JP6515678B2 - コンバータ搭載基板 - Google Patents

Description

本願の開示する技術はコンバータ搭載基板に関する。

複数のＤＣ−ＤＣコンバータをマザーボード上に実装し、直流電源から供給される電力をこれら複数のＤＣ−ＤＣコンバータに分けた上で、プロセッサに電力を供給する技術がある。

また、過電圧保護回路の電源装置が、メインＤＣ／ＤＣコンバータとサブＤＣ／ＤＣコンバータとを有する技術がある。

特開２００７−２８２３２４号公報 特開２０１２−２３５６３９号公報

プロセッサ等の電子部品（以下適宜「負荷部品」という）の近くに、この負荷部品に電流を供給する直流コンバータを配置すると、負荷部品の近くでは、他の部品の搭載スペースが狭くなる。特に、大電流を供給する大型の直流コンバータを負荷部品の近くに配置すると、他の部品の搭載スペースがより狭くなる。

これに対し、負荷部品が搭載される基材とは別の基材に直流コンバータを搭載し、金属製のピラーを通じて電流を供給することで、負荷部品の周囲に他の部品の搭載スペースを確保する構造も考えられる。

しかし、上記したピラーに、高周波の（電流変動の速い）の直流電流が多く流れると、電流変動により、ピラーから電磁波が放射ノイズとして放射されてしまう。

本願の開示技術は、１つの側面として、負荷部品の周囲に他の部品の配置スペースを確保すると共に、直流コンバータからの高周波の電流変動による放射ノイズを低減することが目的である。

本願の開示する技術では、負荷部品に電流変動の速い直流電流を供給する高周波直流コンバータと、負荷部品に高周波直流コンバータよりも相対的に電流変動の遅い直流電流を供給する低周波直流コンバータとを有する。低周波直流コンバータは高周波直流コンバータよりも負荷部品から離れて配置される。

本願の開示する技術では、負荷部品の周囲に他の部品の配置スペースを確保すると共に、直流コンバータからの高周波の電流変動による放射ノイズを低減できる。

図１は第一実施形態のコンバータ搭載基板を示す正面図である。 図２は第一実施形態のコンバータ搭載基板を示す平面図である。 図３は第一実施形態のコンバータ搭載基板を部分的に示す斜視図である。 図４は第一実施形態のコンバータ搭載基板を示す縦断面図である。 図５はプロセッサを示す底面図である。 図６は第一実施形態のコンバータ搭載基板の電源ブロック図である。 図７はプロセッサへの供給電流の時間変化を示すグラフである。 図８は高周波直流コンバータにおける周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。 図９は低周波直流コンバータにおける周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。 図１０は高周波直流コンバータと低周波直流コンバータとを合成した場合の周波数とインピーダンスの関係を示すグラフである。 図１１は高周波直流コンバータにおける出力電流の時間応答を示すグラフである。 図１２は低周波直流コンバータにおける出力電流の時間応答を示すグラフである。 図１３は第二実施形態のコンバータ搭載基板を示す正面図である。 図１４は第二実施形態のコンバータ搭載基板を示す平面図である。 図１５は第二実施形態のコンバータ搭載基板を示す斜視図である。 図１６は第二実施形態のコンバータ搭載基板を示す縦断面図である。

第一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１〜図３に示すように、第一実施形態のコンバータ搭載基板２２は、２枚の基材（部品搭載基材２４及びコンバータ搭載基材２６）を有する。

部品搭載基材２４及びコンバータ搭載基材２６はいずれも、絶縁性及び剛性を有する材料、たとえばガラスエポキシ、紙フェノール、セラミック等により板状に形成される。図１に示す例では、部品搭載基材２４とコンバータ搭載基材２６とは、一定の間隔をあけて平行に（対向して）配置される。

部品搭載基材２４において、コンバータ搭載基材２６との対向面の反対面は部品搭載面２４Ａである。部品搭載面２４Ａには、プロセッサ２８及び各種の電子部品３０（図１及び図３では図示省略、図２参照）が搭載される。プロセッサ２８は、負荷部品の一例である。電子部品３０の具体例としては、メモリチップや、そのほかの集積回路、トランス、トランジスタ、ダイオード、コンデンサ、抵抗、コネクタ等の各種電子部品を挙げることができる。なお、図３では、部品搭載基材２４を部分的に切り出して示しており、切断面にハッチングを施している。

図４及び図５に示すように、プロセッサ２８は、部品搭載基材２４との対向面２８Ａに、複数の端子３２を有する。これら複数の端子３２のうち、たとえば、枠線３４で囲った領域の端子は、電源端子３２Ｃである。すなわち、対向面２８Ａに複数の電源端子３２Ｃが分散して配置される。

図１に示すように、部品搭載基材２４の部品搭載面２４Ａには、高周波直流コンバータ３６が搭載される。図４に示すように、部品搭載基材２４の内部には、複数層の電源配線４０及びグラウンド配線４２が設けられる。そして、高周波直流コンバータ３６から電源配線４０、プロセッサ２８、グラウンド配線４２を経て高周波直流コンバータ３６に戻る電流回路が形成される。これにより、高周波直流コンバータ３６から直流電流をプロセッサ２８に供給できる。

図４から分かるように、部品搭載基材２４において、それぞれの電源配線４０は、グラウンド配線４２によって挟まれている。換言すれば、部品搭載基材２４では、それぞれの電源配線４０の上下にグラウンド配線４２が配置される構造である。グラウンド配線４２は、シールド部材の配線の一例であり、電源配線４０からの電磁波の放射を抑制する。シールド部材としては、グラウンド配線４２に限定されず、たとえば、一定電圧の配線であってもよい。さらに、配線としての構造を採らない部材、たとえば導電性の板状の部材であってもよい。

図１に示すように、コンバータ搭載基材２６において、部品搭載基材２４と対向している面の反対面はコンバータ搭載面２６Ａである。コンバータ搭載面２６Ａには、低周波直流コンバータ３８が搭載される。

本実施形態において、高周波直流コンバータ３６及び低周波直流コンバータ３８のいずれも、直流電流が入力されると、この入力電流の電圧値あるいは電流値を変換し、直流電流として出力するコンバータ、すなわち、ＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）−ＤＣコンバータである。図６に示すように、高周波直流コンバータ３６及び低周波直流コンバータ３８はたとえば、ＡＣ（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）−ＤＣコンバータ６０から、直流電流の供給を受ける構造を採り得る。このＡＣ−ＤＣコンバータ６０は、交流電源５８から入力された交流電流を直流電流に変換する。すなわち、交流電源５８から供給される交流電流が、ＡＣ−ＤＣコンバータ６０で直流電流に変換された後、高周波直流コンバータ３６及び低周波直流コンバータ３８に供給される。なお、本実施形態において、高周波直流コンバータ３６及び低周波直流コンバータ３８は、ＤＣ−ＤＣコンバータに限られず、ＡＣ−ＤＣコンバータであってもよい。

そして、図７に示すように、低周波直流コンバータ３８からの供給電流Ｃ２と、高周波直流コンバータ３６からの供給電流Ｃ１とが合成されて、プロセッサ２８に電流が供給される。

図４に示すように、コンバータ搭載基材２６の内部には、電源配線５０及びグラウンド配線５２が設けられる。さらに、部品搭載基材２４とコンバータ搭載基材２６とは、ピラー５４、５６により接続される。ピラー５４、５６はいずれも、導電性及び剛性を有する材料、たとえば銅により棒状（柱状）に形成される。そして、低周波直流コンバータ３８から電源配線５０、ピラー５４、電源配線４０、プロセッサ２８、グラウンド配線４２、ピラー５６、グラウンド配線５２を経て低周波直流コンバータ３８に戻る電流回路が形成される。これにより、低周波直流コンバータ３８から直流電流をプロセッサ２８に供給できる。

ピラー５４、５６は、部品搭載面２４Ａの反対側から部品搭載基材２４に接続される。図４に示す例では、部品搭載基材２４を平面視（図４に示す矢印Ａ方向視）したとき、電源端子３２Ｃ（図５参照）と重なる位置に、ピラー５４、５６が配置される。ただし、ピラー５４、５６は、電源端子３２Ｃと重ならない位置でもよい。

図８には、高周波直流コンバータ３６の出力インピーダンス特性が、図９には、低周波直流コンバータ３８の出力インピーダンス特性が、それぞれ示されている。実際には、高周波直流コンバータ３６と低周波直流コンバータ３８とを合せて、図１０に示す出力インピーダンス特性を示す。

図８及び図９を比較すると分かるように、同一周波数では、高周波直流コンバータ３６の出力インピーダンスが低周波直流コンバータ３８の出力インピーダンスよりも低い。換言すれば、高周波直流コンバータ３６と低周波直流コンバータ３８のいずれも、周波数が高くなると出力インピーダンスが高くなるが、低周波直流コンバータ３８の方が高周波直流コンバータ３６よりも、周波数増加に伴い出力インピーダンスがより大きく上昇する。特に、配線内の電流の時間変動により放射ノイズが出やすい周波数範囲ＦＥ（高周波の範囲）では、低周波直流コンバータ３８のインピーダンスが、高周波直流コンバータ３６のインピーダンスよりも高い。

図１１には、プロセッサ２８に流すべき電流（負荷電流、一点鎖線Ｒで示す）と、実際に高周波直流コンバータ３６から出力される電流（出力電流、実線Ｃ１で示す）の時間変化が示される。図１２にも同様に、プロセッサ２８に流すべき電流（負荷電流、一点鎖線Ｒで示す）と、実際に低周波直流コンバータ３８から出力される電流（出力電流、実線Ｃ２で示す）の時間変化が示される。

高周波直流コンバータ３６では高い周波数範囲ＦＥでの出力インピーダンスが低いので、図１１から分かるように、負荷電流の変化に対する出力電流の応答が速い。すなわち、高周波直流コンバータ３６では、高い周波数の負荷電流変動に対する追従性が高い。

これに対し、低周波直流コンバータ３８では高い周波数範囲ＦＥでの出力インピーダンスが高いので、図１２から分かるように、負荷電流の変化に対する出力電流の応答が遅い。すなわち、低周波直流コンバータ３８では、高い周波数の負荷電流変動に対する追従性が、高周波直流コンバータ３６よりも低い。

したがって、高周波直流コンバータ３６からは、プロセッサ２８の負荷電流の周波数が高い場合に、これに追従する高周波の直流電流、換言すれば、電流の時間変動の速い直流電流が供給される。また、低周波直流コンバータ３８からは、プロセッサ２８の負荷電流の周波数が高い場合であっても、低周波の直流電流、すなわち、高周波直流コンバータ３６から供給される電流よりも、電流の時間変動の遅い直流電流が供給される。

そして、プロセッサ２８には、図７に示したように、低周波直流コンバータ３８からの低周波の供給電流Ｃ２と、高周波直流コンバータ３６からの高周波の供給電流Ｃ１とが合成されて供給される。すなわち、プロセッサ２８への電流の供給を、低周波直流コンバータ３８と高周波直流コンバータ３６の２つのコンバータで担っている。

図２に示すように、本実施形態では、低周波直流コンバータ３８は高周波直流コンバータ３６よりも大型であり、大きな電流を供給できる。

本実施形態のコンバータ搭載基板２２は、パーソナルコンピュータや各種のサーバ、画像形成装置、情報記憶装置、回線切替装置等の各種の電子装置に用いられる。

次に、本実施形態の作用を説明する。

本実施形態のコンバータ搭載基板２２では、プロセッサ２８に対し、図７に示すように、高周波直流コンバータ３６からの供給電流Ｃ２と低周波直流コンバータ３８からの供給電流Ｃ１とが合成されて供給される。

図１２に示すように、低周波直流コンバータ３８は、高周波の負荷電流に対する追従性が、高周波直流コンバータ３６と比較すると低い。これに対し、図１１に示すように、高周波直流コンバータ３６は、高周波の負荷電流に対する追従性が高い。そのため、負荷電流の周波数が高い（電流の時間変動が速い）場合でも、高周波直流コンバータ３６から、高い周波数の負荷電流に追従した電流を供給できる。そして、低周波直流コンバータ３８の出力電流と、高周波直流コンバータ３６からの出力電流を合成することで、負荷電流に応じた電流値の直流電流をプロセッサ２８に供給できる。

高周波直流コンバータ３６は部品搭載基材２４に搭載されており、高周波の電流がピラー５４、５６を流れない。したがって、高周波の電流がピラー５４、５６を流れる場合の放射ノイズの発生を抑制できる。

より具体的には、ピラー５４、５６を電流が流れると、電力損失が発生する。そして、電流の大きさが変動すると、電力損失の変動がピラー５４、５６に生じる。電力は電流の二乗に比例して大きくなるため、大電流の場合は、電流変動の値が小さくても、電力損失の変動幅は大きくなる。そして、電流変動が高周波で発生することで、放射ノイズが大きくなる。本実施形態では、ピラー５４、５６に流れる電流の変動が小さく、且つ、電流の変動の周波数が下がるので、ピラー５４、５６からの放射ノイズの発生を効果的に抑制できる。

なお、このように、高周波の交流電流に起因する放射ノイズを抑制するためには、高周波で且つ大電流に対応したコンバータを、部品搭載基材２４上においてプロセッサの近くに搭載する構造も考えられる。しかし、大電流に対応したプロセッサは大型である場合が多い。そして、大型のコンバータをプロセッサの近くに搭載すると、プロセッサの近くに、他の電子部品を配置するスペースが狭くなる。

本実施形態のコンバータ搭載基板２２では、プロセッサ２８の負荷電流は、高周波直流コンバータ３６からの供給電流と低周波直流コンバータ３８からの供給電流を合成して供給される。したがって、たとえば、大電流に対応した１つのＤＣ−ＤＣコンバータをプロセッサの近くに搭載した構造と比較して、プロセッサ２８の近くに搭載する高周波直流コンバータ３６は小型である。このため、プロセッサ２８の周囲に、他の部品（図２に示した電子部品３０はその一例である）の搭載スペースを広く確保できる。

そして、プロセッサ２８の近くに配置されるコンバータは、小型の高周波直流コンバータ３６であるので、大型のコンバータをプロセッサ２８の近くに配置する構造と比較して、この高周波直流コンバータ３６の配置の自由度が高い。

本実施形態のコンバータ搭載基板２２では、高周波直流コンバータ３６が部品搭載基材２４に搭載され、低周波直流コンバータ３８はコンバータ搭載基材２６に搭載される。すなわち、高周波直流コンバータ３６が搭載される基材とは別体の基材に、低周波直流コンバータ３８が搭載される。したがって、低周波直流コンバータ３８を部品搭載基材２４に搭載した構造と比較して、部品搭載基材２４に、低周波直流コンバータ３８を搭載するためのスペースが不要である。このため、プロセッサ２８の周囲に、他の部品（図２に示した電子部品３０はその一例である）の搭載スペースを広く確保でき、部品搭載基材２４の大型化を抑制できる。

本実施形態のコンバータ搭載基板２２では、高周波直流コンバータ３６は低周波直流コンバータ３８よりも小型である。換言すれば、低周波直流コンバータ３８は、高周波直流コンバータ３６よりも、大電流を出力可能な構造を採り得る。これにより、高周波直流コンバータ３６から出力される電流値を小さくできるので、部品搭載基材２４内の配線を高周波の大電流が流れることに起因する放射ノイズを抑制できる。

部品搭載基材２４では、電源配線４０が、グラウンド配線４２によって挟まれている。このため、電源配線４０を高周波の電流が流れることに起因する放射ノイズをグラウンド配線４２により抑制できる。

低周波直流コンバータ３８とプロセッサ２８の間では、ピラー５４、５６を直流電流が流れる。ピラー５４、５６は、部品搭載基材２４とコンバータ搭載基材２６の間に配置されるので、たとえば部品搭載基材２４内の配線と比較して、形状や材質の制限が少ない。このため、低周波直流コンバータ３８からの出力電流を流すために、所望の形状や材質を選択できる。

本実施形態では、ピラー５４、５６の外面を露出させても、上記のように、ピラー５４、５６からの放射ノイズを抑制できる。放射ノイズを抑制するための構造が不要であるので、ピラー５４、５６の構造を簡素化でき、コンバータ搭載基板２２の構造も簡素化できる。

ピラー５４、５６は、部品搭載面２４Ａの反対側から部品搭載基材２４に接続される。部品搭載基材２４を平面視したとき、電源端子３２Ｃの近くに、ピラー５４、５６を位置させることで、ピラー５４、５６から電源端子３２Ｃまでの配線長を短くできる。ピラー５４、５６から電源端子３２Ｃまでの配線長を短くできるので、配線長が長い場合の電力低下を抑制できる。たとえば、部品搭載基材２４の内部で、プロセッサ２８への電流供給に用いる配線が細い（電気抵抗が大きい）場合でも、電力低下を抑制できる。

また、電源端子３２Ｃの位置に合わせて、ピラー５４の位置を設定することが可能である。したがって、電源端子３２Ｃの配置の自由度が高くなる。

次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態において、第一実施形態と同様の要素、部材等については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

図１３〜図１５に示すように、第二実施形態のコンバータ搭載基板７２では、部品搭載基材７４を有する。第二実施形態では、部品搭載基材７４に、プロセッサ２８、高周波直流コンバータ３６に加えて、低周波直流コンバータ３８が搭載される。なお、図１５においても図３と同様に、部品搭載基材７４を部分的に切り出して示しており、切断面にハッチングを施している。

図１６に示すように、第二実施形態では、部品搭載基材７４の内部で、電源配線４０及びグラウンド配線４２が、低周波直流コンバータ３８にも接続される。

そして、高周波直流コンバータ３６から出力される高周波の直流電流と、低周波直流コンバータ３８から出力される低周波の直流電流とが合成され、プロセッサ２８に供給される。

第二実施形態では、低周波直流コンバータ３８は高周波直流コンバータ３６よりも、プロセッサ２８から離れた位置に搭載される。換言すれば、高周波直流コンバータ３６はプロセッサ２８に近い位置に搭載される。

そして、高周波で且つ大電流に対応した大型のコンバータを、部品搭載基材２４上でプロセッサの近くに搭載する構造と比較して、プロセッサ２８の近くに搭載される高周波直流コンバータ３６は小型である。したがって、プロセッサ２８の周囲に他の電子部品を配置するスペースを広く確保できる。

上記各実施形態において、部品搭載基材２４には、高周波直流コンバータ３６が搭載される。部品搭載基材２４が、高周波直流コンバータ３６を搭載する基材も兼ねている。したがって、高周波直流コンバータ３６を、部品搭載基材２４とは別の基材に搭載した構造と比較して、部品点数が少ない。

第二実施形態では、部品搭載基材２４に、高周波直流コンバータ３６だけでなく、低周波直流コンバータ３８も搭載される。部品搭載基材２４が、これら２種のコンバータを搭載するので、この点においても、第二実施形態では部品点数が少ない。

高周波直流コンバータがプロセッサ（負荷部品）の近くで、且つ、低周波直流コンバータがプロセッサ（負荷部品）から遠くに配置されていれば、高周波直流コンバータ及び低周波直流コンバータの配置は上記に限定されない。たとえば、低周波直流コンバータは部品搭載基材に搭載され、高周波直流コンバータは部品搭載基材とは別体の部材に搭載されていても、高周波直流コンバータが負荷部品の近くで、且つ、低周波直流コンバータが負荷部品から遠い配置であればよい。

上記各実施形態では、負荷部品の例としてプロセッサ２８を挙げたが、負荷部品はプロセッサに限定されない。たとえば、大きな負荷電流を要し、負荷電流の時間変化が大きい（周波数が高い）半導体チップを挙げることができる。特に、高性能化されたプロセッサは、負荷電流が大きく、且つ急変することが多いため、上記各実施形態の構造を適用することで、プロセッサの周囲に他の部品の配置スペースを確保できると共に、プロセッサへの供給電流が高周波で変動しても、放射ノイズを低減できる。

以上、本願の開示する技術の実施形態について説明したが、本願の開示する技術は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

本明細書は、以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
電流供給を受ける負荷部品と
前記負荷部品に電流変動の速い直流電流を供給する高周波直流コンバータと、
前記高周波直流コンバータよりも前記負荷部品から離れて配置され、前記負荷部品に前記高周波直流コンバータよりも相対的に電流変動の遅い直流電流を供給する低周波直流コンバータと、
を有するコンバータ搭載基板。
（付記２）
前記負荷部品が搭載される部品搭載基材を有する付記１に記載のコンバータ搭載基板。
（付記３）
前記高周波直流コンバータが前記部品搭載基材に搭載される付記２に記載のコンバータ搭載基板。
（付記４）
前記低周波直流コンバータが前記部品搭載基材に搭載される付記２又は付記３に記載のコンバータ搭載基板。
（付記５）
前記低周波直流コンバータが搭載されるコンバータ搭載基材を有する付記１〜付記３のいずれか１つに記載のコンバータ搭載基板。
（付記６）
電流供給を受ける負荷部品と、
前記負荷部品が搭載される部品搭載基材と、
前記部品搭載基材に搭載され、前記負荷部品に電流変動の速い直流電流を供給する高周波直流コンバータと、
前記部品搭載基材と別体のコンバータ搭載基材と、
前記コンバータ搭載基材に搭載され、前記負荷部品に前記高周波直流コンバータよりも相対的に電流変動の遅い直流電流を供給する低周波直流コンバータと、
を有するコンバータ搭載基板。
（付記７）
前記部品搭載基材と前記コンバータ搭載基材との間に前記低周波直流コンバータからの供給電流が流れるピラーを有する付記６に記載のコンバータ搭載基板。
（付記８）
前記ピラーの外面が露出している付記７に記載のコンバータ搭載基板。
（付記９）
前記ピラーが、前記負荷部品が搭載される前記部品搭載基材の部品搭載面の反対側から前記部品搭載基材に接続されている付記７又は付記８に記載のコンバータ搭載基板。
（付記１０）
前記高周波直流コンバータは前記低周波直流コンバータより小型である付記１〜付記９のいずれか１つに記載のコンバータ搭載基板。
（付記１１）
前記高周波直流コンバータと前記負荷部品との間の電流配線をシールドするシールド配線を有する付記１〜付記１０のいずれか１つに記載のコンバータ搭載基板。

２２ コンバータ搭載基板
２４ 部品搭載基材
２４Ａ 部品搭載面
２６ コンバータ搭載基材
２６Ａ コンバータ搭載面
２８ プロセッサ
２８Ａ 対向面
３０ 電子部品
３２ 端子
３２Ｃ 電源端子
３６ 高周波直流コンバータ
３８ 低周波直流コンバータ
４０ 電源配線
４２ グラウンド配線
５０ 電源配線
５２ グラウンド配線
５４ ピラー
５６ ピラー
５８ 交流電源
７２ コンバータ搭載基板
７４ 部品搭載基材

Claims (3)

1. 電流供給を受ける負荷部品と、
   前記負荷部品が搭載される部品搭載基材と、
   前記部品搭載基材に搭載され前記負荷部品に電流変動の速い直流電流を前記部品搭載基材の配線を介して供給する高周波直流コンバータと、
   前記高周波直流コンバータよりも前記負荷部品から離れて前記部品搭載基材に搭載され、前記負荷部品に前記高周波直流コンバータよりも相対的に電流変動の遅い直流電流を前記部品搭載基材の配線を介して供給する低周波直流コンバータと、
   を有するコンバータ搭載基板。
2. 電流供給を受ける負荷部品と、
   前記負荷部品が搭載される部品搭載基材と、
   前記部品搭載基材に搭載され、前記負荷部品に電流変動の速い直流電流を前記部品搭載基材の配線を介して供給する高周波直流コンバータと、
   前記部品搭載基材と別体のコンバータ搭載基材と、
   前記部品搭載基材と前記コンバータ搭載基材とを電気的に接続するピラーと、
   前記コンバータ搭載基材において前記部品搭載基材と対向する面の反対面に搭載され、前記負荷部品に前記高周波直流コンバータよりも相対的に電流変動の遅い直流電流を前記部品搭載基材の配線、前記ピラー及び前記コンバータ搭載基材の配線を介して供給する低周波直流コンバータと、
   を有するコンバータ搭載基板。
3. 前記ピラーが、前記負荷部品が搭載される前記部品搭載基材の部品搭載面の反対側から前記部品搭載基材に接続されている請求項２に記載のコンバータ搭載基板。

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