JP4591392B2 - Switching power supply - Google Patents
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本発明は、例えばハーフブリッジ形やフルブリッジ形など2石以上のスイッチング素子をスイッチング動作させることにより電力変換を行なうスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply apparatus that performs power conversion by switching operation of two or more switching elements such as a half bridge type and a full bridge type.
図3に、従来のスイッチング電源装置の代表例としてハーフブリッジ構成インバータ回路の回路図を示す。直流電源1の正極には例えばMOSFETなどからなる主スイッチング素子2,3の直列回路の一端が接続されている。直流電源1の負極は接地されている。主スイッチング素子2,3には、ソースからドレインへ向けて導通するボディダイオードがそれぞれ構成されている。この主スイッチング素子2,3の直列回路の両端には、コンデンサ4,5の直列回路が並列接続されており、直流電源1の正極に接続された主スイッチング素子2のドレインにコンデンサ4の一端が接続され、主スイッチング素子3のソースにコンデンサ5の一端が接続される。主スイッチング素子2のソースと主スイッチング素子3のドレインとの接続点と、コンデンサ4の他端とコンデンサ5の他端との接続点との間には、トランス6の一次巻線6aが接続されている。このとき、一次巻線6aのドット側端子が主スイッチング素子2,3の接続点、一次巻線6aの非ドット側端子がコンデンサ4,5の接続点となるよう接続される。
FIG. 3 shows a circuit diagram of an inverter circuit having a half bridge configuration as a typical example of a conventional switching power supply device. One end of a series circuit of
トランス6の二次巻線6bのドット側端子にはダイオード7のアノードが接続され、二次巻線6bの非ドット側端子にはダイオード8のアノードが接続され、これらダイオード7,8のカソード同士がチョークコイル9の一端に接続されている。チョークコイル9の他端と、二次巻線6bのセンタータップ端子とがそれぞれ一対の出力端子11,12に接続され、この出力端子11,12の間に平滑コンデンサ10が接続されている。スイッチング電源装置の運転時には出力端子11,12から図示しない負荷へ出力電力が供給されることとなる。
The anode of the
主スイッチング素子2,3はそれぞれ異なるドライブ回路により交互にスイッチング駆動される。すなわち、主スイッチング素子2はハイサイドドライブ回路20aにより駆動され、主スイッチング素子3はローサイドドライブ回路20bにより駆動される。これらのドライブ回路は同一構成になっているため、以下にハイサイドドライブ回路20aの構成についてのみ説明する。もう一方のローサイドドライブ回路20bの構成については、ハイサイドドライブ回路20aの各回路素子に付された番号の添え字aをbに読み変えればよい。
The
ハイサイドドライブ回路20aの入力側から説明すると、直流電源15の両端間には、ドライブトランス22aの一次巻線23aと例えばMOSFETからなるスイッチング素子24aとの直列回路が接続されている。スイッチング素子24aには、ソースからドレインへ向けて導通するボディダイオードが構成されている。直流電源15の正極は、一次巻線23aのドット側端子に接続されると同時に、一次巻線25aの非ドット側端子とも接続されており、この一次巻線25aのドット側端子とスイッチング素子24aのソースとの間に、ダイオード26aが、カソードが一次巻線25a側、アノードがスイッチング素子24a側となる向きで並列接続される。なお、直流電源15の負極はスイッチング素子24aのソース等と共に接地される。スイッチング素子24aのゲートには、パルス駆動信号を出力してスイッチング素子24aをスイッチング駆動するPWM制御IC16の出力端子が接続されている。PWM制御IC16では、図示しないフィードバック回路からの出力フィードバック信号に基づいて、出力電圧が安定するように当該パルス駆動信号に対して周知のパルス幅制御が行なわれる。なお、PWM制御IC16は、直流電源15から動作電源を得ている。
Explaining from the input side of the high-
ドライブトランス22aの二次巻線27aの両端間には、抵抗28aとダイオード29aとの直列回路が接続されている。ダイオード29aは、抵抗28a側がカソード、二次巻線27aの非ドット側端子がアノードとなる向きに接続されている。また、二次巻線27aの両端間には、この他にも、抵抗30aが接続されている。二次巻線27aのドット側端子にはダイオード31aのアノードが接続されており、ダイオード31aのカソードと例えばpnpトランジスタなどからなるトランジスタ32aのコレクタとの間には、抵抗36a,37aの直列回路が接続され、抵抗36a,37aの接続点が主スイッチング素子2のゲートに接続されている。また、主スイッチング素子2のゲートは、抵抗35aを介してトランジスタ32aのエミッタに接続されている。ダイオード31aのアノードとトランジスタ32aのベースとの間には、抵抗33aとスピードアップコンデンサ34aとの並列回路が接続されている。
A series circuit of a
そして、上記構成と同様の構成からなるローサイドドライブ回路20bが主スイッチング素子3のゲートに接続されている。
A low-
次に、上記構成からなる従来のスイッチング電源装置の動作について説明する。図1のハーフブリッジ構成インバータ回路では、特許文献1と同様に、主スイッチング素子の誤点弧を防止するために、一方の主スイッチング素子のゲートにオンパルスが入力されている間、トランジスタをターンオンさせ、他方のオフしている主スイッチング素子のゲート電圧を放電させている。 Next, the operation of the conventional switching power supply device having the above configuration will be described. In the half-bridge configuration inverter circuit of FIG. 1, as in Patent Document 1, in order to prevent erroneous firing of the main switching element, the transistor is turned on while an on-pulse is input to the gate of one of the main switching elements. The gate voltage of the other main switching element that is turned off is discharged.
PWM制御IC16は、スイッチング素子24a,24bの各ゲートへパルス駆動信号を出力して、スイッチング素子24a,24bが所定のデッドタイム(同時にオンしない時間)を設けて交互にオンするようにスイッチング動作(オン・オフ動作)させる。スイッチング素子24a,24bに同期して主スイッチング素子2,3が交互にスイッチング動作し、トランス6の一次巻線6aに交流電流を発生させ、二次巻線6bに誘起電圧を誘起し、ダイオード7,8及びチョークコイル9,平滑コンデンサ10により整流平滑して出力端子11,12から出力電力が負荷へ供給される。
The
ハイサイドドライブ回路20aのスイッチング素子24aがターンオンすると、直流電源15からドライブトランス22aの一次巻線23aへ電流が流れ、二次巻線27aへ誘起電圧が誘起される。当該誘起電圧は二次巻線27aの非ドット側からドット側へかけて正の電圧が発生するため、トランジスタ32aのベース電圧が正になってターンオフし、二次巻線27aのドット側からダイオード31aを通じて抵抗36a,37aに電流が流れると共に、主スイッチング素子2のゲートにゲート電流が流れ込むことによりゲート電荷容量が充電され、抵抗37aの両端間電圧に相当する主スイッチング素子2のゲート電圧が正になり、主スイッチング素子2がターンオンする。
When the
スイッチング素子24aがターンオフすると、ドライブトランス22aの励磁エネルギーが放出され、一次巻線25aの両端間に生じる電圧によりダイオード26aを通じて直流電源15へ回生電流が流れると共に、二次巻線27aの両端間に非ドット側からドット側へかけて負極性となる逆電圧が発生する。当該逆電圧により、ダイオード29aがターンオンして通電する一方で、トランジスタ32aにベース電流が流れトランジスタ32aがターンオンする。当該ターンオンにより、主スイッチング素子2のゲート電荷容量が抵抗35aを通じて急速に放電されて主スイッチング素子2がターンオフする。
When the
一方、ローサイドドライブ回路20bのスイッチング素子24bがターンオンすると、ハイサイドドライブ回路20aと同様にして、二次巻線27bへ誘起電圧が誘起され、トランジスタ32bのベース電圧が正になってターンオフし、主スイッチング素子3がターンオンする。
On the other hand, when the
スイッチング素子24bがターンオフすると、ドライブトランス22bの励磁エネルギーが放出され、一次巻線25bの両端間に生じる電圧によりダイオード26bを通じて直流電源15へ回生電流が流れると共に、二次巻線27bの両端間に非ドット側からドット側へかけて負極性となる逆電圧が発生する。当該逆電圧により、ダイオード29bがターンオンして通電する一方で、トランジスタ32bにベース電流が流れトランジスタ32bがターンオンする。当該ターンオンにより、主スイッチング素子3のゲート電荷容量が抵抗35bを通じて急速に放電されて主スイッチング素子3がターンオフする。
しかし、上述のハーフブリッジ構成インバータ回路は一のトランジスタがオフ期間に相手のトランジスタがスイッチング状態となる。特にオン幅が短い場合、ドライブトランスの逆電圧が小さくなってしまい、放電用のトランジスタがオフ状態のままとなる虞がある。従って、主スイッチング素子2,3において、外乱ノイズによるゲート電圧異常動作が懸念される。すなわち、主スイッチング素子2,3の高速スイッチング動作に伴い、半導体そのものが持つ容量成分に起因して、オフ状態にあるトランジスタにおいてゲート電流が流れてターンオンし、誤動作につながる。
However, in the above-described half-bridge configuration inverter circuit, one transistor is in a switching state while one transistor is off. In particular, when the ON width is short, the reverse voltage of the drive transformer becomes small, and there is a possibility that the discharging transistor remains in the OFF state. Therefore, in the
昨今、高周波化によりスイッチングスピードが上がるに伴い、半導体のスイッチングスピード性能が飛躍的に向上し、主スイッチング素子のドレイン−ソース電圧移動が早く、これがノイズ誤動作の要因になっている。 In recent years, as the switching speed increases due to higher frequency, the switching speed performance of the semiconductor has been dramatically improved, and the drain-source voltage movement of the main switching element is fast, which causes noise malfunction.
そこで本発明は上記問題点に鑑み、主スイッチング素子の高速電圧変化による駆動端子電圧の異常上昇がなく、全負荷領域において安定なスイッチング動作が得られるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a switching power supply device that does not cause an abnormal increase in drive terminal voltage due to a high-speed voltage change of a main switching element and can obtain a stable switching operation in the entire load region.
本発明における請求項1では、複数の主スイッチング素子の駆動端子にドライブ回路をそれぞれ接続し、前記各主スイッチング素子を交互にスイッチング動作させることにより電源からインダクタンス素子へ電力を断続的に供給し、当該インダクタンス素子から電力を取り出して出力するスイッチング電源装置であって、前記ドライブ回路は、一次巻線と二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線に断続的に電流を流すことにより前記二次巻線の誘起電圧を前記主スイッチング素子の駆動端子に印加してスイッチング動作させるスイッチング手段と、前記主スイッチング素子のオフ期間に前記二次巻線に発生する逆電圧により導通して前記主スイッチング素子の駆動端子電圧を放電させる主スイッチ放電素子とを備えるものであり、一方の前記トランスを構成する前記二次巻線の誘起電圧を利用して他方の前記トランスに励磁エネルギーを供給して前記逆電圧を増加させ、それにより前記主スイッチ放電素子をターンオンさせる逆電圧重畳手段を備えている。 In claim 1 of the present invention, a drive circuit is connected to each of the drive terminals of the plurality of main switching elements, and power is intermittently supplied from the power source to the inductance element by alternately switching the main switching elements. A switching power supply device that extracts and outputs electric power from the inductance element, wherein the drive circuit includes a transformer having a primary winding and a secondary winding, and an electric current that is intermittently passed through the primary winding. Switching means for applying an induced voltage of the secondary winding to the drive terminal of the main switching element to perform a switching operation, and conducting by the reverse voltage generated in the secondary winding during an off period of the main switching element to make the main switching A main switch discharge element for discharging the drive terminal voltage of the element, Using the induced voltage of the secondary winding which constitutes the serial transformer by supplying exciting energy to the other of the transformer increases the reverse voltage, thereby reverse voltage superposing unit Ru turns on the main switching discharge element It has.
このようにすると、高周波化によりスイッチング手段のオン幅が短くて他方のトランスに十分な励磁エネルギーが蓄積されなくても、一方のトランスの二次巻線の誘起電圧を利用して、他方のトランスに励磁エネルギーを供給することができる。これにより、他方のトランスの二次巻線に生じる逆電圧を増加させて主スイッチ放電素子を確実に導通させることができ、主スイッチング素子の駆動端子電圧をオフ期間に確実に放電させ、誤動作を防止することができる。 In this way, even if the ON width of the switching means is shortened due to high frequency and sufficient excitation energy is not accumulated in the other transformer, the induced voltage of the secondary winding of one transformer is utilized to utilize the other transformer. Can be supplied with excitation energy. As a result, the reverse voltage generated in the secondary winding of the other transformer can be increased, and the main switch discharge element can be reliably conducted, and the drive terminal voltage of the main switching element can be reliably discharged during the OFF period, resulting in malfunction. Can be prevented.
本発明の請求項1によると、主スイッチング素子の高速電圧変化による駆動端子電圧の異常上昇がなく、全負荷領域において安定なスイッチング動作が得られるスイッチング電源装置を提供することができる。 According to claim 1 of the present invention, it is possible to provide a switching power supply device that does not cause an abnormal increase in the drive terminal voltage due to a high-speed voltage change of the main switching element and can obtain a stable switching operation in the entire load region.
以下、添付図面を参照しながら、本発明におけるスイッチング電源装置の好ましい実施例を説明する。なお、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of a switching power supply device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same location as a prior art example, and since description of a common part overlaps, it abbreviate | omits as much as possible.
図1は、本発明におけるスイッチング電源装置の一態様として、図3に示したハーフブリッジ構成インバータ回路に逆電圧重畳手段としてのマイナスバイアス回路50a,50bを設けた回路図である。すなわち、本発明におけるスイッチング電源装置においても、主スイッチング素子2の駆動端子としてのゲートにハイサイドドライブ回路20aを接続し、主スイッチング素子3のゲートにローサイドドライブ回路20bを接続し、主スイッチング素子2,3を交互にスイッチング動作させることにより直流電源1からインダクタンス素子に相当するトランス6の一次巻線6aへ電流を断続的に供給し、二次巻線6bから電力を取り出して出力端子12,13から負荷へ出力している。
FIG. 1 is a circuit diagram in which minus
マイナスバイアス回路50aは、ハイサイドドライブ回路20aのドライブトランス22aに第4の巻線となる二次巻線40aを設けて構成される。二次巻線40aのドット側端子はローサイドドライブ回路20bを構成するドライブトランス22bの二次巻線27bの非ドット側端子(GND側)へ接続され、その非ドット側端子には直列にダイオード41aのカソードが接続され、そのアノードから抵抗42aとコンデンサ43aとの並列回路の一端へ接続され、当該並列回路の他端がローサイドドライブ回路20bを構成するドライブトランス22bの二次巻線27bのドット側端子へ接続されている。同様にして、マイナスバイアス回路50bは、ローサイドドライブ回路20bのドライブトランス22bに第4の巻線となる二次巻線40bを設けて構成される。二次巻線40bのドット側端子はハイサイドドライブ回路20aを構成するドライブトランス22aの二次巻線27aの非ドット側端子(GND側)へ接続され、その非ドット側端子には直列にダイオード41bのカソードが接続され、そのアノードから抵抗42bとコンデンサ43bとの並列回路の一端へ接続され、当該並列回路の他端がハイサイドドライブ回路20aを構成するドライブトランス22aの二次巻線27aのドット側端子へ接続されている。
The
次に、図2をも参照しながら上記回路構成の作用について説明する。ここでは、マイナスバイアス回路50aの作用についてのみ説明するが、マイナスバイアス回路50bのローサイドドライブ回路20bに対する作用効果は、以下で説明するハイサイドドライブ回路20aに対するマイナスバイアス回路50aのものと同様である。
Next, the operation of the above circuit configuration will be described with reference to FIG. Here, only the operation of the
スイッチング電源装置としての基本的動作は上記従来のものと変更はない。従って、PWM制御IC16によりスイッチング素子24a,24bひいては主スイッチング素子2,3が交互にスイッチング動作し、トランス6の一次巻線6aに交流電流を発生させ、二次巻線6bに誘起電圧を誘起し、ダイオード7,8及びチョークコイル9,平滑コンデンサ10により整流平滑して出力端子11,12から出力電力が負荷へ供給される。但し、図2は高周波化されたスイッチング電源装置の波形図であるため、同図において、主スイッチ放電素子としてのスイッチング素子24a及び主スイッチング素子2のオン期間Ton(オン幅)は非常に短い時間になっている。
The basic operation as a switching power supply device is not changed from the conventional one. Accordingly, the
ハイサイドドライブ回路20aのスイッチング素子24aがターンオンすると、直流電源15からドライブトランス22aの一次巻線23aへ電流が流れ、二次巻線27aへ誘起電圧V1が誘起される。当該誘起電圧V1は二次巻線27aの非ドット側端子からドット側端子へかけて正の電圧が発生するため、トランジスタ32aのベース電圧が正になってターンオフし、二次巻線27aのドット側端子からダイオード31aを通じて抵抗36a,37aに電流が流れると共に、主スイッチング素子2のゲートにゲート電流Igが流れ込むことによりゲート電荷容量が充電され、主スイッチング素子2のゲート電圧Vgが正になり、主スイッチング素子2がターンオンする。このオン期間Tonでは、主スイッチング素子2のドレイン電圧Vdが略0Vとなる。
When the switching
スイッチング素子24aがターンオフするオフ期間Toffでは、ドライブトランス22aの励磁エネルギーが放出され、一次巻線25aの両端間に生じる電圧によりダイオード26aを通じて直流電源15へ回生電流が流れると共に、二次巻線27aの両端間に非ドット側端子からドット側端子へかけて負極性となる逆電圧V1(V1<0)が発生する。しかし、スイッチング素子24aのオン幅が非常に短いため、ドライブトランス22aに蓄積された励磁エネルギーが少なく、逆電圧V1は小さくなる。従って、トランジスタ32aにベース電流を十分に流すことができず、トランジスタ32aは速やかにターンオンせずに徐々にその導通量が増加する。そのため、主スイッチング素子2のゲート電荷容量も抵抗35aを通じて徐々に放電されて主スイッチング素子2は速やかにターンオフせずに徐々にその導通量が減少する。従って、主スイッチング素子2のドレイン電圧Vdは緩やかに増加していく。
In the off period Toff in which the
一方、ローサイドドライブ回路20bのスイッチング素子24bがターンオンすると、ハイサイドドライブ回路20aと同様にして、二次巻線27bへ誘起電圧が誘起され、トランジスタ32bのベース電圧が正になってターンオフし、主スイッチング素子3がターンオンする。同時に、二次巻線27bの誘起電圧により、抵抗42aとコンデンサ43aとの並列回路、ダイオード41aを通じてハイサイドドライブ回路20a側の二次巻線40aに非ドット側端子からドット側端子へ電流が流れ、ドライブトランス22aに励磁エネルギーが供給される。この励磁エネルギーにより、ドライブトランス22aの別の二次巻線27aに逆電圧V1が重畳されて発生することとなる。当該重畳された逆電圧V1により、トランジスタ32aに流れるベース電流が急増してトランジスタ32aが完全にターンオンする。当該ターンオンにより、主スイッチング素子2のゲート電荷容量が抵抗35aを通じて急速に放電されて主スイッチング素子2が速やかにターンオフする。
On the other hand, when the switching
以上のように本実施例では、複数の主スイッチング素子2,3の駆動端子としてのゲートにハイサイドドライブ回路20a,ローサイドドライブ回路20bをそれぞれ接続し、前記各主スイッチング素子2,3を交互にスイッチング動作させることにより直流電源1からインダクタンス素子に相当するトランス6へ電力を断続的に供給し、トランス6から電力を取り出して出力するスイッチング電源装置であって、ハイサイドドライブ回路20a,ローサイドドライブ回路20bは、一次巻線23a,23bと二次巻線27a,27bを有するドライブトランス22a,22bと、一次巻線23a,23bに断続的に電流を流すことにより二次巻線27a,27bの誘起電圧を主スイッチング素子2,3のゲートに印加してスイッチング動作させるスイッチング手段としてのPWM制御IC16及びスイッチング素子24a,24bと、主スイッチング素子2,3のオフ期間に二次巻線27a,27bに発生する逆電圧により導通して主スイッチング素子2,3の駆動端子電圧としてのゲート電圧を放電させる主スイッチ放電素子としてのトランジスタ32a,32bとを備えるものであり、一方のドライブトランス22b(22a)を構成する二次巻線27b(27a)の誘起電圧を利用して他方のドライブトランス22a(22b)に励磁エネルギーを供給して前記逆電圧を増加させ、それによりトランジスタ32a,32bをターンオンさせる逆電圧重畳手段としてのマイナスバイアス回路50a,50bを備えている。
As described above, in this embodiment, the high-
このようにすると、高周波化によりスイッチング素子24a,24bのオン幅が短くて他方のドライブトランス22a(22b)に十分な励磁エネルギーが蓄積されなくても、一方のドライブトランス22b(22a)の二次巻線27b(27a)の誘起電圧を利用して、他方のドライブトランス22a(22b)に励磁エネルギーを供給することができる。これにより、他方のドライブトランス22a(22b)の二次巻線27a(27b)に生じる逆電圧を増加させてトランジスタ32a(32b)を確実に導通させることができ、主スイッチング素子2,3のゲート電圧をオフ期間Toffに確実に放電させ、誤動作を防止することができる。以上により、主スイッチング素子2,3の高速電圧変化による駆動端子電圧の異常上昇がなく、全負荷領域において安定なスイッチング動作が得られるスイッチング電源装置を提供することができる。
In this way, even if the on-width of the
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。インバータ回路は、ハーフブリッジ構成に限らず、例えばフルブリッジ構成など2石以上の主スイッチング素子を使用するものであればどのようなものでもよい。 In addition, this invention is not limited to the said Example, It can change in the range which does not deviate from the meaning of this invention. The inverter circuit is not limited to a half-bridge configuration, and may be any type as long as it uses two or more main switching elements such as a full-bridge configuration.
1 直流電源
2,3 主スイッチング素子
6 トランス(インダクタンス素子)
16 PWM制御IC(スイッチング手段)
20a ハイサイドドライブ回路
20b ローサイドドライブ回路
22a,22b ドライブトランス
23a,23b 一次巻線
24a,24b スイッチング素子(スイッチング手段)
27a,27b 二次巻線
32a,32b トランジスタ(主スイッチ放電素子)
50a,50b マイナスバイアス回路(逆電圧重畳手段)
1
16 PWM control IC (switching means)
20a High side drive circuit
20b Low side drive circuit
22a, 22b Drive transformer
23a, 23b Primary winding
24a, 24b Switching element (switching means)
27a, 27b Secondary winding
32a, 32b Transistor (Main switch discharge element)
50a, 50b Negative bias circuit (reverse voltage superimposing means)
Claims (1)
前記ドライブ回路は、一次巻線と二次巻線を有するトランスと、
前記一次巻線に断続的に電流を流すことにより前記二次巻線の誘起電圧を前記主スイッチング素子の駆動端子に印加してスイッチング動作させるスイッチング手段と、
前記主スイッチング素子のオフ期間に前記二次巻線に発生する逆電圧により導通して前記主スイッチング素子の駆動端子電圧を放電させる主スイッチ放電素子とを備えるものであり、
一方の前記トランスを構成する前記二次巻線の誘起電圧を利用して他方の前記トランスに励磁エネルギーを供給して前記逆電圧を増加させ、それにより前記主スイッチ放電素子をターンオンさせる逆電圧重畳手段を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。 A drive circuit is connected to each of the drive terminals of the plurality of main switching elements, and power is intermittently supplied from the power source to the inductance element by alternately switching the main switching elements, and the power is extracted from the inductance element. A switching power supply device for output,
The drive circuit includes a transformer having a primary winding and a secondary winding;
Switching means for applying an induced voltage of the secondary winding to the drive terminal of the main switching element by causing a current to intermittently flow through the primary winding, and switching operation;
A main switch discharge element that conducts by a reverse voltage generated in the secondary winding during an off period of the main switching element and discharges a drive terminal voltage of the main switching element;
Using the induced voltage of the secondary winding which constitutes one of the transformer by supplying exciting energy to the other of the transformer increases the reverse voltage, thereby reverse voltage Ru turns on the main switching discharge element A switching power supply device comprising superimposing means.
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