KR101315078B1 - Led 조명 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 각각의 LED(15, 17)가 바이패스 스위치(19, 21)에 의해 제어되는 멀티플 LED 드라이버 회로에 관한 것이다. LED들은 스위치드 모드 전원(8)에 의해 전력을 공급받으며, LED들을 통해 미리 정해진 전류가 지나가도록 정전류원에 접속된다. 스위치드 모드 전원은 스위치-온된 LED의 개수에 따라 서로 다른 전압들을 발생시키도록 구성된다. 이것은 스위치드 모드 전원에 바이패스 스위치의 제어 신호(sw1, sw2)를 공급함으로써 이루어진다. 이러한 방식으로, 정전류원의 전력 소산이 낮은 레벨로 유지될 수 있다.
LED, 바이패스 스위치, 정전류원, 스위치드 모드 전원
Description
본 발명은 스위치드 모드 전원(switched mode power supply; SMPS)에 의해 전력을 공급받는 제1 및 제2 LED(발광 다이오드; light-emitting diode)를 적어도 포함하는 LED 조명 장치에 관한 것이다.
그러한 장치는 예를 들어 EP 0716485 A1에 개시되어 있다.
그러한 장치에서, SMPS는 하나 이상의 LED에 일정한 전류를 공급하도록 제어된다. 그러면, LED 광 출력은 LED/LED들에 병렬로 접속된 바이패스 스위치의 듀티 사이클을 변경하는 것에 의해 펄스폭 변조를 통해 제어될 수 있다.
SMPS는 에너지 효율면에서 선형 전원(linear power supply)보다 우수하다. 그러나, 부하가 변동하고, 그에 따라 사용 전류 피드백 시스템(used current feedback system)에 천이(transient)가 발행하기 때문에, 공급되는 전류의 정밀도가 모든 응용에 대해 충분하지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 앞 부분에서 언급된 유형의 조명 장치로서, 전력 소비가 상당히 낮게 유지되면서도 전류 정밀도가 향상된 조명 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1에 정의된 것과 같은 조명 장치에 의해 달성된다.
더 상세하게는, 상술한 장치에서, 제1 LED를 통하는 전류는 제1 LED에 병렬로 접속된 제1 바이패스 스위치에 의해 제어되고, 제2 LED를 통하는 전류는 제2 LED에 병렬로 접속된 제2 바이패스 스위치에 의해 제어되고, 제1 및 제2 LED는 스위치드 모드 전원과 제1 정전류원 사이에 직렬로 접속되고, 스위치드 모드 전원은 출력 전압이 광을 방출하는 LED의 수에 의존하도록, 제1 및 제2 바이패스 스위치의 상태에 따라 다수의 상이한 출력 전압을 공급하도록 구성된다. 제1 및 제2 LED는, 제1 및 제2 LED가 펄스폭 변조 주기의 시작시에 동시에 스위치-온되고, 펄스폭 변조 주기 동안 제1 및 제2 LED 각각의 듀티 사이클에 의해 결정된 순간에서 스위치-오프되도록, 펄스폭 변조에 의해 제어되도록 구성된다. 그러면, 스위치드 모드 전원의 전압은 펄스폭 변조 주기의 시작 전에 최대 전압을 향해 상승하도록 구성된다.
정전류원으로 인해, 매우 양호하게 정의된 전류가 전원으로부터 얻어진다. 그러나, 출력 전압은 LED들의 상태에 의존하기 때문에, 정전류원에서의 소산(dissipation)은 낮은 레벨로 유지될 수 있다. 실제 전류의 피드백이 필요하지 않고, 이에 의해 불안정성과 천이 문제가 방지된다. 또한, 이에 의해, 주기의 시작시에 충분한 전압이 제공될 것이 보장된다.
삭제
장치는 모든 LED가 스위치-오프된 때에 출력 전압을 0 또는 0에 가깝게 구동하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 이것은 추가 전력을 절약한다.
제1 및 제2 LED는 서로 다른 색상의 광을 방출할 수 있다.
제1 및 제2 LED는 각각 녹색 및 청색의 광을 방출할 수 있고, 제3 바이패스 스위치에 의해 제어되는 제3 LED를 경유하여 상기 제1 정전류원에 접속될 수 있다. 제1 및 제2 LED는 제4 바이패스 스위치에 의해 제어되는 제4 LED를 경유하여 제2 정전류원에 접속될 수 있으며, 제3 및 제4 LED는 적색 또는 호박색 광을 방출할 수 있다. 이에 의해, 완전한 제어가능 RGBA(적색-녹색-청색-호박색) 광원이 단일 SMPS로 실현될 수 있다.
여기에 개시된 것과 그 이외의 본 발명의 양태들은 이하에 설명되는 실시예들을 참조하면 설명될 것이고 그로부터 분명히 알 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술의 정전류원에 의해 구동되는 LED의 바이패스 제어를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 RGB LED 구성의 이용가능한 색상 재현 범위(color gamut)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3b는 도 3a에서 사용되는 정전류원의 일례를 더 상세하게 도시한 도면이다.
도 4는 RGBA 조명 구성이 실현되는 본 발명의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 구성을 위한 타임 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 1은 종래 기술의 정전류원에 의해 구동되는 LED의 바이패스 제어를 개략적으로 도시하고 있다. 정전류원(CCS)(1)은 LED(3)(발광 다이오드)에 일정한 전류 Iconst를 공급하도록 구성된다. 예를 들어, LED가 청색 발광 LED라면, 일정한 전류는 전형적으로 Iconst=700㎃이다. 전형적으로 MOSFET인 바이패스 스위치(5)는 LED(3)에 병렬로 접속된다. 바이패스 스위치는 PWM(Pulse Width Modulation) 회로(7)를 이용하여, 완전히 도통되거나 완전히 차단되도록 PWM에 의해 제어된다. 바이패스 스위치(5)가 완전히 도통되고 있을 때에, 바이패스 스위치(5)는 LED(3)를 바이패스하여 LED가 광 방출을 중단하게 한다. 따라서, 바이패스 스위치(5)의 듀티 사이클을 변경시킴으로써 LED로부터의 광 흐름을 제어하는 것이 가능하다. 이것은 임의의 가시적인 플리커(visible flicker)를 방지할 수 있을 정도로 충분히 높은 스위칭 주파수에서, 예를 들어 150㎐ 이상의 주파수에서 행해진다.
각각 바이패스 스위치를 갖는 2개의 LED가 공통의 전류원을 공유하게 하는 것이 가능하다. 그리고, 2개의 LED/바이패스 스위치 조합은 서로 직렬로 연결된다. 조건은 LED들이 동일한 구동 전류를 사용해야 한다는 것이다 (예를 들어, 적색 및 호박색 발광 LED(350㎃), 또는 청색 및 녹색 발광 LED(700㎃)).
도 2는 LED들이 바이패스 스위치들로 제어되는 RGB LED 구성을 위한 이용가능한 색상 재현 범위를 색도도(chromaticity diagram)의 형태로 개략적으로 도시한 것이다. 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 발광 LED를 조합하여 사용함으로써, 전체 색상 재현 범위(11)의 많은 부분을 덮는 색 삼각형(9)을 얻을 수 있다. 원하는 색 상(13)의 광을 방출하기 위하여, 각 LED의 PWM 회로에는 원하는 색상을 발생시키기 위한 올바른 광량이 각 LED로부터 방출되도록 미리 정해진 듀티 사이클이 주어진다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 LED 조명 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 스위치드 모드 전원(SMPS)은 통상적으로 선형 전원에 비해 훨씬 높은 에너지 효율을 갖기 때문에, SMPS의 사용은 이로운 것으로 생각된다는 점에 주목해야 한다.
전류를 공급받을 LED에 분로 저항(shunt resistor)을 직렬로 배치함으로써 SMPS를 정전류원으로서 사용하고, 그 분로 저항 양단의 전압에 기초하여 올바른 전류를 공급하도록 SMPS를 조절하는 것이 가능하다. 이러한 방식은 예를 들어 EP 0716485 A1에 개시되어 있다. 그러나, 이것은 실제에서는 높은 전류 정밀도 요구조건으로 인해 매우 복잡할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는, SMPS를 제어하기 위해 다른 구성이 사용된다. 도 3a에 도시된 실시예는 직렬로 접속되고 동일한 일정 전류를 필요로 하는 제1 LED(15) 및 제2 LED(17)를 구비한다(예를 들어, 적색 및 호박색 발광 LED). 제1 LED(15)는 제1 제어 신호 sw1을 수신하는 제1 바이패스 스위치(19)에 의해 제어된다. 제2 LED(17)는 제2 제어 신호 sw2를 수신하는 제2 바이패스 스위치(21)에 의해 제어된다. 바이패스 스위치들은 각각의 LED에 병렬로 접속되어, 앞에서 설명한 바와 같이 그를 통과하는 전류를 PWM 제어한다. LED들(15, 17)은 출력 전압 Vout을 갖는 스위치드 모드 전원(SMPS)(8)에 의해 전력을 공급받는다. SMPS도 마찬가지로 PWM 제어되지만, 그 주파수는 수백 ㎑와 같이 훨씬 더 높다. 그러나, 출력 전압 Vout은 LED들을 통한 전류를 측정하는 것에 의해 제어되지 않는다. 대신에, LED들은 SMPS(8)와 정전류원(CCS)(25) 사이에 직렬로 접속된다.
Vout이 충분히 높기만 하다면, 정전류원(25)은 LED들(15, 17), 또는 바이패스 스위치들(19, 21)이 턴온되어 있는 경우에는 그 바이패스 스위치들(19, 21)을 통하여, 미리 정해진 일정한 전류가 흐를 것을 보장한다.
도 3b는 도 3a에서 사용되는 정전류원(25)의 일례를 더 상세하게 도시하고 있다. 이 정전류원은 공지되어 있는 것이며, 베이스-투-베이스 접속된 제1 바이폴라 트랜지스터 T1 및 제2 바이폴라 트랜지스터 T2를 포함한다. 제1 트랜지스터 T1은 다이오드-연결(컬렉터-베이스)되고, 그 컬렉터는 제1 저항 R1을 통해 기준 전압 Vref에 접속된다. T1의 에미터는 제2 저항 R2를 통해 접지된다. T2의 에미터는 제3 저항 R3를 통해 접지된다. 이 회로는 T2의 컬렉터에서 일정한 전류 Iconst를 얻을 것이다. 이 일정한 전류는 R1, R2, R3, Vref, 및 T1 및 T2의 베이스-에미터 전압에 의해 결정되는데, 이들 모두 상수이다.
도 3a로부터 보아, 도 3b의 R3 양단에서의 전압 강하는 바이패스 스위치들(19, 21)이 활성화될 때마다 증가할 것이 분명하다. 따라서, Vout이 일정하게 유지되면, 정전류원 내에서의 전력 소산은 상당히 높을 것이다. 물론, 도 3b에 도시 된 것과는 다른 정전류원 토폴로지들이 존재하지만, 이 문제는 마찬가지이다.
따라서, 본 발명의 본 실시예의 SMPS(8)는 바이패스 스위치들(19, 21)의 상태에 따라 다수의 상이한 전압을 공급하도록 구성된다. 이는, 출력 전압 Vout이 활성화된 LED의 수에 따라 달라짐을 의미한다. 전형적으로, SMPS(8)는 바이패스 스위치들(19, 21)의 제어 신호 sw1 및 sw2를 입력 신호로서 수신한다. 따라서, 바이패스 스위치들(19, 21) 중 어느 것도 활성화되지 않고, LED들(15, 17) 둘다가 광을 방출하는 경우, Vout은 제1 고전압을 갖는다. 바이패스 스위치들(19, 21) 중 하나가 활성화된 경우, 출력 전압은 제2 저전압으로 낮아진다. 바이패스 스위치들 둘다가 활성화된 경우, Vout은 0V, 또는 제3 값을 이루는 0V에 가까운 값으로 된다. 따라서, 정전류원(25) 내에서의 전력 소산은 낮은 레벨로 유지될 수 있다. SMPS(8)는 임의의 유형의 스텝다운(step-down) 또는 벅(buck) 컨버터인 것이 바람직할 것이다.
도 4는 RGBA 조명 구성이 실현되는 본 발명의 일 실시예를 도시한 것이다. 본 실시예에서는, 4개의 LED(적색(29), 녹색(31), 청색(33), 호박색(35))가 사용되며, 이 LED들 각각은 바이패스 스위치(37, 39, 41, 43)를 각각 갖고 있다. 각각의 바이패스 스위치(37, 39, 41, 43)는 대응하는 LED의 광 흐름을 제어하기 위하여, PWM 제어 신호 R, Gr, Bl, A를 수신한다.
적색 발광 LED(29)는 트랜지스터 T3에 직렬 접속된 저항 R4를 포함하는 제1 정전류원(45)에 접속된다. 호박색 발광 LED(35)는 트랜지스터 T4에 직렬 접속된 저항 R5를 포함하는 제2 정전류원(47)에 접속된다. 트랜지스터 T3 및 T4의 베이스는 공통 전압 기준 Vref에 접속될 수 있다. 제1 및 제2 정전류원(45, 47)은 적색 및 호박색 LED에 대하여 350㎃일 수 있는 동일한 전류를 발생시키도록, 동일한 것이 바람직하다.
바이패스 스위치(37) 및 직렬 접속된 정전류원(45)을 구비하는 적색 발광 LED(29)는, 바이패스 스위치(43) 및 직렬 접속된 정전류원(47)을 구비하는 호박색 발광 LED(35)에 병렬로 접속된다. 따라서, 이 회로는 녹색 및 청색 발광 LED(31, 33)에 적합한 구동 전류인 700㎃의 총 전류를 통과시킬 수 있다. 그러므로, 이러한 바이패스 스위치들(39, 41)과 함께, 녹색 및 청색 발광 LED(31, 33)는 적색 및 호박색 발광 LED(29, 35)로 이루어진 병렬 구성에 직렬로 접속될 수 있다. 따라서, 하나의 공통 SMPS(49)로부터 모든 LED에 전력을 공급하는 것이 가능하다. 본 실시예에서, 적색 및 호박색 발광 LED는 동기화된 방식으로 제어되어야 한다. 그러나, 이러한 요구조건은 대부분의 색상 제어 체계에 호환될 수 있다.
정전류원(45, 47)에서의 소산을 최소화하기 위하여, SMPS(49)는 턴온된 LED의 개수(0, 1, 2, 또는 3: 적색 및 호박색 발광 LED는 동기화되어 스위칭되기 때문에 하나로 셈)에 따라, 4가지의 서로 다른 출력 전압을 출력할 수 있어야 한다. 그러므로, SMPS(49)의 피드백 네트워크(51)는 바이패스 스위치(37, 39, 42, 43)의 PWM 제어 신호 Gr, Bl, A/R을 수신하도록 구성된다. 피드백 네트워크(51)는 출력 캐패시터 C1에 의해 필터링된 출력 전압 Vout을 수신한다. 2개의 저항 R6 및 R7을 포함하는 분압기(voltage devider)가 SMPS 출력단과 그라운드 사이에 접속되어, 분압된 피드백 전압 Vf를 발생시킨다. R6에 더하여, 3개의 저항 R8, R9, R10이 SMPS 출력단과 R7 사이에 접속된다. R8은 녹색 발광 LED(31)의 바이패스 스위치(39)의 PWM 제어 신호 Gr에 의해 제어되는 스위치(53)를 통해 접속된다. 따라서, 녹색 LED(31)가 스위치-오프되면 스위치(53)가 스위치-온된다. 마찬가지로, R9은 청색 LED(33)의 바이패스 스위치(41)의 PWM 제어 신호 Bl에 의해 제어되는 스위치(55)를 통해 접속된다. R10은 적색 및 호박색 발광 LED(29, 35)의 바이패스 스위치(37, 43)의 PWM 제어 신호 A/R에 의해 제어되는 스위치(57)를 통해 접속된다. 따라서, 분압기 네트워크의 분압 기능은 스위치-온된 LED의 개수에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 모든 LED가 스위치-온된다면, 다음과 같이 된다.
그리고나서 청색 발광 LED(33)가 스위치-오프되면, Vf는 다음과 같이 증가한다.
SMPS(49)에서, Vf는 내부 기준과 비교되고, 출력 전압은 그러한 비교에 따라 증가 또는 감소된다. 따라서, 앞에서와 같이 청색 LED가 스위치-오프된 때에 Vf가 증가하면, 출력 전압 Vout은 감소한다. 이에 의해, 정전류원(45, 47) 양단의 전압 이 낮은 레벨로 유지되고, 그에 따라 그 내부에서의 전력 소산 증가가 방지된다. 이것은 단순히 에너지가 절약된다는 것만을 의미하지는 않는다. 정전류원(45, 47)은 SMPS 출력 전압이 이러한 방식으로 조절되지 않는 경우에 비하여, 더 낮은 열 소산 성능도 가질 수 있다.
이 회로가, 예를 들어, RRGB(2개의 적색 발광 LED, 하나의 녹색 발광 LED 및 하나의 청색 발광 LED), RGB 또는 CMY(청록색, 자홍색 및 황색 발광 LED)와 같이, 다른 LED 조합으로도 구성될 수 있음은 당연하다.
도 5는 도 4의 구성을 위한 타임 다이어그램을 도시한 것이다. 도 5의 상부에는, 예를 들어 2㎳ 길이일 수 있는 PWM 주기(61) 동안의 Vout이 도시되어 있다. 하부에는, LED PWM 제어 신호 Gr, Bl, R, A(R 및 A는 앞에서 언급한 바와 같이 동기화되어 스위칭됨)의 역을 도시하고 있다. 이러한 신호들이 레벨 1에 있을 때, 대응하는 LED는 광을 방출한다. 도시된 예에서, 미리 정해진 색상의 광이 방출되어야 한다. 이러한 색상을 얻기 위하여, 각각의 PWM 주기에서, 녹색 발광 LED는 제1 시간 주기(63) 동안 광을 방출하고, 청색 발광 LED는 더 긴 제2 시간 주기(65) 동안 광을 방출하고, 적색 및 호박색 발광 LED는 훨씬 더 긴 제3 시간 주기(67) 동안 광을 방출한다. 광의 방출은 모든 LED에서 동시에 시작하지만, 서로 다른 시점에서 끝난다. 출력 전압 Vout은 제1 초기 최대 전압 Vmax에서 PWM 주기(61)를 시작한다. 제1 시간 주기(63)의 끝에서 녹색 발광 LED가 턴오프되면, 전압은 더 낮은 제2 전압으로 강하한다. 마찬가지로, 청색 발광 LED가 턴오프되면, 전압은 제3 레벨 로 더 강하한다. 마지막으로, 적색 및 호박색 발광 LED가 턴오프되면, 전압은 제4 최소 전압으로 강하한다. 후속 PWM 주기의 시작에서, 모든 LED가 스위치-온되고, SMPS 출력 전압은 다시 Vmax, 즉 모든 LED가 턴온된 때에 사용되는 전압으로 복귀한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4에 도시된 회로는 그 기능을 향상시키기 위해 2가지 방식으로 수정될 수 있다.
첫번째로, 모든 LED가 스위치-오프된 때에 출력 전압이 0이거나 0에 가까울 것을 보장하기 위해, 선택적인 수단이 제공될 수 있다. 이것은 예를 들어, Gr, Bl 및 A/R이 모두 하이(high)일 때 그 출력이 하이로 되는 논리 AND 게이트를 갖는 회로(69)일 수 있다. 그러면, 이 게이트는 R6를 단락시키는 스위치(71)를 구동하여, 출력 전압을 매우 낮은 값으로 구동하는 데에 사용될 수 있다. 이는 어느 정도의 에너지 소비를 감소시킨다.
두번째로, 각각의 PWM 주기의 시작 전에 출력 전압이 이미 상승하여, LED들이 턴온된 때 Vout이 이미 Vmax에 도달할 것을 보장하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 이는, PWM 주기가 시작하기 전의 짧은 시간 주기 동안 저항 R8, R9 및 R10을 분리시키도록 구성된 선택적 스위치(73)를 추가함으로써 실현될 수 있다. 이에 의해, 정전류원은 시작부터 이미 올바른 전류를 얻을 수 있고, 따라서 잠재적인 색상 에러를 방지할 수 있다. 선택적 스위치(73)가 사용되지 않는다면, 그 대신에 R8, R9 및 R10은 R6 및 R7로 이루어진 분압기에 직접 접속된다.
요약하면, 본 발명은 각각의 LED가 바이패스 스위치에 의해 제어되는 멀티플 LED 드라이버 회로에 관한 것이다. LED들은 스위치드 모드 전원에 의해 전력을 공급받으며, LED들을 통해 미리 정해진 전류가 지나가도록 정전류원에 접속된다. 스위치드 모드 전원은 스위치-온된 LED의 개수에 따라 서로 다른 전압을 발생시키도록 구성된다. 이것은 스위치드 모드 전원에 바이패스 스위치의 제어 신호를 공급함으로써 이루어진다. 이러한 방식으로, 정전류원의 전력 소산이 낮은 레벨로 유지될 수 있다.
본 발명은 앞에서 설명한 실시예들로 제한되지 않는다. 본 발명은 이하의 청구항들의 범위 내에서 다양한 방식으로 변경될 수 있다.
Claims (6)
- 스위치드 모드 전원(switched mode power supply)(8; 49)에 의해 전력을 공급받는 제1 및 제2 LED(15, 17; 33, 31)를 적어도 포함하는 LED 조명 장치로서,상기 제1 LED(15; 33)를 통하는 전류는 상기 제1 LED에 병렬로 접속된 제1 바이패스 스위치(19; 41)에 의해 제어되고, 상기 제2 LED(17; 31)를 통하는 전류는 상기 제2 LED에 병렬로 접속된 제2 바이패스 스위치(21; 39)에 의해 제어되고, 상기 제1 및 제2 LED는 상기 스위치드 모드 전원과 제1 정전류원(25; 47) 사이에 직렬로 접속되고,상기 스위치드 모드 전원은 출력 전압이 광을 방출하는 LED의 개수에 의존하도록, 상기 제1 및 제2 바이패스 스위치의 상태에 따라 다수의 상이한 출력 전압(Vout)을 공급하도록 구성되고,상기 제1 및 제2 LED는, 상기 제1 및 제2 LED가 펄스폭 변조 주기의 시작시에 동시에 스위치-온되고, 상기 펄스폭 변조 주기 동안 상기 제1 및 제2 LED 각각의 듀티 사이클에 의해 결정된 순간들에서 스위치-오프되도록, 펄스폭 변조에 의해 제어되도록 구성되며,상기 스위치드 모드 전원은 상기 펄스폭 변조 주기의 시작 전에 최대 전압을 향해 상승하도록 구성되는 LED 조명 장치.
- 제1항에 있어서,모든 LED가 스위치-오프된 때에, 상기 출력 전압을 0 또는 0에 가깝게 구동하기 위한 수단을 포함하는 LED 조명 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1 및 제2 LED는 서로 다른 색상의 광을 방출하는 LED 조명 장치.
- 제3항에 있어서,상기 제1 및 제2 LED(33, 31)는 각각 녹색 및 청색의 광을 방출하고, 제3 바이패스 스위치(43)에 의해 제어되는 제3 LED(35)를 경유하여 상기 제1 정전류원(47)에 접속되며 - 상기 제3 바이패스 스위치(43)는 상기 제3 LED(35)에 병렬로 접속됨 - ,상기 제1 및 제2 LED는 제4 바이패스 스위치(37)에 의해 제어되는 제4 LED(29)를 경유하여 제2 정전류원(45)에 접속되며 - 상기 제4 바이패스 스위치(37)는 상기 제4 LED(29)에 병렬로 접속됨 - ,상기 제3 및 제4 LED는 적색 또는 호박색광을 방출하는 LED 조명 장치.
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- 삭제
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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