KR20000076964A - 스위치형 전원 장치 및 스위칭 전원 장치 작동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 예시적인 전원 장치는 시동 회로를 디스에이블시키고 궤환 신호에 대해 독립적인 가변 주파수 동작을 구현함으로써 대기 모드에서 전력이 낮게 손실되게 한다. 대기 모드 검출 회로는 가변 주파수 동작을 자동적으로 구현하고, 미달 전압 록아웃 신호는 시동 회로를 디스에이블되게 한다. 시동 시간이 지나거나 궤환 제어가 인에이블되면, 시동 회로가 디스에이블되어 시동 회로는 거의 무시할 정도의 전력을 소비한다. 정류된 DC 라인 전압에 응답하는 전압 제어 발진기(VCO)는 대기 모드에서 가변 주파수 동작을 제공한다. VCO의 주파수 출력은 라인 전압에 반비례하여, 라인 전압이 증가함에 따라 스위칭 주파수가 감소하고, 이에 따라 출력 전력이 감소한다.
Description
본 특허 출원은 1999년 3월 26일자로 출원된 미국 특허 가출원 번호 제 60/126,525 호에 기초한 우선권을 주장하고자 한다.
본 발명은 일반적으로 스위칭형 전원 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 대기(standby) 모드에서 저전력 손실을 나타내는 전원 장치에 관한 것이다.
안정화 전원 장치(regulated power supply)는 전지 충전기, 휴대폰, 컴퓨터, 컴퓨터 모니터, 텔레비젼, 오디오 기기 및 비디오 카메라를 포함하는 거의 모든 전자 장치에서 이용되고 있다. 전형적인 전원 장치의 하나인, DC/DC 변환기는 DC 소스(source)에 의해 작동하고, 중간 과정으로 교류를 발생하며, 부하로 직류를 공급한다. 선형, 변압기 기반 전원 장치와 같은 스위치형 DC 변환기는 조정된 출력을 공급하며 입력 회로와 및 출력 회로가 격리 되어 있다. 그러나, 선형 전원 장치와는 달리, 스위치형 DC 변환기 내의 변압기는 수 ㎒ 정도의 훨씬 높은 주파수로 동작한다. 이와 같이 하여 입력과 출력이 완전히 격리되도록 유지하는 동시에 변압기 및 캐패시터를 포함하는 작은 부품의 사용이 가능해 진다.
가전 제품에서의 효율적인 전원 장치에 대한 최근의 수요가 기본적인 DC 변환기 설계에 다양한 개선을 초래하였다. 예컨데, 텔레비젼 및 컴퓨터 모니터는 전형적으로 다중 모드에서 작동할 수 있는 전원 장치를 포함한다. 대기 모드에서 동작하는 스위치형 DC 변환기는 고정된 보다 낮은 주파수에서 스위칭되고 실행(run) 모드에서 동작하는 변환기보다 낮은 전력을 소비한다.
기존의 다중 모드 설계 및 기법은 최근 가전 제품의 저전력 소비 요구 조건을 달성하기에 부적합하다. 전원 장치가 광범위한 라인 전압에 걸쳐서 작동하고 광범위한 출력 전압을 제공해야만 하는 경우에 현재 설계의 부적합성이 증대된다. 현재의 텔레비젼은 예를 들어 대략 85 VRMS 내지 260 VRMS의 범위의 라인 전압에서 동작가능하고, 5 V에서 133 V까지의 정격 출력을 공급하는 전원 장치를 필요로 한다. 대기 모드에서, 전원 장치는 2 W 미만의 손실이 요구된다. 현재의 설계는 만족할 만한 저전력 손실을 달성하면서 이러한 전압 범위 요구 조건을 비용 효과적으로 만족시킬 수 없다.
본 발명의 원리에 따른 전원 장치는 대기 모드에서 알려진 전원 장치보다 낮은 전력 손실을 달성하면서 광범위한 라인 전압에 걸쳐서 작동하고 넓은 범위의 조정된 출력을 공급한다. 시동 회로를 디스에이블시키고, 궤환 신호에 대해 독립적으로 가변 주파수 동작을 구현시킴으로써 대기 모드에서의 저전력 손실이 달성된다. 시동 회로는 궤환 조정이 가능해질 때 까지 제어기에 전력을 공급한다. 일단 시동 시간이 지나면, 시동 회로는 디스에이블되어 많은 전력을 손실시키지 않게 된다. 대기 모드 검출 회로는 가변 주파수 동작을 자동적으로 구현한다. 전력 손실 요구 조건이 2 W 미만일 수 있는 대기 모드에서, 시동 회로를 디스에이블시키고 가변 주파수 동작을 구현함으로써 전력 손실이 상당히 감소된다.
정류된 DC 라인 전압에 응답하는 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator: VCO)에 의해 대기 모드에서 가변 주파수 동작이 이루어진다. VCO의 주파수 출력은 라인 전압에 반비례하여, 라인 전압이 증가함에 따라 스위칭 주파수가 감소하며, 이에 따라 출력 전력이 감소한다. VCO가 라인 전압에 응답하기 때문에, 어떠한 궤환 신호도 필요하지 않다. 전력 스위치 내에서 스위칭 손실을 감소시키고 궤환 회로 내에서 전력 손실없이 출력 전력을 조정함으로써 회로는 전력 손실을 최소화 시킨다. 대기 모드 검출 회로는 스위칭 주파수의 제어가 VCO에 의해 혹은 궤환 회로에 의해 이루어질 것인지를 제어한다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 전원 장치의 블록도,
도 2는 본 발명의 원리에 따른 시동 및 디스에이블 회로를 도시한 도면,
도 3은 예시적인 스위치 주파수 제어 회로를 도시한 도면,
도 4는 예시적인 모드 검출 회로를 도시한 도면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
100 : 하드 스위칭 전원 장치 102 : 2 개의 권선을 갖는 변압기
102a : 일차 권선 102b : 2차 권선
104 : 시동 회로 106 : 전압원
108 : 발진기 112 : 미달 전압 록아웃 회로
114 : 모드 검출 회로 116 : 정류기
120, 122 : 저항
본 발명의 원리에 따른 전원 장치는 고효율의 이중 모드 동작이 이루어지게 하고, 대기 모드에서 저전력을 소비한다. 본 발명의 전원 장치는 텔레비젼, 컴퓨터 모니터, 개인 컴퓨터, 휴대폰, 통신 장비, 오디오 기기, 레이더, 기타 유사한 장비를 포함하는 다양한 전자 장치에 사용하기에 적합하다. 본 명세서는 본 발명의 원리에 따른 하드 스위칭(hard-switching) 전류 모드 제어 전원 장치의 예시적인 실시예를 개시한다. 하지만, 당업자라면 전압 모드 제어를 포함한 다양한 제어 방법을 구현하는 소프트 스위칭(soft-switching) 전원 장치와 같은 다른 전원 장치에 본 발명이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
1. 하드 스위칭 전원 장치
본 발명의 원리에 따른 전원 장치(100)를 도 1에 도시한다. 이러한 하드 스위칭 전원 장치(100)는 이중 모드 동작, 전류 모드 제어 및 저전력 손실을 제공한다. 전원 장치의 일차측은 전압원(106), 2개의 권선을 갖는 변압기(102)의 일차 권선(102a), 제어기(110), 전원 스위치(126), 시동 회로(104), 기준 전압 발생기(117), 전압 제어 발진기(VCO)로 동작하는 발진기(108)를 포함한다. 전원 장치(100)는 2차측에서 정류기(116), 저항 R1(120) 및 R2(122), 모드 검출 회로(114) 및 변압기의 2차 권선(102b)을 포함한다. 또한, 미달 전압 록아웃(under voltage lockout; UVLO) 회로(112)가 제공된다. 다양한 기능 블록에 공급 전압 및 바이어스 전압은 도시하지 않는다.
전압원(106)이 턴 온하면, 발진기(108)는 스위치 신호를 발생하기 위한 제어기(110) 내의 장치(도시하지 않음)를 구동시킨다. 제어기 내의 스위치 신호를 발생하기 위한 장치 및 기법은 당업자에게 잘 알려져 있다. UVLO(112)는 기준 전압 신호 Vref를 감지하고, Vref가 안정될 때 까지 제어기(110)의 동작을 중지시킨다. Vref는 제어기(110)에 의해 사용되어 다른 신호 중에서 특히 전원 스위치(126)에 대한 스위치 신호를 발생시키는 기준 전압이다. 시동 회로(104)는 UVLO(112)가 안정된 Vref를 감지할 때 까지 제어기에 전력을 공급하고, 제어기(110)를 동작시키는 신호를 보내며, 시동 회로(104)를 디스에이블시키는 신호를 발생한다. 전압은 전압 분배기 R1/R2(120, 122)에 의하여 발생되고, 모드 검출 회로(114)에 의하여 감지된다. 이 전압에 따라, 모드 검출 회로(114)는 전원 장치(100)에 대한 실행 모드 또는 대기 모드 중 하나를 선택한다.
실행 모드에서, 부하 요구 조건은 정규 동작 범위 내에 있으며 제어기(110)는 전원 스위치(126)에 대한 스위칭 주파수의 PWM(pulse width modulation) 제어를 구현한다. PWM 신호는 정류 다이오드(124)를 통한 전류로부터 발생되고, 다양한 스위치 주파수 신호가 전원 스위치(126)에 인가되도록 한다.
대기 모드에서, 전류 모드 제어는 디스에이블되고 발진기(108)는 VCO로 동작한다. VCO(108) 출력은 소스 전압(106)에 반비례하는 주파수를 갖는 신호이다. 만약 소스 전압이 증가하면, VCO 출력 신호의 주파수는 감소한다. 반면에, 소스 전압이 감소하면, VCO 출력 신호 주파수는 증가한다. 제어기(110)가 VCO 출력으로부터 스위치 신호를 발생하고 소스 전압(106)의 함수로서 출력 전력을 조정한다. 대기 모드에서는, 어떠한 전류 또는 전압 궤환도 사용되지 않는다.
이러한 예시적인 전원 장치(100)는 실행 모드 및 대기 모드에서 전력 손실을 최소화시킨다. 일단 제어기(110)가 동작하기 시작하면 시동 회로(104)를 디스에이블링함으로써 실행 모드와 대기 모드 모두에서 회로(104) 내의 전력 손실을 감소시킨다. 마찬가지로, 대기 모드에서 궤환 제어를 디스에이블시킴으로써 주 전원 스위치 내에서의 스위칭 손실이 감소되고, 라인 전압에 연동되어 출력 전력이 조정된다. 대기 모드에서 VCO 작동은 전형적인 궤환 제어 작동에 비해 전력 손실을 상당히 감소시킨다.
도 1의 토플로지, 장치 및 기능 블록은 단지 예시적인 것이고 본 발명의 원리에 따른 적은 전력 손실은 다양한 전원 장치에서 사용될 수 있다. 예컨데, 시동 회로 디스에이블링 하는 것과 궤환을 디스에이블시키고 VCO 제어를 하는 것은 소프트 스위칭 전원 장치, 공진 모드 전원 장치(resonant mode power supplies), 가변 펄스폭 전원 장치(variable pulse width power supplies) 및 에너지 저장 장치의 스위칭에 의존하는 다른 전원 장치에서 구현될 수 있다. 유사하게, 에너지 저장 장치는 인덕터, 캐패시터 또는 전원 장치 응용에 적합한 임의의 에너지 저장 장치를 포함할 수 있으며, 발진기(108), UVLO(112) 및 모드 검출 회로(114)와 같은 기능이 제어기(110) 내에서 구현될 수 있다.
도 2는, 본 발명의 원리에 따른 시동 회로(200)를 도시한다. 이 회로(200)는 고정된 시간 동안 또는 제어기(110) 내의 기준 전압이 안정화될 때 까지 도 1의 제어기(110)에 전력을 공급한다. 회로(200)는 디스에이블 스위치 트랜지스터(220), 시동 스위치 트랜지스터(210), 제너 다이오드(218), 입력 캐패시터(204), 시동 저항(208), 시동 캐패시터(214), 소스 저항(206), 블록킹 다이오드(216)를 포함한다. 전원 시동 시퀀스에서, 전압원(202)은 시동 회로(200)에 전력을 인가하고, 시동 스위치 트랜지스터(210)의 게이트 전압은 제너 다이오드(218) 항복 전압이다. 이런 예시적인 회로에서, 트랜지스터(210)는 FET형이다. FET(210)의 게이트가 제너 전압일 때 FET(210)는 온 상태이고, 전압원(202)은 시동 저항(208)을 통해 시동 캐패시터(214)를 충전하기 시작한다. 전력은 인턱터(212)로부터 제어기(도시하지 않음)로 전달되며, 블록킹 다이오드(216)를 통하여 방전된다.
디스에이블 스위치 트랜지스터(220)이 턴 온될 때 시동 시퀀스는 종결되고, 이는 정상적인 동작에서 기준 및 바이어스 전압이 안정화되고 제어기가 인에이블될 때 일어난다. 도 1의 예에서, UVLO 회로(112)는 기준 및 바이어스 전압을 감지하고 제어기(110)를 인에이블시킨다. 동일한 신호(또는 유사한 신호)가 트랜지스터(220)를 턴 온시키는데 사용될 수 있다. 이러한 스위칭 동작은 제너 다이오드(218)를 전기적으로 바이패스하고, FET(210)를 턴 오프시킨다. 어떠한 전류도 FET(210)의 소스 및 드레인을 통하여 흐르지 않으며, 따라서 시동 저항(208)은 회로로부터 디스에이블된다. 이렇게 함으로써 전력을 거의 또는 전혀 손실시키지 않는다. 더욱 전력 손실을 감소시키기 위하여, 소스 저항(206)을 (수 ㏁ 정도로) 크게 선택하여 일단 제어기가 인에이블게 되면 전류 흐름을 매우 적게 한다. 트랜지스터(220)가 턴 온되지 않게 되면 (제어기가 인에이블되지 못함) 시동 저항(208)과 시동 캐패시터(214)의 RC 시상수(RC time constant)가 만료될 때 시동 회로가 종결되게 된다.
도 1의 회로에 사용하기 위한 예시적인 가변 주파수를 도 3에 도시한다. 이 회로(300)는 입력단과 발진단으로 이루어진다. 입력단은 입력 캐패시터(304), 전압 분배기를 구성하는 두 개의 저항(306, 308), 증폭기(312)를 포함한다. 발진단은 입력단의 증폭기(312)에 의하여 구동되는 VCO(314)이다. 주파수 저항(322) 및 주파수 캐패시터(324)는 발진 주파수에 대한 시상수를 설정하고, 증폭기(312)의 차분 전압은 VCO 주파수를 변경시킨다.
작동은 다음과 같이 이루어진다. 전압원(302)(정류된 라인 전압)은 입력 캐패시터(304)에 의해 필터링되고 R1(306) 및 R2(308)에 분배된다. 분배된 전압은 증폭기(312)의 반전 입력단(313)으로 인가된다. 비반전 입력단(315)은 바이어스(310)에 연결되어 있다. 차분은 VCO 출력 주파수를 설정하고, 이는 (329)에 램프 신호를 출력한다. VCO 출력(329) 및 기준 전압(330)과 결합된 비교기(328)는 도 1의 스위치(126)와 같은 전원 스위치를 구동하기 위한 가변 주파수인 고정 펄스 폭 신호를 (332)로 제공한다.
이 회로(300)는 대기 동작 모드에서 인에이블된다. 대기 모드에서, 요구되는 출력이, 예를 들어 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러로 공급된다. 텔레비젼과 같은 응용 분야에서는, 전압 및 전력 요구 조건은 대기 모드에서 3W 미만의 전력에서 5V 미만일 수 있다. 대기 모드에서의 스위치 신호는 라인 전압에 반비례하는 주파수를 갖는 고정 펄스 폭 신호이기 때문에, 출력은 IC 및 다른 저전력 장치에 전력을 공급하기에 충분하게 조정된다. 제어기가 출력 전압을 제어하기 위하여 궤환을 사용하지 않기 때문에 전력 손실은 감소되고, VCO로 제어된 동작은 주 전원 스위치 내의 스위칭 손실을 감소시킨다.
도 4는 도 1의 전원 장치(100)와 함께 사용될 수 있는 예시적인 대기 모드 검출기 회로(400)를 도시한다. 회로(400)는 궤환 전압(406)을 기준 전압(404)에 비교하기 위한 비교기(402)를 갖는다. 비교기(402)는 RS 플립-플롭(416)의 S 입력단(420)에 연결된 비교기(410) 및 플립-플롭(416)의 R 입력단(422)에 연결된 비교기(412)로 출력한다. 궤환 신호(406)가 전원 장치 출력 전압이 소정 임계값을 초과하는 것을 나타낼 때, 플립-플롭(416)은 (418)에 신호를 출력하여 제어기(110)가 대기 모드에서 동작하도록 한다. 이 모드에서, 도 1의 전원 장치에서 도시한 가변 주파수 발진기(108)는 스위칭 주파수를 제어한다. 플립-플롭(416) 출력이 낮은 경우, 스위칭 주파수는 PWM 제어에 의해 고정된다.
본 발명은 본 명세서에 포함된 본 발명을 예시하고 기술한 형식에 의해 제한되지 않는다. 당업자라면, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변화가 만들어질 수도 있으며, 본 발명이 명세서에서 기술하고 도면에 도시한 것에 제한되는 것으로 해석해서는 안된다는 것을 명백히 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 당분야에 알려wu 있는 바와 같이, 스위칭 MOSFETS 내의 기생 캐패시턴스에 의한 노이즈는 블랭킹(blanking) 펄스를 사용하여 감소시킬 수 있다. 궤환 기법이 디스에이블되기 때문에, 다양한 유형의 전원 장치에서 라인 전압의 함수로 가변 주파수 제어를 할 수도 있다. 마찬가지로, 시동 회로 내의 전력 손실 장치를 디스에이블시키는 데, 다른 장치 및 스위치 기법이 사용될 수 있다. 본 발명을 벗어남이 없이 전원 장치 내에서 이러한 부가 또는 변경 및 다른 부가 또는 변경이 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 시동 회로를 디스에이블링시키고, 궤환 신호와 무관하게 가변 주파수 동작을 구현시킴으로써 대기 모드에서 저전력 손실을 달성할 수 있는 효과가 있다.
Claims (21)
- 스위치형 전원 장치(switched power supply)에 있어서,상기 전원 장치가 실행 모드에 있을 때는 궤환 제어를 제공하고 상기 전원 장치가 대기 모드에 있을 때는 궤환 비의존 제어를 제공하는 제어기와,상기 대기 모드 또는 상기 실행 모드 중 적어도 하나를 선택하는 모드 검출 회로를 포함하는 스위치형 전원 장치.
- 제 1 항에 있어서,입력 전압에 응답하여 프로그램 가능 시간 동안 상기 제어기에 전력 공급이 가능한 시동 회로와,상기 궤환 제어가 인에이블될 때 상기 시동 회로를 디스에이블시키는 디스에이블 회로와,상기 입력 전압에 응답하여 상기 전원 장치가 상기 대기 모드에 있을 때 상기 제어기로 스위칭 신호를 제공하기 위한 상기 입력 전압에 응답하는 가변 주파수 발진기를 더 포함하는 스위치형 전원 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전원 장치가 하드 스위칭 전원 장치, 소프트 스위칭 전원 장치 및 공진 모드 전원 장치를 포함하는 그룹으로부터 선택된 것 중의 하나인 스위치형 전원 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제어기가 전류 모드 제어기인 스위치형 전원 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제어기가 전압 모드 제어기인 스위치형 전원 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 디스에이블 회로가적어도 3개의 단자를 갖고 제 1 신호에 응답하되, 상기 제 1 신호가 임계치에 있을 때 제 1 단자 및 제 2 단자는 도통하며, 상기 제 1 신호가 임계값 미만일 때 상기 제 2 단자 및 제 3 단자가 도통하는 제 1 스위치와,상기 제 1 신호를 임계값으로 유지하기 위한 임계 디바이스와,상기 입력 전압과 상기 제 1 단자사이에 직렬로 연결된 전력 소비 디바이스(power dissipating device)와,상기 궤환 제어가 인에이블될 때, 상기 임계 장치를 턴 오프하되, 상기 전력 소비 디바이스가 디스에이블되는 제 2 스위치를 포함하는 스위치형 전원 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 전력 소비 디바이스가 시동 저항이고, 상기 회로가 상기 제 2 단자에 직렬로 연결된 캐패시터를 더 포함하되, 상기 시동 저항 및 상기 캐패시터가 상기 프로그램 가능 시간을 제공하는 스위치형 전원 장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 입력 전압에 응답하여 전원 장치 시동 중에 상기 제어기에 전력을 전달하는 에너지 저장 장치를 더 포함하는 스위치형 전원 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 에너지 저장 장치가 인덕터인 스위치형 전원 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 가변 주파수 발진기가 상기 입력 전압에 반비례하는 주파수로 상기 스위칭 신호를 제공하는 전압 제어 발진기인 스위치형 전원 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 모드 검출 회로가기준 전압 및 궤환 신호에 응답하는 제 1 비교기와,상기 제 1 비교기의 출력에 연결된 반전 입력단 및 기준에 연결된 비반전 입력단을 갖는 제 2 비교기와,상기 제 1 비교기의 상기 출력에 연결된 비반전 입력단 및 기준 전압에 연결된 반전 입력단을 갖는 제 3 비교기와,R 입력단 및 S 입력단을 갖되, 상기 S 입력단은 상기 제 2 비교기의 출력에 연결되고 상기 R 입력단은 상기 제 3 비교기의 출력에 연결되는 스위치형 전원 장치.
- 제 1 항에 따른 전원 장치를 포함하는 전자 장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 전자 장치가 텔레비젼, 모니터, 컴퓨터, 전화 및 오디오 기기를 포함하는 그룹으로부터 선택된 것 중의 하나인 전자 장치.
- 스위치 신호를 제어하기 위한 제어기를 갖는 스위칭 전원 장치 작동 방법에 있어서,프로그램 가능 시간 동안 시동 회로로부터 상기 제어기에 전력을 공급하는 단계와,출력 제어가 인에이블할 때 상기 시동 회로를 디스에이블하는 단계를 포함하는 스위칭 전원 장치 작동 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 방법은:요구된 출력이 임계치보다 작을 때 대기 모드를 선택하는 단계와,상기 대기 모드가 선택되었을 때 입력 전압에 반비례하게 스위칭 주파수를 변경시키는 단계를 더 구비하는 스위칭 전원 장치 작동 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 시동 회로를 디스에이블링하는 상기 단계는:시동 저항 및 시동 캐패시터로 상기 프로그램 가능 시간을 설정하는 단계와,상기 출력 제어가 인에이블할 때 상기 시동 저항을 전기적으로 바이패싱하는 단계를 포함하는 스위칭 전원 장치 작동 방법.
- 제 15 항에 있어서, 스위칭 주파수를 변경시키는 상기 단계는:궤환 제어를 디스에이블링하는 단계와,입력 전압으로 발진기를 제어하는 단계를 포함하되, 상기 발진기는 상기 제어기가 상기 스위칭 주파수를 설정하도록 동작하는 스위칭 전원 장치 작동 방법.
- 상기 14 항에 있어서,상기 제어기가 전압 모드 제어기인 스위칭 전원 장치 작동 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 제어기가 전류 모드 제어기인 스위칭 전원 장치 작동 방법.
- 상기 19 항에 있어서,상기 전원 장치가 하드 스위칭 전원 장치인 스위칭 전원 장치 작동 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 전원 장치가 소프트 스위칭 전원 장치인 스위칭 전원 장치 작동 방법.
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