JP6758024B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、負荷状態に応じて出力電圧を切換える機能を備えたスイッチング電源装置に関する。
小容量電力負荷に対する電源装置としてフライバック方式のスイッチング電源装置が注目されている。この種のスイッチング電源装置は、例えば図3に示すように入力電圧Vinが印加されるトランスTの一次巻線Pに流れる電流をオン・オフするスイッチング素子Qを備える。このスイッチング素子QはパワーMOS-FETやIGBT等からなる。更にこのスイッチング電源装置は、前記トランスTの二次巻線Sに誘起される電圧を整流・平滑化して直流の出力電圧Voutを生成する整流平滑回路を備え、前記出力電圧Voutに応じて前記スイッチング素子Qのオン・オフをフィードバック制御するように構成される。
前記スイッチング素子Qのオン・オフを制御する制御回路ICは、基本的には前記スイッチング素子Qのオン期間に流れる電流が前記出力電圧Voutに応じて求められるフィードバック電圧Vfbに達したときに該スイッチング素子Qをオフする。そして前記制御回路ICは、前記スイッチング素子Qのオフ期間に前記トランスTに流れる電流が反転したときに該スイッチング素子Qをオンすることで前記トランスTを介して流れる電流を擬似的に共振させる。
尚、前記フィードバック電圧Vfbは、例えば前記出力電圧Voutを抵抗分割して検出した検出電圧Vsensと所定の基準電圧Vrefとの誤差電圧として検出され、フォトカプラPCを介して前記制御回路ICにフィードバックされる。また前記制御回路ICの電源電圧VCCは、例えば前記補助巻線Aに誘起される電圧を整流・平滑化するダイオードDとコンデンサCとを備えた電源電圧生成回路REGにより生成される。
ところでこの種のスイッチング電源装置においては、負荷状態に応じて前記出力電圧Voutを変更し、これによって省電力化を図ることが行われる。具体的には、例えば通常負荷時における32Vの出力電圧Voutを、軽負荷・無負荷時に12Vに切換えたり、通常負荷時における24Vの出力電圧Voutを、軽負荷・無負荷時に8Vに切換える等の出力電圧切換制御が行われる。この出力電圧切換制御によってスイッチング電源装置の低待機電力化が図られる。ちなみに前記出力電圧Voutの変化に伴う前記スイッチング電源装置の消費電力Pinは、図4に示すように前記出力電圧Voutが低い程、消費電力Pinも小さくなる。
この出力電圧切換制御は、従来では専ら、例えば図3に示すように外部制御信号に従って前記出力電圧Voutを分圧して前記検出電圧Vsensを求める抵抗Ra,Rbの分圧比を変更することによって行われる。具体的には出力電圧切換回路VOSWは、前記外部制御信号を受けてオン・オフするスイッチ素子(トランジスタ)Trを介して前記抵抗Raに抵抗Rcを選択的に並列接続し、これによって前記出力電圧Voutに対する前記検出電圧Vsensの検出比を変更する。そして前記スイッチ素子Trのオン時には前記出力電圧Voutを高くし、前記スイッチ素子Trのオフ時には前記出力電圧Voutを低く設定することが行われている。このような出力電圧の切換制御については、例えば特許文献1に詳しく紹介される通りである。
特開2011−139564号公報
ところで上述した構成のスイッチング電源装置においては、負荷状態に応じて前記出力電圧Voutを変更した場合、これに伴って前記電源電圧生成回路REGが生成して前記制御回路ICに加える電源電圧VCCも変化することが否めない。すると電源電圧VCCの変化に伴って、例えば図5に示すように該電源電圧VCCの前記制御回路ICにおける過電圧保護用の電圧閾値OVP、低電圧誤動作防止用の電圧閾値UVLO、更には最大定格電圧に対するマージンが狭くなると言う問題が生じる。
このような電源電圧VCCの変化に伴う不具合に対処する為に、前記電源電圧生成回路REGに簡単な定電圧回路を組み込んで前記電源電圧VCCを一定化することが考えられている。しかし前記制御回路ICが備える過電圧保護機能は、一般的には前記電源電圧生成回路REGから供給される電源電圧VCCを監視することで、該制御回路ICを過電圧から保護するように構成されている。この為、定電圧回路を用いて前記電源電圧VCCを一定化すると、前記制御回路ICが備える過電圧保護機能が働かなくなる。しかも前記電源電圧VCCを一定化した場合には、別の手段を用いて過電圧検出を行うことが必要となり、更には前記制御回路ICに、新たに過電圧保護用の検出端子を設けることも必要となる等の新たな問題が生じる。
一方、最近では前述した定電圧回路を省略し、その構成部品点数の削減を図る為に前記制御回路ICにおける前記過電圧保護用の電圧閾値OVPを高く設定すると共に、前記低電圧誤動作防止用の電圧閾値UVLOを低く設定することが考えられている。この場合には前記トランスTにおける前記二次巻線Sと補助巻線Aとの巻数比(Ns/Na)を調整しておくことで前記電源電圧VCCの最適化が図られる。しかしながらこの場合、量産時における部品性能のバラつき等に起因して前記制御回路ICの最大定格電圧に対する前記電源電圧VCCのマージンが小さくなる等の問題が発生する。
しかも前記電源電圧VCCは、前記トランスTにおける巻線間の結合度やスイッチング電源装置の動作周波数、更には前記制御回路ICの消費電流に依存して、例えば図6に示すように変化し、破線で示す計算値のように一定とはならない。従って前記制御回路ICが有する過電圧保護機能および低電圧誤動作防止機能を活かしながら前記制御回路ICの安定した動作を保証するには、前記過電圧保護用の電圧閾値OVPおよび低電圧誤動作防止用の電圧閾値UVLOに対する余裕を見込んだ推奨範囲内で前記電源電圧VCCを切換えることが必要となる。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、負荷状態に応じて出力電圧を切換える機能を備えたスイッチング電源装置において、特に前記出力電圧を切換えた際にもスイッチング素子のオン・オフを制御する制御回路の安定な動作を保証することのできる簡易な構成のスイッチング電源装置を提供することにある。
上述した目的を達成するべく本発明に係るスイッチング電源装置は、トランスの一次巻線を介して流れる電流をオン・オフするスイッチング素子と、前記トランスの二次巻線に誘起される電圧を整流・平滑化して所定の出力電圧を得る出力回路と、前記出力回路の前記出力電圧を抵抗分割して検出される検出電圧と、所定の基準電圧との誤差電圧として求められるフィードバック電圧に従って前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御回路と、前記トランスの補助巻線から取り出される電圧に応じた第1電源電圧と前記トランスの補助巻線の中間タップから取り出される電圧に応じた第2電源電圧とを生成可能であって、前記第1電源電圧または前記第2電源電圧を前記制御回路へと供給する電源電圧生成回路と、前記出力電圧が供給される負荷の重さに応じて前記出力電圧を切換える出力電圧切換回路と、前記出力電圧の切換えに連動して、前記電源電圧生成回路が供給する前記第1電源電圧と前記第2電源電圧とを切換える電源電圧切換回路と、を備え、前記出力電圧切換回路は、前記負荷の重さに応じて、前記出力電圧に対する抵抗分割比を変更して前記フィードバック電圧の生成条件を切換えるものであり、前記制御回路は、前記制御回路に供給される電源電圧が最大定格電圧より下の電圧閾値OVPより高くなると機能する過電圧保護手段と、電源電圧が電圧閾値UVLOより低くなると機能する低電圧誤動作防止手段とを有し、前記制御回路に供給される電源電圧は、前記電源電圧切換回路による切換の前後で、前記補助巻線の巻数と前記補助巻線の中間タップまでの巻数とにより、電圧閾値OVPより2V低い上限および電圧閾値UVLOより3V高い下限を有する推奨範囲に入るよう調整されるとともに、前記制御回路は、前記電源電圧切換回路による切換の前後で、前記過電圧保護手段と前記低電圧誤動作防止手段とを継続して機能させる。
上記構成のスイッチング電源装置によれば、前記トランスの補助巻線に誘起されて該補助巻線の両端子間および中間タップ端子からそれぞれ出力される電圧を整流・平滑化して生成される複数の電源電圧の1つを前記出力電圧の切換えに連動して選択して制御回路に与える。具体的には通常負荷時に前記出力電圧を高く設定した場合には、前記補助巻線の中間タップ端子から求められる前記出力電圧に比較して低い電圧に従って前記電源電圧を生成する。また軽負荷時や無負荷時に出力電圧を低く設定した場合には、前記補助巻線の両端子間から出力される前記出力電圧に比較して同程度、或いは高い電圧に従って前記電源電圧を生成する。
従って前記出力電圧を切換えた場合であっても、前記制御回路の電源電圧を略一定にすることができ、前記出力電圧の切換えに伴う前記電源電圧の変化を小さく抑えることができる。この結果、前記出力電圧を切換えた場合でも前記制御回路に印加する電源電圧を一般的な推奨範囲内に抑えることができる。故に前記制御回路が有する過電圧保護機能および低電圧誤動作防止機能を活かしながら該制御回路ICの安定した動作を保証することが可能となる。
本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の概略構成図。 図1に示すスイッチング電源装置における電源電圧切換回路の構成を示す図。 従来のスイッチング電源装置の概略構成図。 出力電圧を低下させた際の消費電力の変化を示す図。 制御回路における最大定格、過電圧保護用の電圧閾値OVPおよび低電圧誤動作防止用の電圧閾値UVLOに対する電源電圧VCCの関係を示す図。 制御回路ICの消費電流等に依存する電源電圧VCCの変化を示す図。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置について説明する。
図1は本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の概略構成図である。尚、図3に示した従来のスイッチング電源装置と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態に係るスイッチング電源装置が特徴とするところは、図1に示すように前記トランスTの補助巻線Aに中間タップ端子を設け、前記補助巻線Aに誘起される電圧を該補助巻線Aの両端子間、および前記中間タップ端子からそれぞれ取り出し得るように構成される。そして前記電源電圧生成回路REGにおいては、前記補助巻線Aの両端子間から求められる電圧、および前記補助巻線Aの中間タップ端子から求められる電圧をそれぞれ整流・平滑化して複数の電源電圧VCC1,VCC2を生成するように構成される。
ちなみに複数の電源電圧VCC1,VCC2を生成する前記電源電圧生成回路REGは、ダイオードD1およびコンデンサC1からなる第1の整流平滑回路と、ダイオードD2およびコンデンサC2からなる第2の整流平滑回路とを並列に設けて構成される。前記第1の整流平滑回路は、前記補助巻線Aの両端子間から求められる電圧を整流・平滑化して前記電源電圧VCC1を生成する。また前記第2の整流平滑回路は、前記補助巻線Aの中間タップ端子から求められる電圧を整流・平滑化して前記電源電圧VCC2を生成する。
ここで前記トランスTの二次巻線Sの巻数Nsに対して前記補助巻線Aの総巻数がNaである場合、該補助巻線Aの両端子間には前記二次巻線Sに誘起される電圧Vに比例した電圧(Na/Ns)Vが誘起される。従って前記出力電圧Voutに対して前記第1の整流平滑回路を介して生成される前記電源電圧VCC1は、
VCC1=(Na/Ns)Vout
となる。
また前記補助巻線Aの前記中間タップ端子までの巻数がNb(<Na)である場合、該補助巻線Aの中間タップ端子には前記二次巻線Sに誘起される電圧Vに比例した電圧(Nb/Ns)Vが誘起される。従って前記出力電圧Voutに対して前記第2の整流平滑回路を介して生成される前記電源電圧VCC2は
VCC2=(Nb/Ns)Vout
となる。しかも前記電源電圧VCC1と前記電源電圧VCC2とは、前記補助巻線Aの総巻数Naと中間タップ端子までの巻数Nbとの比(Nb/Na)に比例して生成され、
VCC2=(Nb/Na)VCC1
なる関係を有する。
このように構成された前記電源電圧生成回路REGにおいて生成される前記電源電圧VCC1と前記電源電圧VCC2とを、択一的に選択して前記制御回路ICに印加する電源電圧切換回路SWは、前述した出力電圧Voutの切換えに連動して動作する。具体的にはこの電源電圧切換回路SWは、前記出力電圧切換回路VOSWの動作を制御する前記制御信号に従って前記電源電圧VCC1と前記電源電圧VCC2とを択一的に選択する。特に前記電源電圧切換回路SWは、前記出力電圧Voutを前記負荷駆動電圧Vout1に設定した場合、前記補助巻線Aの中間タップ端子から取り出した電圧から生成した前記電源電圧VCC2を前記制御回路ICに出力する。また前記電源電圧切換回路SWは、前記出力電圧Voutを前記負荷駆動電圧Vout1よりも低い前記待機動作電圧Vout2に設定した場合には、前記補助巻線Aの両端子間から取り出した電圧から生成した前記電源電圧VCC1を前記制御回路ICに出力する。
ちなみに前記電源電圧切換回路SWは、例えば図2に示すように前記電源電圧VCC1の出力ラインに直列に介装された第1のスイッチ素子M1と、前記電源電圧VCC2の出力ラインに直列に介装された第2のスイッチ素子M2とを備える。例えば前記第1のスイッチ素子M1はnチャネル型のMOS-FETであり、前記第2のスイッチ素子M2はpチャネル型のMOS-FETである。
これらの第1および第2のスイッチ素子M1,M2は、前記制御信号を受けてオン・オフするトランジスタTr1により、ダイオードD3,D4を介してそのゲート電圧が制御されて相補的にオン・オフ動作する。尚、R1,R2は前記第1および第2のスイッチ素子M1,M2のゲート・ソース間にそれぞれ接続された前記トランジスタTr1に対する負荷抵抗である。
このように構成された電源電圧切換回路SWは、前記出力電圧Voutが前記負荷駆動電圧Vout1に設定されたとき、前記制御信号によりオンとなる前記トランジスタTr1の出力を受けて前記第1のスイッチ素子M1がオフとなり、前記第2のスイッチ素子M2がオンとなる。この結果、前記第2のスイッチ素子M2を介して前記電源電圧VCC2が択一的に前記制御回路ICに出力される。これに対して前記出力電圧Voutが前記待機動作電圧Vout2に設定されたときには、前記制御信号によりオフとなる前記トランジスタTr1の出力を受けて前記第1のスイッチ素子M1がオンとなり、前記第2のスイッチ素子M2がオフとなる。この結果、前記第1のスイッチ素子M1を介して前記電源電圧VCC1が択一的に前記制御回路ICに出力される。
ここで前記出力電圧Voutが前記負荷駆動電圧Vout1に設定されたときに前記電源電圧切換回路SWが選択出力する前記電源電圧VCC2は、前記補助巻線Aの中間タップ端子から取り出した電圧から生成したものである。従って前記電源電圧VCC2は
VCC2=(Nb/Ns)Vout1
となる。
具体的には前記負荷駆動電圧Vout1が32Vであり、前記トランスTの二次巻線Sの巻数Nsと前記補助巻線Aの中間タップ端子までの巻数Nbとの比が(12T/6T)として与えられる場合、前記電源電圧VCC2は
VCC2=(6T/12T)・32V
=16V
となる。
一方、前記出力電圧Voutが前記待機動作電圧Vout2に設定されたときに前記電源電圧切換回路SWが選択出力する前記電源電圧VCC1は、前記補助巻線Aの両端子間から取り出した電圧から生成したものである。従って前記電源電圧VCC1は
VCC1=(Na/Ns)Vout2
となる。
具体的には前記待機動作電圧Vout2が12Vであり、前記トランスTの二次巻線Sの巻数Nsと前記補助巻線Aの総巻数Naとの比が(12T/16T)として与えられる場合、前記電源電圧VCC1は
VCC1=(16T/12T)・12V
=16V
となる。
従って前記出力電圧Voutを32Vの前記負荷駆動電圧Vout1、または12Vの前記待機動作電圧Vout2に選択的に切換えたとしても前記制御回路ICに供給する電源電圧VCCを上述した16Vの前記電源電圧VCC2、または16Vの前記電源電圧VCC1として略一定に保つことができる。
この結果、前記制御回路ICの電源電圧VCCを、該制御回路ICに設定されている前述した過電圧保護用の電圧閾値OVPおよび低電圧誤動作防止用の電圧閾値UVLOに対して十分に余裕を持たせることができる。そして前記制御回路ICの電源電圧VCCを一般的な推奨範囲(12〜24V)内に抑えることができ、前記制御回路ICが有する過電圧保護機能および低電圧誤動作防止機能を活かして該制御回路ICの安定した動作を保証することが可能となる。更には従来のように電源設計のカット・アンド・トライを繰り返すことなく、また量産時における部品性能のバラつきに左右されることなくスイッチング電源装置の低待機電力化を図ることが可能となる。
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば前記トランスTの二次巻線Sの巻数Nsに対する前記補助巻線Aの総巻数Naの比、並びに前記補助巻線Aの総巻数Naに対する前記中間タップ端子までの巻数Nbの比は前記制御回路ICの電源電圧VCCに対する仕様に応じて定めれば良い。また前記出力電圧Voutの切換えに連動して前記制御回路ICに択一的に出力する前記電源電圧VCC1,VCC2についても、必ずしも同程度の電圧に設定する必要はない。
また前記電源電圧切換回路SWを集積回路化すれば、徒にスイッチング電源装置の構成部品点数が増加することもない。更には前記制御信号を、例えばスイッチング電源装置における負荷率に対応したフィードバック電圧から内部的に求めるようにすれば、外部から前記制御信号を与えることが不要となる。
また実施形態においては出力電圧Voutを2段階に切換える例について示したが、出力電圧Voutを3段階以上に切換える場合にも同様に適用可能である。この場合には、前記補助巻線Aに複数の中間タップ端子を設け、これらの中間タップ端子から取り出される電圧をそれぞれ整流・平滑化して複数の電源電圧を生成する。そしてこれらの電源電圧を択一的に選択して前記制御回路ICに供給するようにすれば良い。
上述した目的を達成するべく本発明に係るスイッチング電源装置は、基本的には直流入力電圧が印加されるトランスの一次巻線を介して流れる電流をオン・オフするスイッチング素子と、前記トランスの二次巻線に誘起される電圧を整流・平滑化して所定の出力電圧を得る出力回路と、この出力回路の前記出力電圧を検出して求められるフィードバック電圧に応じて前記スイッチング素子のオン・オフをフィードバック制御する制御回路と、前記トランスの補助巻線に誘起される電圧を整流・平滑化して前記制御回路の電源電圧を生成する電源電圧生成回路とを備えて構成される。
特に本発明に係るスイッチング電源装置は、前記出力電圧が供給される負荷の重さに応じて設定される制御信号に従って前記出力電圧を切換える出力電圧切換回路と、この出力電圧の切換えに連動して前記電源電圧生成回路が生成した複数の電源電圧の1つを選択して前記制御回路に供給する電圧切換回路を備えたことを特徴としている。
ちなみに前記制御回路は、前記フィードバック電圧が所定の内部基準電圧に達したときに前記スイッチング素子をオフし、このスイッチング素子のオフ動作に伴って前記トランスの一次巻線に流れる電流が反転したときに前記スイッチング素子をオンして前記トランスの一次巻線に流れる電流を擬似共振させるスイッチング素子駆動信号を生成する擬似共振制御用の集積回路からなる。
また前記フィードバック電圧は、前記出力電圧を抵抗分割して検出される検出電圧と所定の基準電圧との誤差電圧として求められるものであって、前記出力電圧切換回路は、前記制御信号に従って前記出力電圧に対する抵抗分割比を変更して前記フィードバック電圧の生成条件を変更するように構成される。
具体的には前記電源電圧生成回路は、前記トランスの補助巻線に誘起されて該補助巻線の両端子間および中間タップ端子から出力される電圧をそれぞれ整流・平滑化する複数の整流・平滑回路を備えて構成される。そして前記電源電圧切換回路は、前記複数の整流・平滑回路がそれぞれ生成した電源電圧を前記制御信号に従って択一的に選択するスイッチ回路として構成される。このスイッチ回路は、例えば前記制御信号に従って相補的にオン・オフして前記第1または第2の電源電圧の一方を出力する一対のスイッチ素子として実現される。
ここで前記電源電圧切換回路は、例えば前記出力電圧を通常の負荷駆動電圧に設定する制御信号が与えられたときには前記補助巻線の中間タップ端子から出力される電圧を整流・平滑化した第2の電源電圧を選択し、前記出力電圧を前記負荷駆動電圧よりも低い待機動作電圧に設定する制御信号が与えられたときには前記補助巻線の両端子間から出力される電圧を整流・平滑化した第1の電源電圧を選択して前記制御回路に供給するように構成される。
好ましくは前記第1および第2の電源電圧は、該制御回路における過電圧保護用の電圧閾値OVPと低電圧誤動作防止用の電圧閾値UVLOとの範囲内で設定される。
その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

T トランス
P 一次巻線
S 二次巻線
A 補助巻線
Q スイッチング素子
IC 制御回路
VOSW 出力電圧切換回路
REG 電源電圧生成回路
SW 電源電圧切換回路

Claims (6)

  1. トランスの一次巻線を介して流れる電流をオン・オフするスイッチング素子と、
    前記トランスの二次巻線に誘起される電圧を整流・平滑化して所定の出力電圧を得る出力回路と、
    前記出力回路の前記出力電圧を抵抗分割して検出される検出電圧と、所定の基準電圧との誤差電圧として求められるフィードバック電圧に従って前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御回路と、
    前記トランスの補助巻線から取り出される電圧に応じた第1電源電圧と前記トランスの補助巻線の中間タップから取り出される電圧に応じた第2電源電圧とを生成可能であって、前記第1電源電圧または前記第2電源電圧を前記制御回路へと供給する電源電圧生成回路と、
    前記出力電圧が供給される負荷の重さに応じて前記出力電圧を切換える出力電圧切換回路と、
    前記出力電圧の切換えに連動して、前記電源電圧生成回路が供給する前記第1電源電圧と前記第2電源電圧とを切換える電源電圧切換回路と、
    を備え、
    前記出力電圧切換回路は、前記負荷の重さに応じて、前記出力電圧に対する抵抗分割比を変更して前記フィードバック電圧の生成条件を切換えるものであり、
    前記制御回路は、前記制御回路に供給される電源電圧が最大定格電圧より下の電圧閾値OVPより高くなると機能する過電圧保護手段と、電源電圧が電圧閾値UVLOより低くなると機能する低電圧誤動作防止手段とを有し、
    前記制御回路に供給される電源電圧は、前記電源電圧切換回路による切換の前後で、前記補助巻線の巻数と前記補助巻線の中間タップまでの巻数とにより、電圧閾値OVPより2V低い上限および電圧閾値UVLOより3V高い下限を有する推奨範囲に入るよう調整されるとともに、
    前記制御回路は、前記電源電圧切換回路による切換の前後で、前記過電圧保護手段と前記低電圧誤動作防止手段とを継続して機能させるスイッチング電源装置。
  2. 前記制御回路に供給される電源電圧は、前記電源電圧切換回路による切換の前後で等しく設定されている請求項に記載のスイッチング電源装置。
  3. 前記制御回路および前記電源電圧切換回路は、集積回路である請求項1または2に記載のスイッチング電源装置。
  4. 前記電源電圧生成回路は、前記トランスの補助巻線から取り出される電圧を整流平滑化し前記第1電源電圧を生成する第1整流平滑回路と、前記トランスの補助巻線の中間タップから取り出される電圧を整流平滑化し前記第2電源電圧を生成する第2整流平滑回路と、を有し、
    前記電源電圧切換回路は、前記第1整流平滑回路と前記第2整流平滑回路がそれぞれ生成した電源電圧を択一的に選択するスイッチ回路を有する請求項1からのいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。
  5. 前記スイッチ回路は、相補的にオン・オフして前記第1電源電圧または前記第2電源電圧の一方を出力する一対のスイッチ素子を含んで構成される請求項に記載のスイッチング電源装置。
  6. 前記電源電圧切換回路は、前記出力電圧を通常の負荷駆動電圧に設定する場合には、前記第2電源電圧に切換え、前記出力電圧を前記負荷駆動電圧よりも低い待機動作電圧に設定する場合には、前記第1電源電圧に切換えるものである請求項1からのいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。
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