置，其特征在于，所述控制电路包括电磁元件，所述开关电路包括磁簧元件，当所述控制电路的两端电压差大于所述运行阀值，所述电磁元件产生运行磁力，所述电磁元件的所述运行磁力为磁感应所述磁簧元件，所述开关电路为导通状态。

6.如权利要求5所述的具有短路保护的电子装置，其特征在于，进一步包括限流电路，包括第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻与限流晶体管，所述电致动组件连接所述第一限流电阻的一端，所述第二限流电阻的两端分别连接所述第一限流电阻的另一端与所述限流晶体管的基极，所述第三限流电阻的一端连接所述第一限流电阻的所述另一端，所述限流晶体管的集极连接于所述电致动组件。

7.如权利要求6所述的具有短路保护的电子装置，其特征在于，所述限流电路进一步包括齐纳二极管，所述齐纳二极管的阳极连接所述限流晶体管的集极，阴极连接所述输入端。

8.如权利要求1、2、3、5或6所述的具有短路保护的电子装置，其特征在于，所述控制电路接收所述输入电能，使所述控制电路的两端电压差大于所述运行阀值时，导通所述开关电路。

9.一种具有短路保护的电子装置，其特征在于，所述具有短路保护的电子装置包括：

输入端；

输出端；

偏压电路，具有第一脚位、偏压单元与第二脚位，所述偏压单元两端分别耦接所述第一脚位与所述第二脚位，所述第一脚位连接于所述输入端，所述第二脚位连接于所述输出端；以及

MOS晶体管，所述MOS晶体管的源极耦接于所述第一脚位，所述MOS晶体管的漏极耦接于所述输出端，所述MOS晶体管的栅极耦接于所述第二脚位，所述MOS晶体管的栅极接收输入电能，导通所述MOS晶体管的源极与漏极；

其中，当所述MOS晶体管的栅极中断接收所述输入电能，断开所述MOS晶体管的源极与漏极。

10.如权利要求9所述的具有短路保护的电子装置，其特征在于，进一步包括限流电路，包括第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻与限流晶体管，所述MOS晶体管的漏极连接所述第一限流电阻的一端，所述第二限流电阻的两端分别连接所述第一限流电阻的另一端与所述限流晶体管的基极，所述第三限流电阻的一端连接所述第一限流电阻的所述另一端，所述限流晶体管的集极连接于所述MOS晶体管的栅极。

11.如权利要求10所述的具有短路保护的电子装置，其特征在于，包括第一二极管与第二二极管，所述第一二极管的阳极连接所述第二二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接于所述MOS晶体管的源极，所述第二二极管的阴极连接于所述MOS晶体管的栅极。

12.如权利要求10或11所述的具有短路保护的电子装置，其特征在于，包括第三二极管，所述第三二极管的阳极连接于所述MOS晶体管的源极，所述第三二极管的阴极连接于所述MOS晶体管的漏极。

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