JP3087618B2 - スイッチング電源 - Google Patents

スイッチング電源

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JP3087618B2
JP3087618B2 JP07192074A JP19207495A JP3087618B2 JP 3087618 B2 JP3087618 B2 JP 3087618B2 JP 07192074 A JP07192074 A JP 07192074A JP 19207495 A JP19207495 A JP 19207495A JP 3087618 B2 JP3087618 B2 JP 3087618B2
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    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
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    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/46Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/618Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series and in parallel with the load as final control devices

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リンギングチョー
クコンバータ(RCC)方式によるスイッチング電源に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来使用されている通常のRCC方式に
よるスイッチング電源回路を図8に示す。同図におい
て、Tはトランスで、一次主巻線NI、二次出力巻線N
2および帰還巻線N3を有している。整流ダイオードD
1と平滑コンデンサC1により一次直流電源が構成され
る。この一次直流電源のマイスス(−)端子と帰還巻線
N3の巻き終り端とは接続されて、入力側の共通グラン
ドGNDとなっている。
【0003】一次直流電源のプラス(+)端子は一次主
巻線N1の巻き始め端から巻き終り端およびスイッチン
グ素子Q1のドレインからソースを介してグランドGN
Dに接続されている。また、一次直流電源のプラス
(+)端子とマイナス(−)端子との間には、起動抵抗
R1およびバイアス抵抗R2の直列回路が接続されてい
る。そして、起動抵抗R1とバイアス抵抗R2の接続点
は、スイッチング素子Q1のゲートに接続されている。
また、スイッチング素子Q1のゲートはコンデンサC3
と抵抗R3を介して帰還巻線N3の巻き始め端に接続さ
れている。また、スイッチング素子Q1のゲートは、制
御素子としてのNPN型制御トランジスタTR1のコレ
クタからエミッタを介してグランドGNDに接続されて
いる。制御トランジスタTR1のベースとグランドGN
D間には、時定数コンデンサC4と放電抵抗R4が並列
接続されている。
【0004】帰還巻線N3の巻き始め端とグランドGN
Dとの間には、ダイオードD3とコンデンサC5の直列
回路よりなる発振安定化回路1が接続されている。この
場合、ダイオードD3のカソードが帰還巻線N3の巻き
始め端に接続されている。また、帰還巻線N3の巻き始
め端とトランジスタTR1のベースとの間には、ダイオ
ードD4、抵抗R5およびフォトトランジスタPT1の
直列回路よりなる出力安定化回路2が接続されている。
この場合、ダイオードD4のアノードが帰還巻線N3の
巻き始め端に接続され、フォトトランジスタPT1のエ
ミッタがトランジスタTR1のベースに接続されてい
る。ダイオードD4のカソードとトランジスタTR1の
ベースとの間には、過電流保護回路3が接続されてい
る。この過電流保護回路3は、抵抗R6およびツェナー
ダイオードDz1の直列回路と抵抗R7との並列回路よ
りなる。この場合、ツェナーダイオードDz1のアノー
ドがトランジスタTR1のベースに接続されている。ま
た、ダイオードD3とコンデンサC5の接続点は、抵抗
R8を介してトランジスタTR1のベースに接続されて
いる。
【0005】つぎに、整流ダイオードD2と平滑コンデ
ンサC2により二次直流電源が構成される。二次直流電
源のプラス(+)端子とマイナス(−)端子との間に
は、抵抗R9、フォトダイオードPD1およびシャント
レギュレータSrよりなる直列回路と、抵抗R10およ
び抵抗R11よりなる直列回路と、の並列回路からなる
出力電圧検出回路4が接続されている。なお、この出力
電圧検出回路4において、抵抗R10と抵抗R11の接
続点には、シャントレギュレータSrの基準端子が接続
されている。
【0006】従来のスイッチング電源回路は上述のよう
な回路構成よりなるが、つぎに動作について説明する。
一次直流電源を起動すると、一次主巻線N1および起動
抵抗R1を介してスイッチング素子Q1が導通する。そ
して、磁気誘導により帰還巻線N3にその巻き始め端を
正とする電圧が誘起して、その誘起電圧がダイオードD
4および抵抗7などを通してコンデンサC4を充電し始
める。このコンデンサC4の充電電圧がしきい値電圧に
なると、制御トランジスタTr1が導通してスイッチン
グ素子Q1をオフさせる。スイッチング素子Q1がオフ
すると、一次主巻線N1に逆起電力が発生して、この逆
起電力により二次出力巻線N2に起電力が誘起し、この
誘起起電力はダイオードD2およびコンデンサC2によ
り整流平滑されて二次直流電源となり、出力電圧Voを
負荷に供給することになる。 ついで、コンデンサC4
の充電電荷が抵抗R4などの放電回路を通して放電し、
その充電電圧がしきい値電圧以下になると、トランジス
タTR1がオフする。そして、二次主巻線N2および帰
還巻線N3の逆起電力がなくなると、帰還巻線N3に巻
き始め端を正とするキック電圧が生じ、このキック電圧
によりスイッチング素子Q1が再度オンして当初の状態
に戻り、前記と同様の動作をして発振動作を行うことに
なる。この発振動作が定常の発振動作となる。
【0007】つぎに、出力回路側からのフィードバック
制御について説明する。いま、出力電圧Voが、上昇し
た場合を考える。すると、シャントレギュレータSrの
基準端子の電位(抵抗R9と抵抗R10の接続点の電
位)も上昇し、その基準電圧と比較してその誤差増幅に
より、その内部抵抗が低下してフォトダイオードPD1
を流れる電流が大きくなり、このフォトダイオードPD
1とフォトカップルしているフォトトランジスタPT1
を流れる電流も大きくなる。そして、このフォトトラン
ジスタPT1を流れる電流は、コンデンサC4を所定の
充電時定数により充電していき、制御トランジスタTR
1を早急にオンさせる。すると、スイッチング素子Q1
は定常より早くオフして、二次直流電源P2の出力電圧
Voは低くなる方向に制御されて所定電圧に維持され
る。また、出力電圧Voが、下降した場合は以上の動作
と逆の動作となり、出力電圧Voは上昇して所定電圧に
維持される。なお、軽負荷時は上記出力電圧Voが上昇
した場合に相当し、重負荷時は上記出力電圧Voが下降
した場合に相当する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
RCC方式スイッチング電源は、図7に示すように、入
力電力(負荷)が小さくなると、発振周波数が大きくな
り、効率が悪くなっていた。
【0009】そこで、本発明は、軽負荷時には、スイッ
チング素子のスイッチング周波数を下げて効率を向上さ
せ、重負荷時には、スイッチング素子のスイッチング周
波数を上げて出力電圧のリップルノイズを減少させ、か
つ、過渡応答を改善することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、一次主巻線(N1)、二次出力巻線(N
2)および帰還巻線(N31、N32)を有するトラン
ス(T)と、一次直流電源に前記一次主巻線(N1)と
直列接続され、制御端子が前記帰還巻線(N3)の一端
に接続されたスイッチング素子(Q1)と、前記スイッ
チング素子(Q1)の制御端子に接続された第1の制御
素子(TR1)と、前記第1の制御素子(TR1)の制
御端子と前記帰還巻線(N31)との間に接続された出
力安定化回路(2)および過電流保護回路(3)と、前
記二次出力巻線の出力を整流平滑して得られた二次直流
電源と、前記二次直流電源に接続された出力電圧検出回
路(4)と、を備えているRCC方式のスイッチング電
源において、前記スイッチング素子(Q1)のスイッチ
ング周波数を、所定周波数以上にならないように制御す
る第2の制御素子(TR2)を有する発振周波数抑制回
路(10)と、軽負荷信号により前記発振周波数抑制回
路(10)の動作を開始させ、または、重負荷信号によ
り前記発振周波数抑制回路(10)の動作を停止させる
動作切替回路20と、を備えていることを特徴とする。
【0011】また、本発明は、前記動作切替回路(2
0)において、前記軽負荷信号または重負荷信号がフォ
トダイオード(PD2)に印加され、このフォトダイオ
ード(PD2)とフォトカップルしているフォトトラン
ジスタ(PT2)のインピーダンスの変化により、第2
の制御素子(TR2)を有する前記発振周波数抑制回路
(10)の動作が開始もしくは停止されることを特徴と
する。
【0012】また、本発明は、前記動作切替回路(2
0)において、前記軽負荷信号または重負荷信号がフォ
トダイオード(PD2)に印加され、このフォトダイオ
ード(PD2)とフォトカップルしているフォトトラン
ジスタ(PT2)のインピーダンスの変化により、前記
発振周波数抑制回路(10)における第2の制御素子
(TR2)のバイアスコンデンサ(C6)の充電回路
(TR3、TR4)を短絡もしくは開放することによ
り、第2の制御素子(TR2)を有する前記発振周波数
抑制回路(10)の動作が開始もしくは停止されること
を特徴とする。
【0013】本発明は、通常のRCC回路に、スイッチ
ング素子のスイッチング(発振)周波数を低下させる発
振周波数抑制回路を設け、かつ、この発振周波数抑制回
路の動作を開始または停止させる動作切替回路を設けて
いるので、待機などの軽負荷移行時には動作切替回路に
軽負荷信号電圧を印加して、発振周波数抑制回路から低
周波発振動作の制御を行わせ、重負荷移行時には動作切
替回路に重負荷信号電圧を印加して発振周波数抑制回路
から通常のRCC動作の制御を行わせる。
【0014】また、本発明においては、動作切替回路の
フォトダイオードに印加した軽負荷信号または重負荷信
号により、このフォトダイオードとフォトカップルして
いるフォトトランジスタのインピーダンスの変化によ
り、第2の制御素子を有する発振周波数抑制回路の動作
を開始もしくは停止されることにより、スイッチング素
子の発振周波数を制御して、低周波発振動作あるいは通
常のRCC発振動作をさせる。
【0015】また、本発明は、前記フォトトランジスタ
のインピーダンスの変化により、前記発振周波数抑制回
路の第2の制御素子のバイアス充電回路を短絡もしくは
開放することにより、第2の制御素子を有する前記発振
周波数抑制回路の動作を開始もしくは停止させることに
より、スイッチング素子の発振周波数を制御して、低周
波発振動作あるいは通常のRCC発振動作をさせる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例について
図1を参照して説明するが、本実施例は図8に示す従来
のスイッチング電源回路に改良を加えるものなので、図
8と同一部分には同一番号を付して説明を省略する。な
お、従来例におけるトランスTの帰還巻線N3が本実施
例においては、中点タップ付き帰還巻線となっており、
従来例における帰還巻線N3をN31とし、本実施例に
おいて追加される帰還巻線をN32とする。そして、こ
の中点タップが入力回路側の共通グランドとなり、か
つ、帰還巻線N32の巻き始め端ともなっている。ま
た、図8における制御トランジスタTR1が、本実施例
においては第1の制御素子を構成する第1の制御トラン
ジスタTR1となっている。
【0017】本実施例回路は、図8に示す通常(従来)
のRCC回路に発振周波数抑制回路10と、この発振周
波数抑制回路10の動作を開始または停止させる動作切
替回路20とを設けたことを特徴とする。
【0018】まず、発振周波数抑制回路10の回路構成
について説明する。第2の制御素子としてのNPN型第
2の制御トランジスタTR2は、そのエミッタがグラン
ドGNDに接続され、コレクタがダイオードD5のカソ
ードからアノードを介してスイッチング素子Q1のゲー
トに接続されている。
【0019】トランジスタTR3のコレクタとグランド
GNDとの間には、ツェナーダイオードDz2、抵抗R
13および抵抗R12の直列回路と、コンデンサC6
と、抵抗R14との並列回路が接続されている。この並
列回路は時定数回路を構成する。なお、抵抗R12と抵
抗R13との接続点は、トランジスタTR2のベースに
接続されている。トランジスタTR3のベースは、ツェ
ナーダイオードDz3のカソードからアノード、抵抗R
15およびトランジスタTR4のコレクタからエミッタ
を介してグランドGNDに接続されている。また、トラ
ンジスタTR3のエミッタとベースとの間には、バイア
ス抵抗R16が接続されている。さらに、トランジスタ
TR3のエミッタは、ダイオードD6のカソードからア
ノードを介して帰還巻線N32の巻き終り端に接続され
ている。
【0020】また、トランジスタTR4のベースとグラ
ンドGNDとの間には、バイアス抵抗R17が接続され
ている。さらに、トランジスタTR4のベースは、ツェ
ナーダイオードDz4のアノードからカソードおよび抵
抗R18を介してダイオードD4のカソードに接続され
ている。このトランジスタTR3およびTR4の回路
は、第2の制御トランジスタTR2のバイアスコンデン
サC6の充電回路を構成している。
【0021】つぎに、発振周波数抑制回路10の動作を
開始または停止する動作切替回路20の回路構成につい
て説明する。帰還巻線N32の巻き終り端は、ダイオー
ドD7のアノードからカソード、フォトトランジスタP
T2のコレクタからエミッタ、バイアス抵抗R19およ
びR20を介してグランドGNDに接続されている。ま
た、ダイオードD7のカソードは、コンデンサC7を介
してグランドGNDに接続されている。また、トランジ
スタTR5のベースは、抵抗R19とR20の接続点に
接続されている。そして、トランジスタTR5のコレク
タは、発振周波数抑制回路10の第2の制御トランジス
タTR2のベースに接続されている。フォトトランジス
タPT2は、フォトダイオードPD2とフォトカップル
している。
【0022】本実施例回路は以上のような構成よりなる
が、つぎに本実施回路の動作について説明する。一次主
巻線N1、二次出力巻線N2および帰還巻線N31、ス
イッチング素子Q1、第1の制御トランジスタTR1、
出力電圧検出回路4などよりなる通常のRCC回路は、
それらの相互機能により通常のRCC発振動作を営む。
この通常のRCC発振動作は、図7に実線で示すよう
に、入力電力(出力電力、負荷)が大きいときは、スイ
ッチング素子Q1のスイッチング周波数は小さいが、入
力電力(出力電力、負荷)が小さくなると、発振周波数
は大きくなる。
【0023】つぎに、この通常のRCC回路に発振周波
数抑制回路10が付加された場合の特性について説明す
る。
【0024】いま、入力電力(出力電力、負荷)が小さ
くなって、スイッチング素子Q1がオンしている場合を
考える。帰還巻線N31の巻き始め端には正の電圧が発
生する。この正の電圧により、ダイオードD4、抵抗R
18、ツェナーダイオードDz4および抵抗17に電流
が流れ、トランジスタTR4をオン状態にする。しか
し、帰還巻線N32の巻き終り端は負なので、トランジ
スタTR3およびトランジスタTR4には電流は流れな
い。
【0025】つぎに、スイッチング素子Q1が、上記説
明のように、第1の制御トランジスタTR1のオンによ
り、ターンオフしたとする。すると、帰還巻線N31の
巻き始め端は負になり、トランジスタTR4のベースに
は逆バイアスがかかり、トランジスタTR4はオフに向
かう。しかし、トランジスタTR4が完全にオフするま
でにはタイムラグがあり、帰還巻線N32の巻き終り端
が正となっているので、トランジスタTR3およびトラ
ンジスタTR4に一瞬電流が流れ、コンデンサC6が充
電される。この充電電圧は第2の制御トランジスタTR
2をオンさせて、スイッチング素子Q1のオフを維持す
ることになる。スイッチング素子Q1のオフを維持する
ということは、その発振周期を長くして、発振周波数が
低くなることを意味する。即ち、スイッチング素子Q1
は第1の制御トランジスタTR1によりオフされて、第
2の制御トランジスタTR2によりオフ時間が継続さ
れ、発振周波数が低く抑えられる。この発振周波数抑制
回路10は、これが動作すると、上記のように、発振周
波数が低く抑えられて、待機時などの入力電力が小さい
とき、即ち軽負荷時に効率が改善することになる。
【0026】つぎに、発振周波数抑制回路10の動作を
停止する場合について説明する。動作切替回路20のフ
ォトダイオードPD2に重負荷信号電圧を印加して、こ
れとフォトカップルしているフォトトランジスタPT2
回路に電流を流す。すると、トランジスタTR5がオン
して、第2の制御トランジスタTR2がオフとなる。こ
の第2の制御トランジスタTR2は、オフすると、その
発振周波数を低く抑える動作ができなくなって、図7に
破線で示すように、入力電力のある点で、発振周波数抑
制回路10の動作が停止して実線で示す通常のRCC動
作に戻ることになる。 本実施例回路における動作切替
回路20は、重負荷信号電圧を印加して発振周波数抑制
回路10の動作を停止させて、待機などの軽負荷から重
負荷に移行させる働きをする。
【0027】本実施例回路においては、軽負荷から重負
荷へ移行させるために、重負荷信号電圧を印加してトラ
ンジスタTR5をオンさせたが、本回路において重負荷
から軽負荷へ移行させるためには、重負荷信号電圧を解
除してトランジスタTR5をオフさせればよい。
【0028】つぎに、第2実施例回路について図2を参
照して説明する。この第2実施例回路は、第1実施例回
路に対し、動作切替回路20の回路構成を少々変更し
て、重負荷から軽負荷に移行する場合に、発振周波数抑
制回路10を動作(動作停止を解除)させて、軽負荷モ
ードに移行してスイッチング素子Q1のスイッチング周
波数を低下させるものである。
【0029】同図において、トランジスタTR5のベー
スはフォトトランジスタPT2のコレクタに接続され、
フォトトランジスタPT2のエミッタはグランドGND
に接続されている。トランジスタTR5のベースとフォ
トトランジスタPT2のコレクタとの接続点は、抵抗R
21およびダイオードD7のカソードからアノードを介
して帰還巻線N32の巻き終り端に接続されている。ま
た、ダイオードD7のカソードおよび抵抗R21の接続
点とグランドGNDとの間には、コンデンサC7が接続
されている。
【0030】つぎに、本実施例回路の動作について説明
する。本実施例回路が入力電力の大きい重負荷で動作し
ているときに、待機などの軽負荷モードへの移行のため
軽負荷信号電圧をフォトダイオードPD2に印加する。
すると、フォトトランジスタPT2がオンして、トラン
ジスタTR5がオフし、発振周波数抑制回路10の第2
の制御トランジスタTR2は動作を開始して、上記のよ
うに、スイッチング素子Q1のスイッチング周波数は低
く抑えられて効率が向上することになる。本実施例回路
においては、重負荷から軽負荷へ移行させるために、軽
負荷信号電圧を印加してトランジスタTR5をオフさせ
たが、本実施例回路において軽負荷から元の重負荷へ戻
るには、軽負荷信号電圧を解除してトランジスタTR5
をオンさせればよい。
【0031】つぎに、動作切替回路20のトランジスタ
TR5のコレクタの接続の変形例について説明する。図
3はトランジスタTR5のコレクタをトランジスタTR
3のコレクタに接続したものである。実施例1に相当す
る場合は、重負荷信号電圧によりトランジスタTR5が
オンして、バイアスコンデンサC6を充電するトランジ
スタTR3およびTR4の充電回路が短絡され、発振周
波数抑制回路10のトランジスタTR2がオフして、通
常のRCC動作を行うことになる。また、実施例2に相
当する場合は、軽負荷信号電圧によりトランジスタTR
5がオフして、トランジスタTR3およびTR4の充電
回路は正常に動作してバイアスコンデンサC6を充電し
て、発振周波数抑制回路10のトランジスタTR2がオ
ンとなり、スイッチング素子Q1のスイッチング周波数
は低く抑えられる。
【0032】図4はトランジスタTR5のコレクタをト
ランジスタTR3のエミッタに接続したものである。こ
の場合も、作用は図3の場合と同様である。
【0033】図5はトランジスタTR5のコレクタをト
ランジスタTR4のベースに接続したものである。この
場合も、作用は図3の場合と同様である。
【0034】図6はトランジスタTR5のコレクタを抵
抗R18とツェナーダイオードDz4の接続点に接続し
たものである。この場合も、作用は図3の場合と同様で
ある。
【0035】
【発明の効果】本発明は、軽負荷モードへの移行時に
は、軽負荷信号電圧印加もしくは重負荷信号電圧解除に
より、発振周波数抑制回路を動作させるので、スイッチ
ング素子のスイッチング周波数が下がり、効率が向上す
る。また、重負荷モードへの移行時には、重負荷信号電
圧印加もしくは軽負荷信号電圧解除により、発振周波数
抑制回路の動作を停止して通常のRCC動作に戻らせ
て、スイッチング素子のスイッチング周波数を上げるの
で、出力電圧のリップルノイズが減少し、かつ、過渡応
答が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のスイッチング電源の第1実施例回路
【図2】 本発明のスイッチング電源の第2実施例回路
【図3】 本実施回路における動作切替回路のトランジ
スタの接続の第1変形例を示す図
【図4】 本実施回路における動作切替回路のトランジ
スタの接続の第2変形例を示す図
【図5】 本実施回路における動作切替回路のトランジ
スタの接続の第3変形例を示す図
【図6】 本実施回路における動作切替回路のトランジ
スタの接続の第4変形例を示す図
【図7】 入力電力に対する発振周波数特性図
【図8】 従来のRCC方式のスイッチング電源の回路
【符号の説明】
1 発振安定化回路 2 出力安定化回路 3 過電流保護回路 4 出力電圧検出回路 5 過電流保護回路 10 発振周波数抑制回路 20 動作切替回路 Q1 スイッチング素子 TR1 第1の制御トランジスタ TR2 第2の制御トランジスタ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一次主巻線(N1)、二次出力巻線(N
    2)および帰還巻線(N31、N32)を有するトラン
    ス(T)と、一次直流電源に前記一次主巻線(N1)と
    直列接続され、制御端子が前記帰還巻線(N3)の一端
    に接続されたスイッチング素子(Q1)と、前記スイッ
    チング素子(Q1)の制御端子に接続された第1の制御
    素子(TR1)と、前記第1の制御素子(TR1)の制
    御端子と前記帰還巻線(N31)との間に接続された出
    力安定化回路(2)および過電流保護回路(3)と、前
    記二次出力巻線の出力を整流平滑して得られた二次直流
    電源と、前記二次直流電源に接続された出力電圧検出回
    路(4)と、を備えているRCC方式のスイッチング電
    源において、 前記スイッチング素子(Q1)のスイッチング周波数
    を、所定周波数以上にならないように制御する第2の制
    御素子(TR2)を有する発振周波数抑制回路(10)
    と、 軽負荷信号により前記発振周波数抑制回路(10)の動
    作を開始させ、または、重負荷信号により前記発振周波
    数抑制回路(10)の動作を停止させる動作切替回路
    (20)と、を備えているスイッチング電源。
  2. 【請求項2】 前記動作切替回路(20)において、前
    記軽負荷信号または重負荷信号がフォトダイオード(P
    D2)に印加され、このフォトダイオード(PD2)と
    フォトカップルしているフォトトランジスタ(PT2)
    のインピーダンスの変化により、第2の制御素子(TR
    2)を有する前記発振周波数抑制回路(10)の動作が
    開始もしくは停止されることを特徴とする請求項1記載
    のスイッチング電源。
  3. 【請求項3】 前記動作切替回路(20)において、前
    記軽負荷信号または重負荷信号がフォトダイオード(P
    D2)に印加され、このフォトダイオード(PD2)と
    フォトカップルしているフォトトランジスタ(PT2)
    のインピーダンスの変化により、前記発振周波数抑制回
    路(10)における第2の制御素子(TR2)のバイア
    スコンデンサ(C6)の充電回路(TR3、TR4)を
    短絡もしくは開放することにより、第2の制御素子(T
    R2)を有する前記発振周波数抑制回路(10)の動作
    が開始もしくは停止されることを特徴とする請求項1記
    載のスイッチング電源。
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