CN117013842A - 多输出电压产生器 - Google Patents

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Abstract

一种多输出电压产生器包括分压器以及第一电压转换器及第二电压转换器。分压器接收电源电压且对电源电压进行分压以产生第一输出电压。第一电压转换器与第二电压转换器并联耦接到分压器。第一电压转换器及第二电压转换器对第一输出电压进行转换以分别产生第二输出电压及第三输出电压。

Description

多输出电压产生器
技术领域
本发明涉及一种多输出电压产生器，且更具体来说，涉及一种混合单电感器多输出(single inductor multiple output，SIMO)电压转换器。
背景技术
传统技术中的单电感器双输出电压产生器包括两个晶体管开关及一个电感器，且通过晶体管开关而交替地对电源电压进行转换以产生输出电压。在晶体管开关的前端接收具有高电压电平的电源电压的情况下，晶体管开关需要由具有高的耐电压性的电子组件来实施。因此，会增加电路大小及传导损耗。此外，在这种情况下，电感器需要在大电压范围之间摆动，包括金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)栅极/漏极损耗(由于寄生电容)、反向恢复损耗及MOS开关损耗的开关损耗会引起功率转换的效率的降低。另外，电感器还会引起大的电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)且功率转换的效率被进一步降低。
发明内容
本发明提供一种可改善多输出电压产生器的功率效率的多输出电压产生器。
根据本发明的实施例，多输出电压产生器包括分压器以及第一电压转换器及第二电压转换器。分压器接收电源电压且对电源电压进行分压以产生第一输出电压。第一电压转换器与第二电压转换器并联耦接到分压器。第一电压转换器及第二电压转换器对第一输出电压进行转换以分别产生第二输出电压及第三输出电压。
综上所述，本公开的多输出电压产生器提供分压器以通过对电源电压进行分压来产生第一输出电压，且第一电压转换器与第二电压转换器可基于第一输出电压而分别产生不同的输出电压。因此，第一电压转换器及第二电压转换器可由具有低的耐电压性的电子组件来实施，可降低多输出电压产生器的静态电流(quiescent current)且还可改善多输出电压产生器的功率效率。
为了使本发明的上述特征及优点更容易理解，下面将详细阐述附有图式的实施例。
附图说明
本文包括附图以提供对本发明的进一步理解，且附图被并入本说明书并构成本说明书的一部分。图式示出本发明的实施例且与本说明一起用于阐释本发明的原理。
图1示出根据本公开实施例的多输出电压产生器的示意图。
图2示出根据本公开另一实施例的多输出电压产生器的示意图。
图3示出根据本公开实施例的多输出电压产生器的第一电压转换器的波形图。
图4示出根据本公开另一实施例的多输出电压产生器的示意图。
图5示出根据本公开另一实施例的多输出电压产生器的示意图。
图6示出用于根据本公开实施例的多输出电压产生器的分压器的控制信号产生器的示意图。
图7示出用于根据本公开实施例的多输出电压产生器的电压转换器的控制信号产生器的示意图。
图8示出根据本公开另一实施例的多输出电压产生器的示意图。
图9示出根据本公开另一实施例的多输出电压产生器的示意图。
具体实施方式
在本申请的说明书(包括权利要求书)通篇中，术语“耦接(或连接)”被广泛使用，且囊括直接及间接的连接或耦接方式。例如，如果本公开阐述第一设备被耦接(或连接)到第二设备，则应解释为第一设备可直接连接到第二设备，或者第一设备可通过其他装置或通过特定耦接方式间接连接到第二设备。另外，在本申请的说明书(包括权利要求书)通篇中提到的例如“第一”及“第二”的术语仅用于命名元件的名称或区分不同的实施例或范围，且并不旨在限制元件数目的上限或下限，也不旨在限制元件的顺序。此外，在图式及实施例中，具有相同参考编号的元件/组件/步骤代表相同或相似的部件。不同实施例中具有相同参考编号的元件/组件/符号可参照相关说明。
请参照图1，图1示出根据本公开实施例的多输出电压产生器的示意图。多输出电压产生器100包括分压器110、第一电压转换器120及第二电压转换器130。分压器110接收电源电压VIN，且通过对电源电压VIN进行分压来产生第一输出电压Vo1。第一电压转换器120与第二电压转换器130并联耦接到分压器110的输出端。第一电压转换器120接收第一输出电压Vo1且根据第一输出电压Vo1产生第二输出电压V12。第二电压转换器130接收第一输出电压Vo1且根据第一输出电压Vo1产生第三输出电压V18。在本实施例中，第二输出电压V12及第三输出电压V18二者小于第一输出电压Vo1。
此处应注意，分压器110通过对电源电压VIN进行分压来产生第一输出电压Vo1。在一些实施例中，第一输出电压Vo1可为电源电压VIN的一半。因此，第一输出电压Vo1小于电源电压VIN。此外，分压器110提供第一输出电压Vo1作为第一电压转换器120的操作电源及第二电压转换器130的操作电源。也就是说，可基于具有相对低的电压值的第一输出电压Vo1来对第一电压转换器120及第二电压转换器130进行操作，且可降低第一电压转换器120的功耗及第二电压转换器130的功耗。此外，通过降低第一电压转换器120的电源电压及第二电压转换器130的电源电压，第一电压转换器120及第二电压转换器130可由具有低的耐电压性的电路组件来实施。因此，可减小多输出电压产生器100的电路大小及成本。
另一方面，在本公开中，第一电压转换器120及第二电压转换器130中的每一者可为直流(direct-current，DC)到DC转换器或低压降(low drop-out，LDO)电压调节器。在一些实施例中，第一电压转换器120及第二电压转换器130二者可为DC到DC转换器，且所述两个DC到DC转换器可具有不同的电路结构。
请参照图2，图2示出根据本公开另一实施例的多输出电压产生器的示意图。多输出电压产生器200包括分压器210、第一电压转换器220及第二电压转换器230。在本实施例中，分压器210包括晶体管M1到M4以及电容器C1及CFLY。晶体管M1到M4串联耦接在电源电压VIN与参考接地端GND之间。电容器CFLY耦接在晶体管M1与M2的耦接端和晶体管M3与M4的耦接端之间。电容器C1耦接在晶体管M2与M3的耦接端和参考接地端GND之间。晶体管M2与M3的耦接端当作是分压器210的输出端，用于输出第一输出电压Vo1。晶体管M1到M4的控制端分别接收控制信号V1G到V4G，且晶体管M1到M4可根据控制信号V1G到V4G执行开关操作。
请共同参照图2与图3。图3示出根据本公开实施例的多输出电压产生器的第一电压转换器的波形图。关于分压器210的详细操作，在第一阶段(时间周期TP1)处，控制信号V1G及V3G处于高电压电平，且控制信号V2G及V4G处于低电压电平，使得可根据控制信号VG1及VG3而同时将晶体管M1与M3接通且可根据控制信号VG2及VG4而同时将晶体管M2与M4关断。控制信号V1G与控制信号V2G互补。控制信号V1G与V3G具有相同的波形且控制信号V2G与V4G具有相同的波形。以这种方式，电容器CFLY可在电源电压VIN与参考接地端之间串联耦接到电容器C1。在第一阶段期间，电容器CFLY及C1二者由电源电压VIN进行充电。可通过被接通的晶体管M1将电容器CFLY上的电压VCFLY充电到电源电压VIN，且如果电容器CFLY的电容与C1的电容相同，则可通过对电源电压VIN进行分压而将第一输出电压Vo1充电到电源电压VIN的一半(＝VIN/2)。
此外，可通过被接通的晶体管M3而将第一输出电压Vo1馈送到电感器LX1。因此，在第一阶段期间，可将电感器LX1上的电压VLX1升高到VIN/2。
在第一阶段之后的第二阶段(时间周期TP2)处，控制信号V1G及V3G转变为高电压电平，且控制信号V2G及V4G转变为高电压电平，使得可根据控制信号VG1及VG3而同时将晶体管M1与M3关断且可根据控制信号VG2及VG4而同时将晶体管M2与M4接通。以这种方式，电容器CFLY与C1可并联耦接，电容器CFLY上的电压VCFLY与第一输出电压Vo1通过并联连接的电容器CFLY与C1而相等，且电容器CFLY与C1中的电荷可被共享。另外，电感器LX1上的电压VLX1被接通的晶体管M4拉向参考接地电压，且可在电感器LX1与电容器C2之间的耦接端(开关节点)上产生第二输出电压V12。
第一阶段的时间长度与第二阶段的时间长度可相同或不同。在本实施例中，时间周期TP1与TP2可不同。也就是说，控制信号V1G到V4G中的每一者的占空比不需要为50％。
如果晶体管M1到M4的导电类型相同，则控制信号V1G与V3G的相位相同，控制信号V2G与V4G的相位相同，且控制信号V1G与V2G的相位互补。
在本实施例中，在时间周期TP1期间，电感器LX1上的电流ILX1＝电容器CFLY上的电流ICFLY+电容器C1上的电流IC1–分压器210的输出端上的电流Ivo1。在时间周期TP2期间，电感器LX1上的电流ILX1＝电容器C1上的电流IC1+分压器210的输出端上的电流Ivo1。通过图3中的电压VLX1的波形，可看出电压VLX1的电压摆动仅为VDD/2。也就是说，可降低由第一电压转换器220引起的电磁干扰(EMI)，且可改善多输出电压产生器200的性能。
此处请注意，由于分压器210执行的开关操作是软开关行为。也就是说，在操作中可能不会发生额外的功率损耗，且分压器210提供比电压转换器高的电压转换效率。另外，通过电容器C1与CFLY的电荷共享而产生第一输出电压Vo1，且可将第一输出电压Vo1固定到目标值(＝1/2*VIN)。
在本实施例中，只有晶体管M1接收具有高电压值的电源电压。也就是说，晶体管M2到M4中的任一者的耐电压性可低于晶体管M1的耐电压性。可通过利用低耐电压性组件实施的晶体管M2到M4来减小分压器210的电路大小。
另一方面，在本实施例中，第一电压转换器220及第二电压转换器230是DC到DC电压转换器。第一电压转换器220是降压式(buck)转换器，且包括晶体管M3及M4、电感器LX1及电容器C2。电感器LX1与电容器C2串联耦接在晶体管M3与M4的耦接端和参考接地端GND之间。在本实施例中，第一电压转换器220与分压器210共享晶体管M3及M4。
第二电压转换器230包括晶体管M5及M6、电感器LX2及电容器C3。晶体管M5与M6串联耦接在分压器210的输出端与参考接地端GND之间。晶体管M5及M6的控制端分别接收控制信号V5G及V6G。电感器LX2与电容器C3串联耦接在晶体管M5与M6的耦接端和参考接地端GND之间。
第二电压转换器230的详细操作与第一电压转换器220相同，且此处不再赘述。
可交替地将晶体管M5与M6接通及关断，且可在电感器LX2与电容器C3的耦接端(开关节点)处产生第三输出电压V18。由于晶体管M5及M6接收电源电压VIN作为操作电源，因此晶体管M5及M6可由低耐电压性组件来实施，且可减小电路大小。
此处请注意，在本实施例中，第二输出电压V12可小于第三输出电压V18。
请参照图4，图4示出根据本公开另一实施例的多输出电压产生器的示意图。多输出电压产生器400包括分压器410以及第一电压转换器420及第二电压转换器430。分压器410包括晶体管M1到M4以及电容器C1及CFLY。晶体管M1到M4分别由控制信号V1G到V4G进行控制。分压器410的详细操作与图2中的分压器210相同，且此处不再赘述。
第一电压转换器420包括晶体管M3及M4、电感器LX1及电容器C2。另外，第一电压转换器420的详细操作与图2中的第一电压转换器220相同，且此处不再赘述。
第二电压转换器430是低压降电压调节器，且包括反馈电阻器431、误差放大器432及晶体管M7。反馈电阻器431可接收第二电压转换器430的第三输出电压V18，且根据第三输出电压V18产生反馈电压VFB1。误差放大器432具有用于接收反馈电压的负输入端及用于接收参考电压VREF1的正输入端。晶体管M7的第一端接收第一输出电压Vo1，且晶体管M7的第二端产生第三输出电压V18。晶体管M7的控制端耦接到误差放大器432的输出端。
详细来说，反馈电阻器431可为电阻器串且用于对第二输出电压V18进行分压以产生反馈电压VFB1。误差放大器432对反馈电压VFB1与参考电压VREF1进行比较，且将反馈电压VFB1与参考电压VREF1之间的误差放大以对晶体管M7进行控制。
在本实施例中，通过接收第一输出电压Vo1作为操作电源，可改善作为低压降电压调节器的第二电压转换器430的电源效率。
在本实施例中，参考电压VREF1可为预设电压。
请参照图5，图5示出根据本公开另一实施例的多输出电压产生器的示意图。多输出电压产生器500包括分压器510以及第一电压转换器520及第二电压转换器530。与多输出电压产生器400不同，在本实施例中，第一电压转换器520是低压降电压产生器，且第二电压转换器530是直流到直流(DC到DC)转换器。第一电压转换器520包括反馈电阻器521、误差放大器522及晶体管M7。反馈电阻器521接收第二输出电压V12且通过对第二输出电压V12进行分压来产生反馈电压VFB2。误差放大器522将反馈电压VFB2与参考电压VREF2之间的误差放大，以对晶体管M7进行控制。晶体管M7接收第一输出电压Vo1且产生第二输出电压V12。
第二电压转换器530包括晶体管M5及M6、电感器LX2及电容器C2。第二电压转换器530可为降压式转换器。晶体管M5与M6串联耦接在第一输出电压Vo1与参考接地端GND之间，且分别由控制信号V5G及V6G控制。电感器LX2与电容器C2串联耦接在晶体管M5与M6的耦接端和参考接地端之间。第二电压转换器530接收第一输出电压Vo1作为操作电源，且通过对第一输出电压Vo1进行转换而产生第三输出电压V18。
在本实施例中，参考电压VREF2可为预设电压。
请共同参照图2与图6，其中图6示出用于根据本公开实施例的多输出电压产生器的分压器的控制信号产生器的示意图。控制信号产生器600用于产生用于对分压器210的操作进行控制的控制信号V1G到V4G。控制信号产生器600包括反馈电阻器610、误差放大器620、斜坡信号产生器630、比较器640以及逻辑及驱动电路650。反馈电阻器610可接收第二输出电压V12且通过对第二输出电压V12进行分压来产生反馈电压VFB3。反馈电阻器610向误差放大器620的负输入端提供反馈电压VFB3。误差放大器620还通过正输入端接收参考电压VREF3。误差放大器620根据反馈电压VFB3与参考电压VREF3的差产生信号CS1。
斜坡信号产生器630向比较器640的正输入端产生参考斜坡信号RS1。误差放大器620向比较器640的负输入端提供信号CS1。比较器640通过对参考斜坡信号RS1与信号CS1进行比较而产生信号CP1。
逻辑及驱动电路650接收信号CP1且基于时钟信号CLK1而根据信号CP1产生控制信号V1G到V4G。逻辑及驱动电路650可包括用于对信号CP1执行逻辑运算以产生运算结果的逻辑电路核心。逻辑及驱动电路650可还包括用于将运算结果放大以产生控制信号V1G到V4G的驱动部分。
在本实施例中，参考电压VREF3可为预设电压。
请共同参照图2与图7，其中图7示出用于根据本公开实施例的多输出电压产生器的电压转换器的控制信号产生器的示意图。控制信号产生器700用于产生用于对第二电压转换器230进行控制的控制信号V5G及V6G。控制信号产生器700包括反馈电阻器710、误差放大器720、斜坡信号产生器730、比较器740以及逻辑及驱动电路750。反馈电阻器710可接收第三输出电压V18且通过对第三输出电压V18进行分压来产生反馈电压VFB34。反馈电阻器710向误差放大器720的负输入端提供反馈电压VFB4。误差放大器720还通过正输入端接收参考电压VREF4。误差放大器720根据反馈电压VFB4与参考电压VREF4的差产生信号CS2。
斜坡信号产生器730向比较器740的正输入端产生参考斜坡信号RS2。误差放大器720向比较器740的负输入端提供信号CS2。比较器740通过对参考斜坡信号RS2与信号CS2进行比较而产生信号CP2。
逻辑及驱动电路750接收信号CP2且基于时钟信号CLK2而根据信号CP2产生控制信号V5G及V6G。逻辑及驱动电路750可包括用于对信号CP2执行逻辑运算以产生运算结果的逻辑电路核心。逻辑及驱动电路750可还包括用于将运算结果放大以产生控制信号V5G及V6G的驱动部分。
在本实施例中，参考电压VREF4可为预设电压。
请参照图8，图8示出根据本公开另一实施例的多输出电压产生器的示意图。多输出电压产生器800包括分压器810、第一电压转换器820、第二电压转换器830及第三电压转换器840。分压器810接收电源电压VIN，且通过对电源电压VIN进行分压来产生第一输出电压Vo1。在一些实施例中，第一输出电压Vo1可为电源电压VIN的一半。
第一电压转换器820、第二电压转换器830及第三电压转换器840并联耦接到分压器110的输出端。第一电压转换器820、第二电压转换器830及第三电压转换器840中的全部接收第一输出电压Vo1作为操作电源，且第一电压转换器820、第二电压转换器830及第三电压转换器840分别产生第二输出电压V12、第三输出电压V18及第四输出电压V33。
在一些实施例中，第一输出电压Vo1大于第二输出电压V12、第三输出电压V18及第四输出电压V33中的每一者。另一方面，第二输出电压V12可小于第三输出电压V18，且第三输出电压V18可小于第四输出电压V33。
在本实施例中，第一电压转换器820、第二电压转换器830及第三电压转换器840中的每一者可为DC到DC转换器或低压降(LDO)电压调节器。
请参照图9，图9示出根据本公开另一实施例的多输出电压产生器的示意图。多输出电压产生器900包括分压器910及第一电压转换器920到第三电压转换器940。分压器910包括晶体管M1到M4以及电容器CFLY及C1。分压器410的详细操作与图2中的分压器210相同，且此处不再赘述。
在本实施例中，第一电压转换器920到第二电压转换器930二者是DC到DC转换器。第三电压转换器940是低压降电压调节器。第一电压转换器920包括晶体管M3及M4、电感器LX1以及电容器C2。第二电压转换器930包括晶体管M5及M6、电感器LX2以及电容器C3。第一电压转换器920及第二电压转换器930的详细操作与第一电压转换器220相同，且此处不再赘述。
第三电压转换器940可包括晶体管M7，且第三电压转换器940的详细操作与第二电压转换器430相同，且此处不再赘述。
此处应注意，多输出电压产生器900可提供第一输出电压Vo1来对负载电路901进行驱动。负载电路901可为用于系统的内部电路，或者负载电路901可为用于在多输出电压产生器900中使用的DC到DC电压转换器的预驱动器。通过降低预驱动器的操作电压，也可降低DC到DC电压转换器的静态电流。
综上所述，如果电源电压比第二输出电压高得多。通过直接对电源电压进行转换来产生第二输出电压可能产生大量的功率转换损耗。在本公开中，多输出电压产生器可对电源电压进行分压且然后对第一输出电压进行转换以产生另一输出电压。也就是说，可减少功率转换损耗，且可改善多输出电压产生器的转换效率。
对所属领域中的技术人员来说将显而易见的是，在不背离本公开的范围或精神的条件下，可对本公开实施例的结构进行各种修改及变化。鉴于前述内容，本公开旨在涵盖本公开的修改及变化，只要它们落入所附权利要求书及其等同物的范围内。

Claims (18)

1.一种多输出电压产生器，包括：
分压器，接收电源电压且对所述电源电压进行分压以产生第一输出电压；
第一电压转换器与第二电压转换器，并联耦接到所述分压器，其中所述第一电压转换器及所述第二电压转换器对所述第一输出电压进行转换以分别产生第二输出电压及第三输出电压。
2.根据权利要求1所述的多输出电压产生器，其中所述第一输出电压是所述电源电压的一半。
3.根据权利要求1所述的多输出电压产生器，其中所述分压器包括：
第一晶体管到第四晶体管，
其中所述第一晶体管到所述第四晶体管串联耦接在电源电压接收端与参考接地端之间，所述第一晶体管到所述第四晶体管分别由第一控制信号到第四控制信号进行控制，且所述第二晶体管与所述第三晶体管的耦接端产生所述第一输出电压。
4.根据权利要求3所述的多输出电压产生器，其中所述第一晶体管与所述第二晶体管的耦接端耦接到第一电容器的一端且所述第二晶体管与所述第三晶体管的所述耦接端耦接到所述第一电容器的另一端，且所述第二晶体管与所述第三晶体管的所述耦接端耦接到第二电容器的一端且所述参考接地端耦接到所述第二电容器的另一端。
5.根据权利要求1所述的多输出电压产生器，其中所述第一电压转换器是直流到直流电压转换器或低压降电压调节器。
6.根据权利要求1所述的多输出电压产生器，其中所述第一电压转换器及所述第二电压转换器二者是直流到直流电压转换器且所述两个直流到直流电压转换器具有不同的电路结构。
7.根据权利要求1所述的多输出电压产生器，其中所述第二电压转换器是低压降电压调节器。
8.根据权利要求3所述的多输出电压产生器，其中所述第一电压转换器及所述第二电压转换器中的一者包括：
所述第三晶体管及所述第四晶体管；
电感器；以及
电容器，
其中所述电感器及所述电容器耦接在所述第三晶体管与所述第四晶体管的耦接端和所述参考接地端之间。
9.根据权利要求8所述的多输出电压产生器，其中所述第一电压转换器及所述第二电压转换器中的另一者包括：
第五晶体管，具有接收所述第一输出电压的第一端，且所述第五晶体管的控制端接收第五控制信号；
第六晶体管，具有耦接到所述第五晶体管的第二端且产生所述第二输出电压的第一端，所述第六晶体管的控制端接收第六控制信号，且所述第六晶体管的第二端耦接到所述参考接地端；
电感器；以及
电容器，其中所述电容器与所述电感器串联耦接在所述第五晶体管的所述第二端与所述参考接地端之间。
10.根据权利要求8所述的多输出电压产生器，其中所述第一电压转换器及所述第二电压转换器中的一者包括：
第五晶体管，具有接收所述第一输出电压的第一端，所述第五晶体管的控制端接收第五控制信号且所述第五晶体管的第二端产生所述第二输出电压；
误差放大器，接收反馈电压及参考电压，且根据所述反馈电压与所述参考电压的差产生所述第五控制信号；以及
反馈电阻器，接收所述第二输出电压且根据所述第二输出电压产生所述反馈电压。
11.根据权利要求3所述的多输出电压产生器，还包括：
控制信号产生器，耦接到所述分压器且产生所述第一控制信号到所述第四控制信号。
12.根据权利要求11所述的多输出电压产生器，其中所述控制信号产生器包括：
误差放大器，接收参考电压及反馈电压，且根据所述参考电压与所述反馈电压之间的差产生第一信号；
反馈电阻器，接收所述第二输出电压且根据所述第二输出电压产生所述反馈电压；
比较器，接收所述第一信号及参考斜坡信号，且通过对所述参考斜坡信号与所述第一信号进行比较来产生第二信号；以及
逻辑及驱动电路，接收所述第二信号且基于时钟信号而根据所述第二信号产生所述第一控制信号到所述第四控制信号。
13.根据权利要求3所述的多输出电压产生器，其中所述第一晶体管的耐电压性高于所述第二晶体管到所述第四晶体管中的任一者的耐电压性。
14.根据权利要求9所述的多输出电压产生器，还包括：
控制信号产生器，耦接到所述第一电压转换器及所述第二电压转换器中的一者且产生所述第五控制信号及所述第六控制信号。
15.根据权利要求14所述的多输出电压产生器，其中所述控制信号产生器包括：
误差放大器，接收参考电压及反馈电压，且根据所述参考电压与所述反馈电压的差产生第一信号；
反馈电阻器，接收所述第二输出电压且根据所述第二输出电压产生所述反馈电压；
比较器，接收所述第一信号及参考斜坡信号，且通过对所述参考斜坡信号与所述第一信号进行比较来产生第二信号；以及
逻辑及驱动电路，接收所述第二信号且基于时钟信号而根据所述第二信号产生所述第五控制信号及所述第六控制信号。
16.根据权利要求1所述的多输出电压产生器，还包括：
第三电压转换器，耦接到所述分压器，对所述第一输出电压进行转换以产生第四输出电压。
17.根据权利要求16所述的多输出电压产生器，其中所述第三电压转换器是直流到直流电压转换器或低压降电压调节器。
18.根据权利要求16所述的多输出电压产生器，其中所述第一输出电压大于所述第二输出电压、所述第三输出电压及所述第四输出电压中的每一者。
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