DE2253808A1

DE2253808A1 - Schutzvorrichtung fuer ein leistungselement einer integrierten schaltung

Info

Publication number: DE2253808A1
Application number: DE2253808A
Authority: DE
Inventors: Arnaldo Bondini; Bruno Murari
Original assignee: SGS Societa Generale Semiconduttori SpA
Current assignee: SGS Societa Generale Semiconduttori SpA
Priority date: 1972-05-15
Filing date: 1972-11-03
Publication date: 1973-11-29
Also published as: GB1413824A; DE2253808C2; FR2184580B1; US3792316A; FR2184580A1; IT958867B

Description

DIPL-ING. HORST RUSE DIPL-ING. PETER KOSEL PATENTANWÄLTE

3353 Bad Gandershelm, 1. November 1972 Postfach 129 Hohenhöfen 5 Telefon: (05382) 2842 Telegramm-Adresse: Siedpatent Badgandersheim

Unsere Akten-Nr. 2657 /3

SOGIETA'GEITERAIE SEMICONDUTTORI S.p.A S.G.S. 2253808 Patentgesuch vom 1. November 1972

SOCIETA' GEKERAEE SEMICONDUTTORI S.p.A S.G.S.

20041 Agrate (Milano, Italien) Via C. Olivetti n. 1

Schutzvorrichtung für ein Leistungselement einer integrierten Schaltung ;

Die Erfindung "betrifft eine Schutzvorrichtung für ein Leistungselement einer integrierten Schaltung, deren Ausgangsstrom über einen in der integrierten Schaltung vorgesehenen Leiter mit vorgegebenen Eigenschaften einer an die integrierte Schaltung angeschlossenen Last zugeführt wird. Sie betrifft insbesondere eine derartige Schutzvorrichtung für den Schutz der Ausgangs-Leistungstransistoren solcher Schaltungen gegen Kurzschlüsse am Ausgang.' ,

Die einfachste Art, ein Leistungselement einer integrierten Schaltung - dieser Begriff wird in der Folge in Übereinstimmung mit dem technischen Sprachgebrauch kurz-als "der IC" wiedergegeben - zu schützen, besteht darin, am Ausgang des IC einen Begrenzungswiderstand in Reihe mit der Last vorzusehen, so daß der Ausgangestrom auf Werte begrenzt wird, welche das zu schützende Element nicht zerstören können. Hierbei ergeben sich jedoch verschiedene Nachteile: Zunächst muß dieser Begrenzungswiderstand außerhalb des IC angeordnet

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werden, denn wenn er im IC vorgesehen würde, würde er diesen in unerwünschter Weise erwärmen. Ferner verhindert dieser Widerstand - und dies ist der größte Nachteil einer solchen Schaltung - daß der Last die größtmögliche Leistung zugeführt wird, die das Leistungselement des IC an sich abgeben könnte.

Man hat den letztgenannten Nachteil dadurch teilweise gemildert, daß man für den Begrenzungswiderstand einen sehr kleinen Wert gewählt und die an ihm abfallende Spannung dazu benutzt hat, ein elektrisches Schwellwertglied zu steuern, z.B., indem man diese Spannung der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors zuführt. Wenn dann der Ausgangsstrom so groß wird, daß an diesem Widerstand ein Spannungsabfall auftritt, der über dem Schwellwert liegt, so beginnt der Transistor zu leiten und hält den durch die Last fließenden Strom konstant. Mit einer solchen Vorrichtung erhält man einen Schutz gegen Stromstöße und, bei entsprechender Spannungsüberwaohung, gegebenenfalls auch gegen zu hohe Leistungsspitzen. Die Regelung der maximalen Leistung am Ausgangstransistor erfolgt gewöhnlich mittels eines Gliedes, das durch die mittlere Temperatur des Siliziumplättchens gesteuert wird. Dies verhindert jedoch in bestimmten Fällen trotzdem nicht die Zerstörung des IC, da der zu schützende Leistungstransistor im Sekundärdurchbruchsgebiet arbeiten könnte. Dies ist im Diagramm der Ausgangsgrößen das Gebiet zwischen der Kurve für die größte zulässige Verlustleistung (Kurve 41 in Fig. 2) und einer tiefer gelegenen Kurve (Kurve 42 in Fig. 2), welche vom Aufbau des Transistors abhängt. In diesem Gebiet treten bei genügend hohen Spannungen örtliche Überhitzungen im Transistor auf, welche seine Zerstörung bewirken. Man muß ferner berücksichtigen, daß bei Änderungen der Umgebungstemperatur sich auch die größte zulässige Verlustleistung und damit auch der maximal zulässige Strom ändert,

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und daß deshalb der Ansprech-Schwellenwert der Schutzvorrichtung ebenfalls temperaturabhängig sein sollte.-Die bekannten Schutzvorrichtungen erfüllen aber diese Forderung nicht. Ferner haben auch die eben beschriebenen Schutzvorrichtungen noch den Nachteil, daß bei ihnen in Reihe mit der Last ein Widerstand liegt, der die der Last zuführbare Nutzleistung verringert und Verluste bewirkt.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzvorrichtung zu schaffen, welche die genannten Nachteile mindestens teilweise vermeidet. Insbesondere strebt die Erfindung eine Schutzvorrichtung dieser Art an, in welcher keine Nutzleistung vergeudet wird, wobei die Schutzvorrichtung direkt im IC verwirklicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer eingangs genannten Schutzvorrichtung dadurch erreicht, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, mittels derer der von dem Leistungselement gelieferte Strom direkt an dem die vorgegebenen Eigenschaften, aufweisenden Leiter gemessen wird. Dadurch, daß man einen _ oder mehrere sowieso im IO vorgesehenen bzw. vorgesehene Leiter verwendet, dessen bzw. deren Eigenschaften bei der Herstellung mit sehr engen Toleranzen bestimmbar sind, vermeidet man die Verwendung eines separate-η äußeren Widerstands und benötigt zudem auch keine Verbindungen hierfür außerhalb des IG. Dies ermöglicht eine sehr einfache und preiswerte Lösung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird di'e Schutzvorrichtung mit Vorteil so ausgebildet, daß der Vorrichtung Spannung und Strom am bzw. im Leistungskreis zuführbar sind, und daß die Beziehung zwischen Strom und Spannung etwa exponentiell ist. Man erhält hierdurch die Möglichkeit, die Leistungsstufe des IO bis an die theoretisch möglichen Grenzen auszunützen und gleichzeitig

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den IG umfassend und für praktisch alle Betriebsarten gegen eine Überlastung zu schützen, wie sie sonst z.B. bei einem Kurzschluß am Ausgang auftreten könnte.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Wedse als Einschränkung zu verstehenden Ausführungsbeispiel. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung der Ausgangsstufe eines IC, welche mit einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung zum Schütze dieser Ausgangsstufe versehen ist,

Fig. 2 ein Schaubild, welches die theoretische, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbare Schutzkurve

44 zeigt, und

Fig. 3 ein Schaubild, welches die in der Praxis mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbare Schutzkurve

45 zeigt.

In Fig. 1 ist mit 11 ein zur Ausgangsstufe eines IO gehörender Leistungstransistor bezeichnet, dessen Kollektor eine Spannung +V zugeführt wird und dessen Emitter mit einem metallisierten Element 12 des IC verbunden ist. Von diesem Element 12 geht ein Leiter 13 aus, der normalerweise aus Gold oder Aluminium besteht„ Dieser Leiter dient zur Verbindung mit einem Anschlußelement 14 des IC, an das im Betrieb eine zu speisende Last angeschlossen wird. Dieses Anschlußelement, das z.B. ein Stift sein kann, wird im folgenden als der Rheophor 14 bezeichnet.

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Der Leiter 13 hat einen vorteilhaften Widerstand mit der Gesamtgröße R₂. Diese Größe läßt sich leicht sehr genau "bestimmen, da die Abmessungen des Leiters 13, also sein Durchmesser und seine Länge sehr enge Toleranzen aufweisen«, Zur Verdeutlichung der -Darstellung ist dieser Widerstand Rp ^des Deiters 13 in Figo 1 als konzentrierter Ersatzwiderstand dargestellt..

Das Signal ₉ das leistungsmäßig verstärkt werden soll, wird einem Eingang 16 zugeführt. Zur Stromverstärkung dieses Signals ist ein Transistor 17 vorgesehen, dessen Kollektor an die Spannung +V angeschlossen ist und dessen Emitter mit der Basis des Leistungstransistors 11 verbunden ist_? so daß der Transistor 17 den Leistungstransistor 11 steuert.

Das metallisierte Element 12 ist ferner über eine Diode 21 mit der Basis eines Transistors 22 verbunden, welche über einen Widerstand 23 mit dem Wert R.. von der Spannung +V vorgespannt ist«. Der Emitter des Transistors 22 ist über ein anderes metallisiertes Element 24 des IG und einen Leiter 26 mit dem Rheophor 14 verbunden,, Der Leiter 26 hat insgesamt einen Widerstand R,, der in Figo 1 aus Gründen der Klarheit als konzentrierter Ersatzwiderstand dargestellt ist»

Dieser Widerstand R», dessen Wert sehr niedrig und größenordnungsmäßig gleich groß wie Rp ist, stellt die unerläßliche galvanische Verbindung zwischen dem Emitter des Transistors 22 und dem Ende von Rp an der Verbindungsstelle mit dem Rheophor 14 dar«,

. Der Kollektor des Transistors 22 ist an die Basis des Transistors 31 angeschlossen, welche auch mit einem Konstantstromglied 32 verbunden ist, das seinerseits an die Spannung +V angeschlossen ist» Der Emitter des Transistors 31 ist mit dem Eingang 16 verbunden, während sein Kollektor an Masse liegt«,

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Arbeitsweise:

Die aus der Diode 21, dem Transistor 22 und dem Widerstand 23 bestehende Vorrichtung hat die Aufgabe, zwei Signale zu verarbeiten, von denen das eine abhängig ist vom Strom durch den Leiter 13» und das andere von der Spannung V_QE zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Leistungstransistors 11. Abhängig von diesen beiden Signalen erzeugt diese Vorrichtung ein Signal, welches der von dem Transistor 31 und dem Konstantstromglied 32 gebildeten Schwellwertschaltung zugeführt wird. Wenn dieses Signal, das vom Kollektor des Transistors 22 der Schwellwertschaltung zugeführt wird, einen Wert erreicht, der gleich dem als Sollwert dienenden Konstantstrom I_T vom Konstantstromglied 32 ist, spricht die Schutzvorrichtung an und begrenzt den Ausgangsstrom auf einen konstanten Wert, der nicht größer ist als der noch zulässige Strom im Leistungselemeat 11. Im folgenden wird dies rechnerisch nachgewiesen werden.

In Figo 2 ist auf der Abszisse die Kollektor-Emitter-Spannung Y^y des Transistors 11 aufgetragen, und der Kollektorstrom I des Transistors 11 ist auf der Ordinate abgetragene Mit 41 ist die Kurve bezeichnet, welche die maximal zulässige Verlustleistung des Transistors 11 angibt» Die Kurve 41 ist ein Zweig einer Hyperbel, deren Asymptoten die beiden Koordinatenachsen sind. Diese Hyperbel hat die Punktionsgleichung V.I = const.

Wie bereits erläutert, führen genügend hohe Werte der Spannung Vp„ zu örtlichen Erwärmungen im Transistor 11, und diese können den Transistor zerstören. Dies wird gemeinhin als Sekundärdurchbruch bezeichnet. Im Schaubild nach Fig. 2 liegt das Gebiet, in dem dieser Sekundärdurchbruch möglich ist, zwischen der Kurve 41 und einer Kurve 42, deren Abstand von der Kurve 41 mit zunehmender Spannung V_n^ zunimmt, wie das Fig. 2 zeigt. Ersichtlich erhält man

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einen idealen Schutz, wennder Transistor 11 nur im Gebiet· unterhalb der Kurven 41 und 4,2 arbeitet. Dabei kann man sich jedoch diesen Kurven beliebig eng nähern, um den Transistor 11 leistungsmäßig so gut auszunutzen, wie das nur irgendwie geht.

Bezeichnet man mit I»., den Kollektorstrom des Transistors 22, mit- I_G2 den Strom durch die Diode 21, (die man normalerweise durch Kurzschließen von Basis und Kollektor eines Transistors erhält, so daß die Spannung an ihr gleich der. Basis-Emitter-Spannung V-g-g des· ursprünglichen Transistors wird), und vernachlässigt man die Ströme in den Steuerschaltungen im Verhältnis zur Größe des Kollektorstroms I im Leistungstransistor 11, der um mindestens zwei Größenordnungen größer ist als diese Steuerströme, und vernachlässigt man ferner die Basisströme im Verhältnis zu den Kollektorströmen, so kann man schreiben

Ol ο I

^VBE1 ^{= V}BE2

T = Δ T exT) /aV /ΤΓΦ / ₌ (V — Y J / "R... (o)

Hierbei sind

R-, R₂, Vß-g, I, Iq₁ und I₀₂ elektrische .Werte gemäß den oben gegebenen Definitionen

Ι_σ umgekehrter Sättigungsstrom pro Flächeneinheit des

Basis-Emitter-Übergangs; dieser Strom ist abhängig von der verwendeten Technologie und daher für alle Transistoren derselben Art im IO identisch;

A^ Emitterflache des Transistors 22; A₂ Fläche des pn-Übergangs der Diode 21;

BE1 Basis-Emitter-Spannung des Transistors 22;

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Spannung am pn-übergang der Diode 21;

q. Ladung des Elektrons; K Boltzmannsche Konstante; T absolute Temperatur der pn-Übergänge.

Aus Gleichung (1) leiten wir ab

I₃ = I₀₁A₁ . e χ _P £ qV_BEi/KT_]

Setzt man in Gleichung (5) ein, so ergibt sich

A₂ I₀₁A₁ . e χ ρ /Z-QVbE₁AtJ . exp

Hieraua erhält man dann V^A1 * ¹CI exp ß/KT. (V_BE2 - V_BE1)J= (Y_0E - V_BE2) A₁ (4)

Aus Gleichung (2) ergibt sich dann die Beziehung

^VBE2 " ^VBE1

Beim Einsetzen in Gleichung (4) ergibt sioh dann A₂A₁ . I₀₁ exp /T-(IR₂I)At] = (V_CE - V_BE2). / R₁

Hieraus erhält man

A₂A₁ . I₀₁ - (v_0E - V₅₁₁₂)A₁ . e xp und damit

e χ ρ ^ R₂ ¹AtJ = (A₂A₁ . I₀₁R₁) / (v_QE - v_BE2)

Daraus erhält man schließlich für den Strom I I = KT/qR₂ . In /T^A2^/A1 V ¹OI¹¹I ^)/(VCE" ¹B^[J ⁽⁵⁾

Diese Gleiohung zeigt die Abhängigkeit dee Ausgangsstromes I von der Spannung V_n-, am Transistor 11 und kann deshalb im Sohaubild der Ausgangsdaten dieses Transistors aufgetragen werden.

Da die Schwellwertschaltung den Ausgangistrom I auf einen konstanten Wert begrenzt, wenn der Strom Ι_β1 den Wert

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des Sollstromes I^ vom Konstantstromglied 32 erreicht, kann man durch Einsetzen von Ip₁ = I„, in G-leiohüng (5) auch schreiben ._
. in (A

was eine analytische Darstellung der Schutzkurve des Transistors 11 ist.

Wie man aus Gleichung (6) ersieht, scheint die in Fig. 2 mit 44 "bezeichnete theoretische Schutzkurve eine Art 'Exponentialkurve zu sein. Ersichtlich kann der Strom I nicht negativ werden;, experimentell hat man die in Fig, 3 dargestellte Exponentialkurve 45 ermittelt, deren Verlauf eine Folge der im Betrieb auftretenden Sättigung des Leistungstransistors 11 ist. Wählt man die Parameter der Schaltung nach Fig. 1 in der erforderlichen Weise, so nähert sich diese Kurve 45 in sehr zufriedenstellender Weise derjenigen Kurve an, die sieh zusammensetzt aus dem- · jenigen Kurvenast der Kurve 41, dessen Abszissenwerte kleiner sind als die des Punktes O (Fig. 2 und 3), einerseits, und der Kurve 42 andererseits.

Jede Zunahme der Spannung oder des Äusgangsstroms des Leistungstransistors 11 führt zu einer Zunahme des Basisstromes - und infolgedessen auch des Kollektorstromes des Transistors 22. Solange der Wert dieses Stromes 1^₁ niedriger bleibt als der Wert des Sollstromes 1«, bleibt der Transistor 31 gesperrt und das volle Signal am Eingang 16 wird zum Ausgang 14 übertragen.

Sobald infolge eines übermäßigen Strom- oder Spannungsanstieg am Transistor 11 der Kollektorstrom des Transistors 22 den Wert des Sollstroms I™ erreicht, wird der Transistor 31 wirksam, und dabei wird ein Teil des Signals am Eingang 16 nach Masse abgeleitet, und zwar über den Transistor 31. Der Ausgangsstrom I behält hierbei seinen zulässigen Grenzwert, wie sich das aus Gleichung (6) ergibt.

- ίο -

Ein theoretischer Nachteil bei der praktischen Ausführung der Erfindung könnte sich aus dem Umstand ergeben, dai3 die Herstellungstoleranzen der Widerstände eines IC sehr groß sind, z.B. in der Größenordnung von - 20'i. Dies läßt sich dadurch vermeiden, daß man in an sich bekannter Weise eine Schwellwertschaltung aufbaut, welche einen Konstantstrom I„ abgibt, für den gilt:

¹T ^{= V}R / ^R3

Hierbei ist V-n die Spannung an einer Zenerdiode oder an der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors, und R-ist der (nicht dargestellte) Widerstand,durch welchen der Strom I,p fließt. Setzt man diesen.Wert des Sollstromes 1™ in Gleichung (6) ein, so erhält man I = KT/qR₂ . In ZjA₂A₁ . R₁A,, . V_R) / {Y_QE - V_BE2)y (7)

Diese Gleichung hängt ab von den Verhältnissen A und R₁Ax* welche sich mit sehr kleinen Toleranzen realisieren lassen«

Ferner kann man die Schwellwertschaltung so ausbilden, daß sie den Ausgangsstrom I "blockiert", wenn die Temperatur des zu schützenden Elements einen bestimmten Wert überschreitet. Man kann dies z.B. dadurch erreichen, daß man den Sollstrom bei der Höchsttemperatur zu Null werden läßt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich also klar, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die eingangs geschilderten Probleme löst.

Dadurch, daß man den Strom direkt am Leiter 13 mißt, ohne hierzu gesonderte äußere Widerstände zu verwenden, vermeidet man Verluste im Ausgangskreis, und der IG kann voll ausgenutzt werden. Außerdem ermöglicht die Kurve 45 (Fig. 3), die man durch Steuern der leicht beeinflußbaren Größen des IC erhält, einen idealen Schutz des IC, da

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dieser niemals in einem Gebiet oberhalb der Kurven 41 und 42 arbeiten kann, aber in den Bereichen unterhalb dieser Kurven und in unmittelbarer Nähe dieser Kurven betrieben werden kann, so daß man den IO optimal ausnützt.

Patentanwälte

Dipl.-!ng. Horst Rose Dipl.-lng..Pet.er Kosel

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Claims

SOCIETA' GENERALE SEMICONDUTTORI S.p.A S.G.S. Patentgesuch vom 1. November 1972

Patentansprüche

\ 1./Schutzvorrichtung für ein Leistungselement einer integrierten Schaltung, deren Ausgangsstrom über einen in der integiierten Schaltung vorgesehenen Leiter mit vorgegebenen Eigenschaften einer an die integrierte Schaltung angeschlossenen Last zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, mittels derer der von dem Leistungselement (11) gelieferte Strom direkt an dem die vorgegebenen Eigenschaften aufweisenden Leiter gemessen wird.
2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorrichtung Spannung und Strom am bzw. im Leistungskreis zuführbar sind, und daß die Beziehung zwischen Strom und Spannung etwa exponentiell ist.
3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Transistor (22), eine Diode (21) und einen Widerstand (23) aufweist.
4. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Schwellwertkreis mit einem Konstantstromglied (32) und einem Transistor (31) aufweist,

■ wobei die Schwellwertschaltung erregt wird, ^enn ein von der Vorrichtung (21, 22, 23) kommendes Signal einen bestimmten Wert erreicht. _309848/0751
5. Schutzvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Kurve der größten in dem zu schützenden Leistungselement erzeugbaren Verlustleistung durch einen Zweig .einer Hyperbel gegeben ist, deren Asymptoten die Koordinatenachsen sind, wobei die Begrenzungskurve der Sekundärdurchbruchszone dieses Leistungselerae'nts niedriger verläuft als diese Hyperbel und ihr Abstand von dieser Hyperbel mit zunehmender am Ausgang des Leistungselements anliegender Spannung zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erregung des Schwellwertkreises bei jedem Wertepaar ,von Spannung und Strom der entsprechende Wert (45) der etwa exponentiellen Beziehung niedriger ist als die entsprechenden Werte für dieses Wertepaar auf der Kurve (4'1) der größten Verlustleistung und der Kurve (42")-./für den Sekundärdurchbruch.
6. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß bei,Variation der Parameter der etwa exponentiellen Sohutzkurve (45) diese beliebig den Kurven (41» 42) für die maximale Verlustleistung und den Sekundärdurchbruoh annäherbar ist.
7. Schutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Koeffizienten der etwa exponentiellen Beziehung aus den Verhältnissen homogener Größen der integrierten Schaltung herleitbar sind, welche Verhältnisse mit großer Genauigkeit erhalten werden können.
8. Schutzvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Koeffizienten der etwa exponentiellen Beziehung temperaturabhängig ist.
9. Schutzvorrichtung nach Anspruoh 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des temperaturabhängigen Koeffizienten eine Veränderung der etwa exponentiellen Schutzkurve (45) bewirkt, welche Veränderung mindestens

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nahezu die bei einer Temperaturänderung auftretenden Änderungen der Kurven für die größte zulässige Verlustleistung (41) und den Sekundärdurchbruch (42) kompensiert.

Patentanwälte Dipl.-lng. Horst Röee Dipl.-lng. Peter Koset

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