KR100923220B1 - 스위칭 모드 전원 공급기의 대기전력 최소화장치 - Google Patents

스위칭 모드 전원 공급기의 대기전력 최소화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스위칭 모드 전원 공급기의 대기전력 최소화장치에 관한 것이다. 본 발명의 대기전력 최소화장치는 AC전원부와 SMPS의 사이에 연결되며, AC전원부에서 상기 SMPS로 공급되는 전력을 스위칭하고 상기 SMPS로부터 LED조명기기로 공급되는 전력을 피드백 받을 수 있도록 구성한다. 따라서, 본 발명의 장치는 SMPS의 소모전력을 최소화할 수 있고 그 전력공급 상태를 실시간으로 통지하여 효율적인 전력공급관리를 할 수 있는 효과를 제공한다.
Figure R1020080052511
SMPS, 대기전력, 최소

Description

스위칭 모드 전원 공급기의 대기전력 최소화장치{Apparatus for reduction of standby power of switching mode power supply}
본 발명은 스위칭 모드 전원 공급기의 대기전력 최소화장치에 관한 것으로, 특히 LED조명기기에 사용되는 스위칭 모드 전원 공급기의 대기전력 최소화장치에 관한 것이다.
일반적으로, 정보가전기기에는 비 스위칭 전원에 비해 효율이 높고, 용량이 작은 스위칭 모드 전원 공급기(switching mode power supply : 이하 SMPS)를 전원공급 장치로 많이 사용한다. 이 SMPS는 가전기기가 본래의 기능을 수행하지 않는 상태인 대기모드 상태에서도 전원공급을 위해 동작 상태를 유지하게 되는데 이로 인하여 대기모드 상태에서도 상당량의 전력을 소모하게 된다.
기존의 SMPS는 스위치 역할을 하는 MOSFET의 게이트신호를 PWM 신호발생기를 이용하여 제어함으로써 그 기능을 수행하고, 이와 같이 대기전력을 절감시키기 위한 종래의 기술은 부하에서 넘어오는 신호인 피드백 신호 또는 MOSFET의 소스전류 의 변화에 따라 PWM 신호를 기존의 펄스폭 조절보다 큰 주기로 신호를 발생시키지 않도록 하는 신호의 스킵(건너 뜀) 방식을 이용하여 스위칭 횟수를 줄임으로써 전력소모량을 줄이는 방법을 이용하였다.
그러나, 이 방법은 부하단에서 전력소모가 적을 경우 MOSFET 게이트신호인 PWM 신호의 스위칭 횟수를 줄임으로써 전력소모량을 줄이는 방법을 사용하였으나, 정상동작의 경우에 비해 전력소모량은 줄어드나 일정간격으로 스위칭이 유지되어 SMPS가 계속적으로 동작하게 됨으로써 일정량의 전력은 계속적으로 소모되었다.
또한, 대용량의 SMPS 등의 대기전력을 낮추기 위해서 작은 용량의 보조 SMPS등을 추가로 설치하는 등의 다양한 방법이 시도되었다.
특히, 대용량의 LED조명기기에 적용될 경우 대기전력을 낮춰야하는 필요성이 증대되는 실정이다.
도 1은 LED조명기기를 구동시키기 위한 일반적인 SMPS를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참고하면, 교류전압을 공급하는 AC전원부(10)와 AC전원부(10)로부터 공급되는 교류전압을 정류하고 스위칭하여 전력을 공급하기 위한 SMPS(30)과 SMPS(30)로부터 공급되는 전력을 이용해 발광하는 LED조명기기(40)와 LED조명기기(40)를 제어하기 위한 중앙컨트롤서버(60)를 포함한다.
여기서, SMPS(30)는 AC-DC 정류회로부(32), 스위칭부(33), 트랜스포머(34), DC-DC 정류회로(35), 컨트롤부(36)를 포함하며, 출력된 DC 전원을 LED 조명기기(40)에 공급한다.
AC-DC 정류회로(32)는 AC 전원으로부터 공급되는 교류 전압 중의 노이즈가 여과된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 스위칭부(33)로 출력한다.
스위칭부(33)는 고내압 TR 혹은 MOSFET, IGBT 등의 소자를 사용하여 수십 Khz~수Mhz의 주파수로 스위칭 시킨 후 트랜스포머(34)로 출력한다.
트랜스포머(34)는 사용주파수와 사용 전력의 크기에 의해 결정되며 이후 DC-DC 정류회로(35)로 출력한다.
DC-DC 정류회로(35)는 컨트롤부(36)로부터 입력되는 스위칭 제어신호에 따라서 변환된 직류 전력을 LED 조명기기(40)에 적당한 전력으로 변환하여 공급한다.
이때 LED조명기기(40)에 전력을 공급할 필요가 없는 대기 모드에서는 컨트롤부(36)의 스위칭 제어 하에서 DC-DC 정류회로(35) 및 트랜스포머(34)의 2차 코일(미도시)측의 불필요한 부분의 출력을 차단하거나 낮추어 대기 모드시 전력을 공급할 필요가 없는 부품에의 전압 공급을 차단 또는 감소시키게 된다.
그러나, 이 경우의 대기모드에서도 SMPS에는 계속 전력이 공급되고, 컨트롤부(36)와 DC-DC 정류회로(35)에서는 지속적으로 전력이 소모되므로 상당한 대기전력이 소모되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 LED조명용 SMPS를 제어하여 대기전력의 제공을 차단하고 축전부의 전력만으로 구동되어 대기전력을 최소화할 수 있는 스위칭 모드 전원 공급기의 대기전력 최소화장치를 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대기전력 최소화장치는 교류전압을 공급하는 AC전원부와, AC전원부로부터 공급되는 교류전압을 정류하고 스위칭하여 전력을 공급하기 위한 SMPS와, SMPS로부터 공급되는 전력을 이용해 발광하는 LED조명기기, 및 LED조명기기를 제어하기 위한 중앙컨트롤서버와 연결되어 대기전력을 최소화하기 위한 대기전력 최소화장치에 있어서, 상기 AC전원부와 SMPS의 사이에 연결되며, AC전원부에서 상기 SMPS로 공급되는 전력을 스위칭하고 상기 SMPS로부터 LED조명기기로 공급되는 전력을 피드백 받을 수 있도록 하되, 상기 AC전원부로부터 상기 SMPS로의 전력공급을 온오프하기 위한 전력제어부; 상기 SMPS로의 입출력전력을 감시하기 위한 전력감시부; 상기 피드백되는 전력을 대기전력으로 축전하는 축전부; 상기 중앙컨트롤서버의 전력제어명령에 따라 상기 전력을 공급 및 차단하도록 상기 전력제어부를 제어하고, 상기 전력감시부의 감시결과에 따라 상기 축전부의 축전여부를 제어하며 상기 SMPS로의 입력전력에 이상이 발생하면 알 람신호 및 알람제어신호를 출력하는 대기전력제어부; 상기 알람신호에 따라 알람을 발생하는 알람부; 및 상기 알람제어신호를 상기 중앙컨트롤서버로 전송하기 위한 유무선통신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 전력제어부는 고속스위칭이 가능하여 상기 AC전원부로부터 입력되는 정현파전력의 유통각을 제어하여 전압의 평균치를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 축전부는 상기 SMPS로의 전력공급이 차단되면, 기 축전된 전력을 상기 각 구성요소에 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 대기전력제어부는 상기 SMPS로의 전력이 공급되는 경우 SMPS로부터의 전력을 대기전력으로 사용하도록 각 구성을 제어하며, 상기 SMPS로의 전력공급이 차단된 경우 상기 축전부의 전력을 대기전력으로 사용하도록 각 구성을 제어하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 장치는 SMPS의 소모전력을 최소화할 수 있고 그 전력공급 상태를 실시간으로 통지하여 효율적인 전력공급관리를 할 수 있는 효과를 제공한다.
이하, 첨부한 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 대기전력 최소화장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2를 참고하면, 대기전력 최소화장치(20)는 AC전원부(10)와 SMPS(30)의 사이에 연결되어 AC전원부(10)로부터 SMPS(30)로 공급되는 전원을 스위칭하여 공급 또는 차단하도록 구성된다. 그리고, 대기전력최소화장치(20)는 유무선통신망을 통해 중앙컨트롤서버(60)와 연결되도록 구성한다. 또한, 대기전력최소화장치(20)는 SMPS(30)로부터 LED조명기기(40)로 공급되는 전원을 피드백 받을 수 있도록 구성한다.
대기전력최소화장치(20)는 AC전원부(10)로부터의 전력공급을 온오프하기 위한 전력제어부(21), SMPS(30)의 입출력전력을 감시하기 위한 전력감시부(22), 대기전력을 충전하기 위한 축전부(23), SMPS(30)로의 전력공급여부를 체크하고 축전부(23)의 충전상태에 따라 충전제어하는 대기전력제어부(24), AC전원부의 출력전력감시결과를 알리기 위한 알람부(25), 전력공급차단상태를 중앙컨트롤서버(60)로 전송하기 위한 유무선통신부(26)로 구성된다.
전력제어부(21)는 중앙컨트롤 서버(60)를 통해 대기전력제어부(24)로부터의 전력 공급 제어신호에 따라서 외부 AC 전원부(10)로부터 SMPS(30)로 공급되는 전력을 연결하거나 차단한다. 특히 본 발명의 전력제어부(21)는 고속스위칭(수십 Khz~수Mhz)이 가능한 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 트라이액(Triac)을 이용하여 외부 AC전원부(10)로부터 유입되는 정현파 전력의 유통각을 제어하여 SMPS(30)로 유입되는 전압의 평균치를 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 전력제어부(21)를 고속으로 스위칭하면서 스위치의 개폐시간(ON/OFF Time)을 조절함으로써, SMPS(30)로 입력되는 전력의 전압을 조정할 수 있다. 따라서, SMPS(30)의 구동전력 레벨을 감소시켜 SMPS(30)에서의 소모전력을 최소화하면서 SMPS(30)를 소형화 할 수 있다.
전력제어부(21)가 고속으로 스위칭하면서 공급되는 전력의 레벨을 감소시키는 일예는 도 3a 및 도 3b의 그래프를 통해 설명한다.
도 3a는 외부 AC전원부(10)로부터 전력제어부(21)로 입력되는 전력 파형을 보여주는 그래프이고, 도 3b는 전력제어부(21)에서 SMPS(30)로 출력되는 전력 파형을 도시한 그래프이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 외부 AC전원부(10)로부터 출력된 전력에 의해 정현파의 전압값을 나타낸다. 이러한 전력제어부(21)는 이러한 전압값이 입력되어 스위칭된 이후에는 도 3b에 도시된 그래프와 같이, SMPS(30)로 입력되는 전력은 그 전압 레벨의 평균 전력이 상당히 감소함을 알 수 있다.
이처럼 대기전력제어부(24)의 전력 공급 제어신호에 따라 전력제어부(21)가 고속의 스위칭을 수행하여 구동전력의 레벨이 감소되어 SMPS(30)로 입력된다. 이때, 전력 감시부(22)는 외부 AC전원부(10)에서 SMPS(30)로 전력이 공급되는지 여부와 SMPS(30)에서 다시 LED조명기기(40)로 전력이 공급되는지 여부를 감시하여 전력감시결과를 대기전력제어부(24)로 출력한다. 여기서, 전력 감시부(22)는 다양하게 구현될 수 있고, 전력제어부(21)에 공급되는 전력이 대규모 전력인 경우에는 전력선에서 발생되는 자기장의 변화를 이용하여 전력이 공급되는지 여부를 감지할 수 있는 비접촉식 방식으로 구성 가능하고, 전력제어부(21)를 컨트롤하기 위한 전력은 전력선에서 발생된 자기장을 비접촉 유도코일 등을 이용하여 수집한 전력으로도 포토 커플러 등을 구동하여 구현할 수 있다.
한편, 축전부(23)는 전력제어부(21)가 고속으로 스위칭되어 SMPS(30)로 전력을 공급할 때 SMPS(30)로부터 LED조명기기(40)로 출력되는 DC전력중 일부를 공급받아 내부에 전력을 축전한다. 전력제어부(21)가 오프(OFF)되어 외부 AC전원부(10)로부터 SMPS(30)로의 전력 공급이 차단되면, 축전부(23)에 축전된 전력을 대기전력제어부(24) 및 대기전력 최소화 장치(20)의 각 구성 요소에 제공한다.
대기전력제어부(24)는 유무선통신부(26)를 통해서 중앙 컨트롤 서버(60)로부터 전력 제어 명령을 수신하여 전력 제어 명령을 해석한다. 해석된 전력 제어 명령에 따라 전력 제어신호를 생성하여 전력제어부(21)를 온(ON)시키거나 혹은 오프(OFF)시킨다.
이 때, 대기전력제어부(24)는 IGBT 또는 TRIAC 등으로 구현되는 전력제어부(21)가 고속 스위칭 동작을 수행하도록 일련의 PWM 제어신호를 전력제어부(21)로 출력한다. 또한, 대기전력제어부(24)는 SMPS(30)로 출력되는 평균 전압치가 감소된 전력을 다시 입력 받아 사전에 설정된 평균치와 비교하여 전력제어부(21)로 출력되는 제어신호를 조절함으로써, 사전에 설정된 평균치의 전압을 갖는 전력이 SMPS(30)로 입력되도록 한다.
또한, 대기전력제어부(24)는 SMPS(30)에 인가되는 전력량을 제어함으로써 SMPS(30)의 초단에 설계되는 평활콘덴서의 자연 충전 및 방전에 의한 소비 전력을 최소화 하도록 한다.
또한, 대기전력제어부(24)는 전력제어부(21)가 온(ON)되어 외부 AC전원부(10)의 전력이 SMPS(30)로 공급되는 경우에 SMPS(30)로부터 대기전력최소화장치(20)의 각 구성에 전력이 공급되도록 하고, 반대로 전력제어부(21)가 오프(OFF)되어 외부 AC전원부(10)로부터 SMPS(30)로의 전력 공급이 차단되면 축전부(23)로부터 대기전력최소화장치(20)의 각구성에 전력이 공급되도록 명령한다.
또한 중앙 컨트롤 서버(60)로부터 전력 공급 명령을 수신하면 SMPS(30)로 하여금 LED 조명기기(40)에 DC 전력을 공급하도록 제어한다.
또한, 대기전력제어부(24)는 축전부(23)의 전력 레벨을 감지하여 전력 레벨이 규정 이하로 떨어지면 전력 공급 제어신호를 전력제어부(21)로 출력하여 전력제어부(21)를 온(ON)시켜 SMPS(30)에서 출력되는 DC 전력을 이용하여 축전부(23)를 축전한다.
또한, 대기전력제어부(24)는 전력감시부(22)로부터 전력 감지 신호를 입력받아 현재 외부 AC전원부(10)로부터 전력제어부(21)로 전력이 공급되고 있는지 여부를 감시한다. 전력이 공급되지 않은 경우에는 알람제어신호를 생성하여 유무선통신부(26)로 출력하여 중앙 컨트롤 서버(60)로 전송한다. 동시에, 알람부(25)를 제어하여 현재 외부 AC전원부(10)로부터 전력이 공급되지 않고 있음을 관리자 등에게 표시하기위해 알람신호를 출력하도록 한다.
유무선통신부(26)는 중앙 컨트롤 서버(60)로부터 유무선 통신망(50)을 통해 전력 제어 명령을 수신하여 대기전력제어부(24)로 출력한다. 또한, 대기전력제어 부(24)로부터 입력된 알람제어신호를 유무선 통신망(50)을 통해서 중앙 컨트롤 서버(60)로 전송한다.
여기서, 알람부(25)는 대기전력제어부(24)로부터 출력된 시스템의 이상 신호를 수신하면, 스피커 등으로 구현되는 음향 출력장치를 통해서 사이렌 등의 음향을 출력하고, 경광등을 점멸하여 외부에 표시할 수 있다.
도 4는 도 3 장치의 제어흐름도이다.
도 4를 참고하면, 대기전력제어부(24)는 중앙컨트롤서버(60)로부터 전력제어명력이 수신되었는지를 판단한다(단계 401). 판단결과, 전력제어명령이 수신되면, 전력감시부(22)에 외부 AC전원부(10)로부터 정상적으로 AC전원이 입력되고 있는지를 판단한다(단계 402). 판단결과, 외부 AC전원부(10)로부터 정상적으로 AC전원이 입력되지 않는 다고 판단되면, 중앙컨트롤서버(60)로 알리기 위한 알람제어신호를 유무선통신부(26)를 통해 전송하도록 한다(단계 403). 그리고, 알람부(25)로 알람신호를 출력하여 알람이 발생하도록 한다(단계 404).
한편, 판단결과, 외부 AC전원부(10)로부터 AC전원이 정상적으로 입력된다고 판단되면, 수신된 전력제어명령이 전력공급명령인지를 판단한다(단계 405). 판단결과, 전력공급명령이면, 대기전력제어부(24)는 전력공급제어신호를 생성하여 전력제어부(21)로 출력하여 SMPS(30)에 전력을 공급시킨다(단계 406). 이때, SMPS(30)로부터 LED조명기기(40)로 출력되는 DC전력중 일부를 피드백하여 대기전력 최소화장치(20)의 각 구성요소들로도 전력을 공급함은 물론 축전부에 축전한다(단계 407).
한편, 단계 405에서 판단결과, 전력공급명령이 아닌 경우, 대기전력제어부(24)는 전력제어부(21)로 전력차단제어신호를 출력하여 SMPS(30)로 공급되는 전력을 차단한다(단계 408). 그리고, 대기전력제어부(24)는 대기전력 최소화장치(20)의 각구성이 지속적으로 구동되기 위해 지속적으로 축전부(23)의 축전상태를 감시하여 축전이 필요한지를 판단한다(단계 409). 판단결과 축전이 필요하면, 축전부가 축전을 수행하도록 제어하고, 축전이 필요하지 않은 경우는 단계 401로 복귀한다.
한편, 상술한 본 발명의 바람직한 실시 예에서, 대기전력제어부(24)는 축전부(23)에 축전된 전력 레벨이 소정 레벨 미만으로 떨어지는 경우에 SMPS(30)로부터 DC 전력이 공급되고 있는지 여부를 조사하는 것으로 설명하였으나, 대기전력제어부(24)가 축전부(23)의 전력 레벨과 무관하게 실시간으로 전력이 공급되는지 여부를 조사하여 전력 공급이 중단되면, 즉시 알람 신호를 생성하여 중앙 컨트롤 서버(60)로 전송하고 알람부(25)로 출력하도록 구성할 수도 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 대기전력 최소화 장치를 설명하였다. 상술한 바와 같이, 종래기술이 SMPS(30)로 지속적으로 전력을 공급하면서, SMPS(30)에서 부하로 공급되는 전력의 공급 및 차단을 제어하여 대기전력을 최소화하고자 하는 것에 비해, 본 발명은 SMPS(30)로 공급되는 전력 자체를 제어하여 대기전력을 최소화한다.
이 경우, 대기 모드에서 전력 최소화 장치에 의해서 소비되는 전력은 종래 기술의 대기모드에서 SMPS(30)에 의해서 소비되는 전력에 비하여 현저하게 감소되 는 효과가 있다.
구체적으로, 대기모드에서 종래 기술의 SMPS(30)에서는 수~수십 ㎃ 의 전력이 소비되는데 비하여, 본 발명의 전력 최소화 장치에서는 수 ㎂ 이하의 전력이 소비되므로 전력 소비가 종래 기술에 비하여 현저하게 감소되며, 전력 최소화 장치에서 전력을 소비하는 주요 성분인 전력 감시부(22)가 외부 전원으로부터 인가되는 전력선의 자기장 변화에 따라서 유도 기전력에 의해서 구동되는 경우에는 실질적으로 전력 소비가 거의 발생하지 않으므로, 대기전력의 소비가 더욱 현저하게 감소된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다.
본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 필구성요소를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 대기전력 최소화장치의 구성을 도시하는 도면,
도 3a는 도 2의 전력제어부로 입력되는 전력파형을 나타내는 그래프,
도 3b는 도 2의 전력제어부로부터 출력되는 전력파형을 나타내는 그래프,
도 4는 도 3 장치의 제어흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 대기전력최소화장치 21 : 전력제어부
22 : 전력감시부 23 : 축전부
24 : 대기전력제어부 25 : 알람부
26 : 유무선통신부

Claims (4)

  1. 교류전압을 공급하는 AC전원부와, AC전원부로부터 공급되는 교류전압을 정류하고 스위칭하여 전력을 공급하기 위한 SMPS와, SMPS로부터 공급되는 전력을 이용해 발광하는 LED조명기기, 및 LED조명기기를 제어하기 위한 중앙컨트롤서버와 연결되어 대기전력을 최소화하기 위한 대기전력 최소화장치에 있어서,
    상기 AC전원부와 SMPS의 사이에 연결되며, AC전원부에서 상기 SMPS로 공급되는 전력을 스위칭하고 상기 SMPS로부터 LED조명기기로 공급되는 전력을 피드백 받을 수 있도록 하되,
    상기 AC전원부로부터 상기 SMPS로의 전력공급을 온오프하기 위한 전력제어부;
    상기 SMPS로의 입출력전력을 감시하기 위한 전력감시부;
    상기 피드백되는 전력을 대기전력으로 축전하는 축전부;
    상기 중앙컨트롤서버의 전력제어명령에 따라 상기 전력을 공급 및 차단하도록 상기 전력제어부를 제어하고, 상기 전력감시부의 감시결과에 따라 상기 축전부의 축전여부를 제어하며 상기 SMPS로의 입력전력에 이상이 발생하면 알람신호 및 알람제어신호를 출력하는 대기전력제어부;
    상기 알람신호에 따라 알람을 발생하는 알람부; 및
    상기 알람제어신호를 상기 중앙컨트롤서버로 전송하기 위한 유무선통신부를 포함하며,
    상기 전력제어부는 고속스위칭이 가능하여 상기 AC전원부로부터 입력되는 정현파전력의 유통각을 제어하여 전압의 평균치를 감소시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원 공급기의 대기전력 최소화장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 축전부는
    상기 SMPS로의 전력공급이 차단되면, 기 축전된 전력을 상기 대기전력제어부와 대기전력 최소화 장치의 전력제어부와 전력감시부에 제공하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원 공급기의 대기전력 최소화장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 대기전력제어부는
    상기 SMPS로의 전력이 공급되는 경우 SMPS로부터의 전력을 대기전력으로 사용하도록 대기전력 최소화장치의 전력제어부와 알람부를 제어하며, 상기 SMPS로의 전력공급이 차단된 경우 상기 축전부의 전력을 대기전력으로 사용하도록 대기전력 최소화장치의 전력제어부와 알람부를 제어하는 것을 특징으로 하는 스위칭 모드 전원 공급기의 대기전력 최소화장치.
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