JP4377893B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関し、特に待機時の消費電力を抑える技術に関する。

近年、アメリカ環境保護庁が定めたＯＡ機器の省エネルギーのための規格に基づくエナジースタープログラムなどにより、機器の待機時の消費電力の低減に関する要求が強まっている。このような要求に応えるべく、例えばスキャナなどの機器は、稼働時は大きな消費電力を示すが、待機時は消費電力を抑えるために様々な工夫がなされている。

図６は、このような機器に使用されている従来のスイッチング電源装置の構成を示す図である。このスイッチング電源装置は、メインコンバータ１と補助電源２とから構成されており、補助電源２には出力オン／オフ制御回路３が接続されている。

メインコンバータ１は、メインコンバータスイッチング回路１１、トランス１２、メインコンバータ整流・平滑回路１３、メインコンバータ１次側制御回路１４、フォトカプラ１５およびメインコンバータ２次側制御回路１６から構成されている。

メインコンバータスイッチング回路１１は、入力された直流電圧をスイッチング素子（図示しない）によりスイッチングし、交番電圧としてトランス１２に送る。トランス１２は、メインコンバータスイッチング回路１１から送られてくる交番電圧を変圧し、メインコンバータ整流・平滑回路１３に送る。メインコンバータ整流・平滑回路１３は、トランス１２から出力される変圧された交番電圧を整流および平滑し、出力電圧として外部の負荷回路（図示しない）に供給するとともに、メインコンバータ２次側制御回路１６に供給する。

メインコンバータ２次側制御回路１６は、補助電源２の２次制御電源整流・平滑回路２８（詳細は後述する）から供給される電力を電源として動作し、補助電源２から送られてくる制御信号に応じて動作を開始または停止する。このメインコンバータ２次側制御回路１６は、メインコンバータ整流・平滑回路１３の出力電圧を検出し、検出した出力電圧と所定の基準電圧との誤差電圧を、フォトカプラ１５を介してメインコンバータ１次側制御回路１４に送る。

メインコンバータ１次側制御回路１４は、補助電源２の１次制御電源整流・平滑回路２７（詳細は後述する）から供給される電力を電源として動作し、補助電源２から送られてくる制御信号に応じて動作を開始または停止する。メインコンバータ１次側制御回路１４は、メインコンバータ２次側制御回路１６からフォトカプラ１５を介して送られてくる誤差電圧に応じたパルス幅（オン期間の幅）を有するＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）制御信号を生成し、メインコンバータスイッチング回路１１に送る。メインコンバータスイッチング回路１１のスイッチング素子は、ＰＷＭ制御信号のパルス幅に応じた間隔でスイッチングする。これにより、メインコンバータ整流・平滑回路１３からの出力電圧が一定に保たれる。

補助電源２は、補助電源スイッチング回路２１、トランス２２、補助電源出力整流・平滑回路２３、補助電源１次側制御回路２４、フォトカプラ２５、補助電源２次側制御回路２６、１次制御電源整流・平滑回路２７および２次制御電源整流・平滑回路２８から構成されている。

補助電源スイッチング回路２１は、入力された直流電圧をスイッチング素子（図示しない）によりスイッチングし、交番電圧としてトランス２２に送る。トランス２２は、補助電源スイッチング回路２１から送られてくる交番電圧を変圧し、補助電源出力整流・平滑回路２３に送る。補助電出力源整流・平滑回路２３は、トランス２２から出力される変圧された交番電圧を整流および平滑し、外部の出力オン／オフ制御回路３に供給するとともに、補助電源２次側制御回路２６に供給する。

補助電源２次側制御回路２６は、補助電源出力整流・平滑回路２３の出力電圧を検出し、この検出した出力電圧と所定の基準電圧との誤差電圧を、フォトカプラ２５を介して補助電源１次側制御回路２４に送る。また、補助電源２次側制御回路２６は、メインコンバータ１の起動／停止を制御する制御信号を生成し、メインコンバータ１のメインコンバータ１次側制御回路１４およびメインコンバータ２次側制御回路１６に送る。この制御信号により、メインコンバータ１から電源を出力するかどうかが制御される。

補助電源１次側制御回路２４は、補助電源２次側制御回路２６からフォトカプラ２５を介して送られてくる誤差電圧に応じたパルス幅を有するＰＷＭ制御信号を生成し、補助電源スイッチング回路２１に送る。補助電源スイッチング回路２１のスイッチング素子は、ＰＷＭ制御信号のパルス幅に応じた間隔でスイッチングする。これにより、補助電源出力整流・平滑回路２３、１次制御電源整流・平滑回路２７および２次制御電源整流・平滑回路２８の各出力電圧が一定に保たれる。

１次制御電源整流・平滑回路２７は、トランス２２から出力される変圧された交番電圧を整流および平滑し、メインコンバータ１のメインコンバータ１次側制御回路１４に電源として供給する。２次制御電源整流・平滑回路２８は、トランス２２から出力される変圧された交番電圧を整流および平滑し、メインコンバータ１のメインコンバータ２次側制御回路１６に電源として供給する。

出力オン／オフ制御回路３は、外部の図示しないスイッチから送られてくるオン／オフ制御信号に応じて、補助電源出力整流・平滑回路２３の出力を、上述した負荷回路に含まれる一部の回路（待機時にも動作する回路）に供給するかどうかを制御する。すなわち、待機時は、出力オン／オフ制御回路３は、外部からのオフ状態を指示するオン／オフ制御信号に応じて、補助電源出力整流・平滑回路２３から負荷回路の一部への電力供給を停止し、これにより、待機時の消費電力を低減するように構成されている。

なお、関連する技術として、特許文献１は、低消費電力時に力率改善制御回路の動作を停止させ、更に省電力を図ることができるスイッチング電源装置を開示している。このスイッチング電源装置は、通常負荷運転時は力率改善制御回路に動作電源が供給され、これにより、昇圧チョッパ回路が力率改善制御回路により制御され、装置の力率が改善される。また、低消費電力運転時にＰＷＭ制御回路が間欠発振モードになると、ＰＷＭ制御回路の動作が停止しているオフ期間の補助巻線に誘起される電圧が低下し、これにより、補助電源の電圧は低下する。更に、力率改善制御回路に供給される動作電源の電圧は、ツェナーダイオードにより低下し、力率改善制御回路の起動電圧以下になると、力率改善制御回路が機能しなくなり、その分、電力損失は減少する。
特開２００４−２１５４３３号公報

上述した従来のスイッチング電源装置では、待機時には、消費電力を低減するために、補助電源２から負荷回路の一部への電力供給を停止しているが、補助電源２自体は通常通りに動作しており、メインコンバータ１内のメインコンバータ１次側制御回路１４およびメインコンバータ２次側制御回路１６には通常通りに電力が供給されている。このため、出力オン／オフ制御回路３に接続された負荷回路の一部による消費電力は低減できるものの、補助電源２自体における消費電力およびメインコンバータ１内のメインコンバータ１次側制御回路１４およびメインコンバータ２次側制御回路１６における消費電力の低減はできない。

従来のスイッチング電源装置においては、全負荷状態であるオン状態の他に、待機状態として、プラグインオフ状態とスリープ状態といった２つの状態がある。オン状態は、メインコンバータ１および補助電源２（より詳しくは、補助電源２から出力オン／オフ制御回路３を介して）から電圧が出力されている状態をいう。

スリープ状態は、補助電源２から出力オン／オフ制御回路３を介して電圧が出力されているが、メインコンバータ１からは電圧が出力されていない状態をいう。プラグインオフ状態は、メインコンバータ１および補助電源２の両方から電圧が出力されていない状態をいう。

上述した従来のスイッチング電源装置では、プラグインオフ状態において、補助電源２の出力を出力オン／オフ制御回路３により遮断し、その先に接続される負荷回路の一部における電力消費を抑えているが、スイッチング電源装置内部の消費電力の低減は不十分であり、さらなる消費電力の低減が望まれている。

本発明の課題は、簡単な構成で消費電力を低減できるスイッチング電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、第１制御回路の制御にしたがって負荷回路に電力を供給するメインコンバータと、メインコンバータの第１制御回路および負荷回路の一部に電力を供給する補助電源とを備えたスイッチング電源装置において、外部から入力されるオン／オフ制御信号に応じて補助電源の出力電圧を低下させる第２制御回路と、第２制御回路による制御によって補助電源の出力電圧が低下したことを検出してメインコンバータの第１制御回路および負荷回路の一部への電力供給を停止する出力オン／オフ制御回路とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、出力オン／オフ制御回路は、補助電源の出力電圧が変動しても一定電圧をメインコンバータの第１制御回路および負荷回路の一部へ供給するドロッパ機能を有することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、補助電源の出力電圧を低下させることにより、補助電源での損失を低下させることができるとともに、不必要な回路に給電しないことにより、さらに、消費電力を低減することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、出力オン／オフ制御回路にドロッパ機能を持たせて一定電圧をメインコンバータの第１制御回路および負荷回路の一部へ供給するように構成したので、出力電圧の安定化を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態に係るスイッチング電源装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るスイッチング電源装置の構成を示す図である。このスイッチング電源装置は、図６に示した従来のスイッチング電源装置の出力オン／オフ制御回路３が第１出力オン／オフ制御回路３ａに置き換えられ、また、第２出力オン／オフ制御回路３ｂおよび第３出力オン／オフ制御回路３ｃが追加され、さらに、補助電源２の内部の補助電源２次側制御回路２６が、その機能が変更された補助電源２次側制御回路２９に置き換えられて構成されている。

第１出力オン／オフ制御回路３ａ、第２出力オン／オフ制御回路３ｂおよび第３出力オン／オフ制御回路３ｃは、本発明の出力オン／オフ制御回路に対応する。また、メインコンバータ１次側制御回路１４およびメインコンバータ２次側制御回路１６は、本発明の第１制御回路に対応する。さらに、補助電源２次側制御回路２９は、本発明の第２制御回路に対応する。

補助電源２次側制御回路２９は、補助電源出力整流・平滑回路２３の出力電圧を検出し、検出した出力電圧と、外部から入力されるオン／オフ制御信号に応じた基準電圧との誤差電圧を、フォトカプラ２５を介して補助電源１次側制御回路２４に送る。具体的には、補助電源２次側制御回路２９は、オン／オフ制御信号によってオン状態が指示されているときは、補助電源出力整流・平滑回路２３の出力電圧と所定の基準電圧との誤差電圧を、フォトカプラ２５を介して補助電源１次側制御回路２４に送る。

補助電源１次側制御回路２４は、受け取った誤差電圧に応じたパルス幅を有するＰＷＭ制御信号を生成して補助電源スイッチング回路２１に送り、補助電源スイッチング回路２１に含まれるスイッチング素子は、ＰＷＭ制御信号に応じた間隔でスイッチングする。これにより、補助電源出力整流・平滑回路２３、１次制御電源整流・平滑回路２７および２次制御電源整流・平滑回路２８の各出力電圧が一定に保たれる。

一方、補助電源２次側制御回路２９は、オン／オフ制御信号によってオフ状態が指示されているときは、補助電源出力整流・平滑回路２３の出力電圧と所定の基準電圧より低い基準電圧との誤差電圧を、フォトカプラ２５を介して補助電源１次側制御回路２４に送る。補助電源１次側制御回路２４は、受け取った誤差電圧に応じたパルス幅を有するＰＷＭ制御信号を生成して補助電源スイッチング回路２１に送り、補助電源スイッチング回路２１に含まれるスイッチング素子は、ＰＷＭ制御信号に応じた間隔でスイッチングする。この場合、ＰＷＭ制御信号のパルス幅は、オン／オフ制御信号によってオン状態が指示されているときよりも短くなるように制御される。これにより、補助電源出力整流・平滑回路２３、１次制御電源整流・平滑回路２７および２次制御電源整流・平滑回路２８の各出力電圧は、オン／オフ制御信号によってオン状態が指示されているときよりも低い電圧で一定に保たれる。したがって、補助電源２における消費電力を低減することができる。

図２は、補助電源２次側制御回路２９の具体的な回路構成を示す図である。この補助電源２次側制御回路２９は、補助電源出力整流・平滑回路２３の出力電圧を分割するために直列に接続された抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の接続点にリファレンス端子が接続され、アノードが接地されたシャントレギュレータＳＨと、シャントレギュレータＳＨのカソードと、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の接続点との間に設けられた抵抗Ｒ３と、シャントレギュレータＳＨのカソードに一端が接続された抵抗Ｒ４と、抵抗Ｒ４の他端と電源（図示しない）との間に接続され、フォトカプラ２５の発光ダイオードが並列に接続された抵抗Ｒ５と、シャントレギュレータＳＨのアノードとカソードとの間にコレクタとエミッタが接続されたトランジスタＱから構成されている。このトランジスタＱのベースには、外部からのオン／オフ制御信号が入力されている。

オン／オフ制御信号によってオン状態が指示されているときは、トランジスタＱはオフし、出力電圧を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分割した電圧とシャントレギュレータＳＨの基準電圧との誤差電圧に応じた電流がシャントレギュレータＳＨおよび抵抗Ｒ４を介して抵抗Ｒ５に流れ、フォトカプラ２５の発光ダイオードが発光して補助電源１次側制御回路２４にフィードバックする。これにより、補助電源１次側制御回路２４で生成されるＰＷＭ制御信号のパルス幅が所定幅になるように制御され、補助電源出力整流・平滑回路２３、１次制御電源整流・平滑回路２７および２次制御電源整流・平滑回路２８の各出力電圧が、一定に保たれる。

一方、オン／オフ制御信号によってオフ状態が指示されているときは、トランジスタＱはオンし、シャントレギュレータＳＨのカソード（Ａ点）の電位が強制的に低下される。これにより、補助電源１次側制御回路２４で生成されるＰＷＭ制御信号のパルス幅が最小になるように制御され、補助電源出力整流・平滑回路２３、１次制御電源整流・平滑回路２７および２次制御電源整流・平滑回路２８の各出力電圧が低下され、低い電圧で一定に保たれる。

図３は、補助電源２次側制御回路２９の他の具体的な回路構成を示す図である。補助電源２次側制御回路２９は、補助電源出力整流・平滑回路２３の出力電圧を分割するために直列に接続された抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の接続点にリファレンス端子が接続され、アノードが接地されたシャントレギュレータＳＨと、シャントレギュレータＳＨのカソードに一端が接続された抵抗Ｒ４と、抵抗Ｒ４の他端と電源（図示しない）との間に接続され、フォトカプラ２５の発光ダイオードが並列に接続された抵抗Ｒ５と、抵抗Ｒ２の一端にエミッタが接続され、他端に抵抗Ｒｃを介してコレクタが接続されたトランジスタＱから構成されている。このトランジスタＱのベースには、外部からのオン／オフ制御信号が入力されている。

オン／オフ制御信号によってオン状態が指示されているときは、トランジスタＱはオフし、出力電圧を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とで分割した電圧とシャントレギュレータＳＨの基準電圧との誤差電圧に応じた電流がシャントレギュレータＳＨおよび抵抗Ｒ４を介して抵抗Ｒ５に流れ、フォトカプラ２５の発光ダイオードが発光して補助電源１次側制御回路２４にフィードバックする。これにより、補助電源１次側制御回路２４で生成されるＰＷＭ制御信号のパルス幅が所定幅になるように制御され、補助電源出力整流・平滑回路２３、１次制御電源整流・平滑回路２７および２次制御電源整流・平滑回路２８の各出力電圧が、一定に保たれる。

一方、オン／オフ制御信号によってオフ状態が指示されているときは、トランジスタＱはオンし、抵抗Ｒ２および抵抗Ｒｃの並列回路と抵抗Ｒ１とにより出力電圧が分割され、シャントレギュレータＳＨのリファレンス端子（Ｂ点）に印加される電圧が上昇してシャントレギュレータＳＨに流れる電流が増加する。これにより、補助電源１次側制御回路２４で生成されるＰＷＭ制御信号のパルス幅が狭くなるように制御され、補助電源出力整流・平滑回路２３、１次制御電源整流・平滑回路２７および２次制御電源整流・平滑回路２８の各出力電圧が低下され、低い電圧で一定に保たれる。この図３に示す補助電源２次側制御回路２９は、ＰＷＭ制御信号のパルス幅を最小にすることができない場合に使用することができる。

図１を参照して、第１出力オン／オフ制御回路３ａは、補助電源出力整流・平滑回路２３の出力電圧を検出し、検出した出力電圧が所定の閾値以上である場合に、補助電源として図示しない負荷回路の一部に電力を供給する。第２出力オン／オフ制御回路３ｂは、１次制御電源整流・平滑回路２７の出力電圧を検出し、検出した出力電圧が所定の閾値以上であることを検出した場合に、メインコンバータ１次側制御回路１４に電力を供給する。第３出力オン／オフ制御回路３ｃは、２次制御電源整流・平滑回路２８の出力電圧を検出し、検出した出力電圧が所定の閾値以上であることを検出した場合に、メインコンバータ２次側制御回路１６に電力を供給する。

図４（ａ）は、第１出力オン／オフ制御回路３ａの具体的な回路構成を示す図である。なお、第２出力オン／オフ制御回路３ｂおよび第３出力オン／オフ制御回路３ｃの回路構成は、第１出力オン／オフ制御回路３ａの回路構成と同じであるので、以下では、第１出力オン／オフ制御回路３ａについてのみ説明する。

第１出力オン／オフ制御回路３ａは、入力端子間に接続されたコンデンサＣ１と、コンデンサＣ１に並列に接続された、ツェナーダイオードＺＤ、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２から成る直列回路と、コンデンサＣ１に並列に接続された、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３との並列回路と、抵抗Ｒ４およびトランジスタＱ２から成る直列回路と、入力端子と出力端子との間にソースおよびドレインが接続されたＭＯＳＦＥＴＱ１と、出力端子間に接続されたコンデンサＣ２とから構成されている。トランジスタＱ２のベースは、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲートは、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の接続点に接続されている。

このように構成された第１出力オン／オフ制御回路３ａにおいては、待機時（プラグインオフ状態）で入力電圧が低いときは、ＭＯＳＦＥＴＱ１はオフしているので、出力側に電圧は発生しない。したがって、出力側に接続されている負荷回路の一部では損失が発生しない。図４（ｂ）に示すように、待機時からスリープ状態になり、補助電源２が通常動作に復帰して入力電圧が上昇すると、待機時電圧＜Ｖｚｄ＜定格電圧に設定されたスレッショルドを超えると、ＭＯＳＦＥＴＱ１がオンし、負荷回路の一部に給電される。

以上説明したように、第１出力オン／オフ制御回路３ａは、補助電源２の出力電圧を検出し、検出した出力電圧が、ある閾値以上である場合に電力を負荷回路に供給するように構成したので、オフ時に必要最小限の回路にのみ給電される。したがって、補助電源２の電圧を低下させることによる消費電力の低減に加え、さらなる省電力化を実現できる。

また、第１出力オン／オフ制御回路３ａ、第２出力オン／オフ制御回路３ｂおよび第３出力オン／オフ制御回路３ｃの各々は、入力される電圧を検出して、負荷回路の一部、メインコンバータ１次側制御回路１４およびメインコンバータ２次側制御回路１６に電源を供給するかどうかを決定するので、各回路に出力の可否を制御するための制御信号を与える必要がない。したがって、スイッチング電源装置の構成を簡単化できる。

本発明の実施例２に係るスイッチング電源装置は、第１出力オン／オフ制御回路３ａ、第２出力オン／オフ制御回路３ｂおよび第３出力オン／オフ制御回路３ｃの詳細な回路構成が実施例１に係るそれらと異なる。以下で、異なる部分を中心に説明する。

図５（ａ）は、第１出力オン／オフ制御回路３ａの具体的な回路構成を示す図である。なお、第２出力オン／オフ制御回路３ｂおよび第３出力オン／オフ制御回路３ｃの回路構成は、第１出力オン／オフ制御回路３ａの回路構成と同じであるので、以下では、第１出力オン／オフ制御回路３ａについてのみ説明する。

第１出力オン／オフ制御回路３ａは、入力端子間に接続された、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２およびツェナーダイオードＺＤ１から成る直列回路と、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２から成る直列回路に並列に接続された、トランジスタＱ２、抵抗Ｒ３、逆流防止用のダイオードＤおよびツェナーダイオードＺＤ２から成る直列回路と、入力端子と出力端子との間にコレクタとエミッタが接続されたトランジスタＱ１と、ダイオードＤ、ツェナーダイオードＺＤ２およびツェナーダイオードＺＤ１から成る直列回路に接続されたコンデンサＣ１と、出力端子間に接続されたコンデンサＣ２とから構成されている。トランジスタＱ２のベースは、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に接続されている。また、トランジスタＱ１のベースは、抵抗Ｒ３とダイオードＤの接続点に接続されている。

このように構成された第１出力オン／オフ制御回路３ａは、出力安定化のためのドロッパ回路を兼ねており、外部から制御されずに出力をオン／オフするために用いられる。待機時は、図４に示す第１出力オン／オフ制御回路３ａと同様に、トランジスタＱ１はオフしており、図５（ｂ）に示すように、待機時電圧＜Ｖｚｄ１＜定格電圧に設定されたスレッショルドにより待機時からスリープ状態に移行することによりトランジスタＱ１がオンし、負荷回路に電力が供給される。さらに、入力電圧が変動しても「Ｖｚｄ１＋Ｖｚｄ２」で設定された電圧により出力電圧は安定化される。

本発明は、例えばＯＡ機器といった消費電力が要求される種々の機器の電源装置として利用することが可能である。

本発明の実施例１に係るスイッチング電源装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るスイッチング電源装置を構成する補助電源２次側制御回路の具体的な回路構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るスイッチング電源装置を構成する補助電源２次側制御回路の他の具体的な回路構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るスイッチング電源装置を構成する出力オン／オフ制御回路の具体例を示す図である。 本発明の実施例２に係るスイッチング電源装置を構成する出力オン／オフ制御回路の具体例を示す図である。 従来のスイッチング電源装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ メインコンバータ
２ 補助電源
３ａ〜３ｃ 第１〜第３出力オン／オフ制御回路
１１ メインコンバータスイッチング回路
１２、１５ トランス
１３ メインコンバータ整流・平滑回路
１４ メインコンバータ１次側制御回路
１６ メインコンバータ２次側制御回路
２１ 補助電源スイッチング回路
２２、２５ トランス
２３ 補助電源出力整流・平滑回路
２４ 補助電源１次側制御回路
２６、２９ 補助電源２次側制御回路
２７ １次制御電源整流・平滑回路
２８ ２次制御電源整流・平滑回路

Claims (2)

1. 第１制御回路の制御にしたがって負荷回路に電力を供給するメインコンバータと、
   前記メインコンバータの第１制御回路および前記負荷回路の一部に電力を供給する補助電源とを備えたスイッチング電源装置において、
   外部から入力されるオン／オフ制御信号に応じて前記補助電源の出力電圧を低下させる第２制御回路と、
   前記第２制御回路による制御によって前記補助電源の出力電圧が低下したことを検出して前記メインコンバータの第１制御回路および前記負荷回路の一部への電力供給を停止する出力オン／オフ制御回路と、
   を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記出力オン／オフ制御回路は、前記補助電源の出力電圧が変動しても一定電圧を前記メインコンバータの第１制御回路および前記負荷回路の一部へ供給するドロッパ機能を有することを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。

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