KR20060024289A - 듀티 선택 제어 기능을 갖는 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 - Google Patents

듀티 선택 제어 기능을 갖는 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 Download PDF

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KR20060024289A
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Abstract

본 발명은 DC-DC 컨버터에서, PWM(Pulse Width Modulation) 방식에 의해 전압 승압중, 부하의 변동에 따라 서로 다른 듀티비에 기초해서 승압을 제어하도록 구현한 듀티 선택 제어기능을 갖는 DC-DC 컨버터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 DC-DC 컨버터는, 입력전압(Vin)을 PWM신호에 따라 사전에 설정된 전압으로 승압하는 승압회로부(110); 상기 승압회로부(110)의 출력전압을 검출하여 피드백전압을 출력하는 피드백 제어부(120); 상기 피드백 제어부(120)로부터의 피드백 전압(Vfd)에 따라 클럭신호의 듀티비를 제어하여 상기 승압회로부(11)로 제공하는 PWM 제어부(130); 및 상기 클럭신호를 분주 및 논리 연산하여 서로 다른 듀티비를 갖는 제1, 제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)로 생성하고, 상기 피드백 제어부(130)의 피드백 전압(Vfd)값에 따라 상기 제1, 제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)중 하나를 선택하여 상기 PWM 제어부(130)에 공급하는 듀티 선택 제어부(140)를 포함한다.
이러한 본 발명에 의하면, 구동 초기 단계에서 발생되는 오동작을 방지할 수 있고, 또한, 신속한 응답 특성을 획득할 수 있는 효과가 있다.
DC-DC 컨버터, 부스트 컨버터, 스텝업(step-up) 컨버터, PWM 제어, 듀티 제어, 듀티 선택

Description

듀티 선택 제어 기능을 갖는 ＤＣ-ＤＣ 컨버터{DC-DC CONVERTER WITH DUTY-SELECTION CONTROL FUNCTION}
도 1은 종래의 DC-DC 컨버터의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 듀티 제어부의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 듀티 조정부의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 듀티 조정부의 신호 파형도이다.
도 6은 본 발명의 신호 파형도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 승압회로부 120 : 피드백 제어부
130 : PWM 제어부 140 : 듀티 선택 제어부
141 : 전압분배부 142 : 비교부
143 : 듀티 조정부 144 : 스위칭부
Vin : 입력전압 Vout : 출력전압
Vfd : 피드백 전압 Sclk : 클럭신호
Sclk1,Sclk2 : 제1, 제2 클럭신호 Va : 검출전압
Vb : 기준전압
본 발명은 SMPS(Switching Mode Power Supply) 등의 전원장치에 적용되는 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 특히 DC-DC 컨버터에서, PWM(Pulse Width Modulation) 방식에 의해 전압 승압중, 부하의 변동에 따라 서로 다른 듀티비에 기초해서 승압을 제어하도록 구현함으로써, 구동 초기 단계에서 발생되는 오동작을 방지할 수 있고, 또한, 신속한 응답 특성을 획득할 수 있는 듀티 선택 제어기능을 갖는 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로, DC-DC 컨버터는 직류전압을 감압 또는 승압하여 원하는 직류전압으로 변환하는데, 이러한 DC-DC 컨버터에는 벅 컨버터(buck converter)와 부스트 컨버터(boost converter)가 있다. 상기 벅 컨버터(buck converter)는 감압(step down) 컨버터로서, 높은 직류전압을 상대적으로 낮은 직류전압을 변환하는 컨버터이고, 상기 부스트 컨버터(boost converter)는 승압(step up) 컨버터로서, 낮은 직류전압을 상대적으로 높은 직류전압을 변환하는 컨버터이다.
한편, 상기 부스트 컨버터는 저전압을 사용하는 핸드폰 등의 배터리(Battery)의 전압을 고전압으로 승압하는 DC-DC 컨버터로서 적용된다.
이와 같은 종래의 DC-DC 컨버터중의 하나를 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 DC-DC 컨버터의 구성도이다.
도 1에 도시된 종래의 DC-DC 컨버터는 배터리 등의 입력전압(Vin)을 승압하는 승압회로부(11)와, 상기 승압회로부(11)의 출력전압을 검출하여 피드백전압을 출력하는 피드백 제어부(12)와, 상기 피드백 제어부(12)로부터의 피드백 전압(Vfd)에 따라 클럭신호(Sclk)의 듀티비를 제어하여 상기 승압회로부(11)로 제공하는 PWM 제어부(13)를 포함한다.
상기 승압회로부(11)는 일반적인 부스터 컨버터 회로로서, 코일(L1), 다이오드(D1), 커패시터(C1) 및 스위칭 소자(Q1)를 포함하고 있다.
그런데, 이러한 종래의 DC-DC 컨버터에서는, 초기 구동시 배터리 등의 대략 2.5V~5V 낮은 입력전압(Vin)을 급격히 30V 이상의 높은 출력전압(Vout)으로 승압시키는 경우, 과전류의 유입 및 시스템 불안정으로 인한 오동작이 초래되는 문제점이 있다.
또한, 높은 전압으로의 승압시, 너무 지나치게 승압 타임을 느리게 하면, 응 답이 느리고 로드 레규레이션이 좋지 않은 현상이 발생하는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은 DC-DC 컨버터에서, PWM 방식에 의해 전압 승압중, 부하의 변동에 따라 서로 다른 듀티비에 기초해서 승압을 제어하도록 구현함으로써, 구동 초기 단계에서 발생되는 오동작을 방지할 수 있고, 또한, 신속한 응답 특성을 획득할 수 있는 듀티 선택 제어기능을 갖는 DC-DC 컨버터를 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 DC-DC 컨버터는,
입력전압을 PWM신호에 따라 사전에 설정된 전압으로 승압하는 승압회로부;
상기 승압회로부의 출력전압을 검출하여 피드백전압을 출력하는 피드백 제어부;
상기 피드백 제어부로부터의 피드백 전압에 따라 클럭신호의 듀티비를 제어하여 상기 승압회로부로 제공하는 PWM 제어부; 및
상기 클럭신호를 분주 및 논리 연산하여 서로 다른 듀티비를 갖는 제1, 제2 클럭신호로 생성하고, 상기 피드백 제어부의 피드백 전압값에 따라 상기 제1, 제2 클럭신호중 하나를 선택하여 상기 PWM 제어부에 공급하는 듀티 선택 제어부
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터는 입력전압(Vin)을 PWM신호에 따라 사전에 설정된 전압으로 승압하는 승압회로부(110)와, 상기 승압회로부(110)의 출력전압을 검출하여 피드백전압을 출력하는 피드백 제어부(120)와, 상기 피드백 제어부(120)로부터의 피드백 전압(Vfd)에 따라 클럭신호의 듀티비를 제어하여 상기 승압회로부(11)로 제공하는 PWM 제어부(130)와, 상기 클럭신호를 분주 및 논리 연산하여 서로 다른 듀티비를 갖는 제1, 제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)로 생성하고, 상기 피드백 제어부(130)의 피드백 전압(Vfd)값에 따라 상기 제1, 제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)중 하나를 선택하여 상기 PWM 제어부(130)에 공급하는 듀티 선택 제어부(140)를 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 듀티 제어부의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 상기 듀티 선택제어부(140)는 상기 피드백 제어부(130)로부터의 피드백 전압(Vfd)을 사전에 설정된 검출전압(Va)으로 분배하는 전압분배부 (141)와, 상기 전압분배부(141)에 의한 검출전압(Va)과 사전에 설정된 기준전압(Vb)을 비교하여 구동초기인지의 여부를 판단하는 비교부(142)와, 입력되는 클럭신호(Sclk)를 사전에 설정된 분주비로 분주하여 서로 다른 듀티비를 갖는 제1,제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)를 제공하는 듀티 조정부(143)와, 상기 비교부(142)의 비교결과 신호(Sc)에 따라 상기 듀티 조정부(143)로부터의 제1,제2 클럭신호중 하나의 클럭신호를 선택하여 상기 PWM 제어부(130)로 출력하는 스위칭부(144)를 포함한다.
상기 제1 클럭신호(Sclk1)는 제2 클럭신호(Sclk2)보다 상대적으로 낮은 듀티비를 갖도록 하며, 예를 들어, 상기 듀티 조정부(143)의 제1 클럭신호(Sclk1)는 대략 50% 듀티비를 갖으며, 상기 제2 클럭신호(Sclk2)는 대략 80% 듀티비를 갖도록 이루어질 수 있으며, 이러한 듀티비는 적용되는 시스템에 적합하도록 달라질 수 잇다.
상기 스위칭부(144)는 상기 비교부(142)의 비교결과 신호(Sc)에 따라, 상기 검출전압(Va)이 기준전압(Vb)보다 낮을 경우에는 낮은 듀티비를 갖는 제1 클럭신호(Sclk1)를 선택하고, 상기 검출전압(Va)이 기준전압(Vb)보다 높을 경우에는 높은 듀티비를 갖는 제2 클럭신호(Sclk2)를 선택하도록 이루어진다.
도 4는 본 발명의 듀티 조정부의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 상기 듀티 조정부(143)는 상기 클럭신호(Sclk)를 2분주 및 4분주하여 2분주된 클럭신호(Sclk/2) 및 4분주된 클럭신호(Sclk/4)를 각각 출력하고, 상기 4분주된 클럭신호(Sclk/4)를 제1 클럭신호(Sclk1)로 출력하는 분주기(143A)와, 상기 클럭신호(Sclk)와, 상기 분주기(143A)로부터의 2분주된 클럭신호(Sclk/2) 및 4분주된 클럭신호(Sclk/4)를 부정논리곱 연산하여 부정논리곱 연산기(143B)를 포함한다.
도 5는 본 발명의 듀티 조정부의 신호 파형도이다.
도 5에서, Sclk는 입력되는 클럭신호이고, Sclk/2는 입력 클럭신호가 2분주된 클럭신호이고, Sclk/4는 입력 클럭신호가 4분주된 클럭신호이고, Sclk1은 상기 4분주된 클럭신호와 동일한 신호로 제1 클럭신호이고, Sclk2는 상기 제2 듀티비를 갖는 클럭신호이다.
도 6은 본 발명의 출력 동작 파형도이다.
도 6에서, Va는 검출신호이고, Vb는 기준전압이고, Sc는 비교부의 출력신호이고, Sclk는 클럭신호이고, Sclk1 및 Sclk2는 제1 및 제2 클럭신호이며, V1은 제1 클럭신호에 의한 출력전압이고, V2는 제2 클럭신호에 의한 출력전압이며, Vout는 본 발명에 의한 출력전압이다.
여기서, 도면중 미설명부호인 Cin은 전원을 리플을 제거하기 위한 전원용 커패시터이다.
이하, 본 발명의 작용 및 효과를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 DC-DC 컨버터에서, 승압회로부(110)는 배터리 등의 대략 2.5V~5V 범위에 포함되는 입력전압(Vin)을 PWM신호에 따라 사전에 설정된 전압, 예를 들어 대략 30V 정도의 전압(Vout)으로 승압하여 출력한다.
이러한 과정에서, 상기 출력전압(Vout)을 원하는 전압으로 유지시켜 출력하기 위해서 피드백 제어부(120)가 필요하고, 이 피드백 제어부(120)는 상기 승압회로부(110)의 출력전압을 검출하여 피드백전압(Vfd)을 PWM 제어부(130)로 출력한다.
상기 PWM 제어부(130)는 상기 피드백 제어부(120)로부터의 피드백 전압(Vfd)에 따라 클럭신호의 듀티비를 제어하여 상기 승압회로부(11)로 PWM 신호를 제공하는데, 예를 들어, 상기 피드백 전압(Vfd)이 사전에 설정된 내부 기준전압보다 높을 경우에는 그 차 전압에 따라 듀티비를 낮추어 PWM 신호를 제공하고, 이에 반해 상기 피드백 전압(Vfd)이 사전에 설정된 내부 기준전압보다 낮을 경우에는 그 차 전압에 따라 듀티비를 높여 PWM 신호를 제공한다.
한편, 상기와 같은 동작을 수행하는 DC-DC 컨버터는 대략 3V 정도의 낮은 입력전압을 대략 30V 정도의 높은 출력전압으로 승압하는데, 도 6의 V2와 같이 초기 구동시에 대략 3V 정도의 낮은 입력전압을 대략 30V 정도의 높은 출력전압으로 갑 자기 승압하는 경우에는, 과전류의 유입 및 시스템 불안정하게 되므로 초기 구동시에는 승압을 서서히 진행시켜야 한다.
또한, 도 6의 V1과 같이 목표로 하는 출력전압까지 승압할 때까지 서서히 승압을 진행하면, 응답시간이 너무 느려서 로드 레규레이션이 좋지 않게 되므로 초기 구동 이후에는 승압을 신속히 진행시켜야 한다.
이러한 상황을 감안해서, 본 발명의 듀티 선택 제어부(140)에서 초기 구동시에는 낮은 듀티비를 갖는 제1 클럭신호(Sclk1)로 구동을 제어하고, 초기 구동이후에는 보다 높은 듀티비를 갖는 제2 클럭신호(Sclk2)로 구동을 제어하여, 종래 DC-DC 컨버터에서 발생되는 문제점을 해결하였다.
도 2를 참조하면, 상기 듀티 선택 제어부(140)는 상기 클럭신호를 분주 및 논리 연산하여 서로 다른 듀티비를 갖는 제1, 제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)로 생성하고, 상기 피드백 제어부(130)의 피드백 전압(Vfd)값에 따라 상기 제1, 제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)중 하나를 선택하여 상기 PWM 제어부(130)로 출력한다.
도 2 및 도 3을 참조하여 상기 듀티 선택 제어부(140)의 구체적인 동작을 설명한다.
도 3에서, 상기 듀티 선택제어부(140)의 전압분배부(141)는 상기 피드백 제 어부(130)로부터의 피드백 전압(Vfd)을 사전에 설정된 검출전압(Va)으로 분배하는데, 여기서, 상기 전압분배부(141)는 복수의 저항으로 이루어져, 상기 피드백 전압(Vfd)의 분배비가 사전에 적절히 설정된다. 예를 들어, 초기 구동시에는 상기 검출전압(Va)이 하기 비교부(142)의 기준전압(Vb)보다 낮게 설정되고, 초기 구동 이후에는 상기 검출전압(Va)이 하기 비교부(142)의 기준전압(Vb)보다 높도록 상기 전압 분배비가 설정된다.
그 다음, 상기 듀티 선택제어부(140)의 비교부(142)는 상기 전압분배부(141)에 의한 검출전압(Va)과 사전에 설정된 기준전압(Vb)을 비교하여 구동초기인지의 여부를 판단하여 비교결과 신호(Sc)를 출력한다. 예를 들어, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 검출전압(Va)이 기준전압(Vb)보다 낮을 경우에는 로우레벨을 출력하고, 이에 반해 상기 검출전압(Va)이 기준전압(Vb)보다 높을 경우에는 하이레벨을 출력한다.
그리고, 상기 듀티 선택제어부(140)의 듀티 조정부(143)는 입력되는 클럭신호를 사전에 설정된 서로 다른 분주비로 분주하고 이 분주된 클럭신호를 논리 연산하여 서로 다른 듀티비를 갖는 제1,제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)를 제공한다.
여기서, 상기 제1 클럭신호(Sclk1)는 제2 클럭신호(Sclk2)보다 상대적으로 낮은 듀티비를 갖는데, 예를 들어, 상기 듀티 조정부(143)의 제1 클럭신호(Sclk1)는 대략 50% 듀티비를 갖으며, 상기 제2 클럭신호(Sclk2)는 대략 80%~90% 범위내의 듀티비를 갖도록 이루어질 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 듀티 조정부(143)의 분주기(143A)는 대략 19.2MHz 정도인 클럭신호(Sclk)를 2분주 및 4분주하여 2분주된 클럭신호(Sclk/2) 및 4분주된 클럭신호(Sclk/4)를 각각 출력하고, 상기 4분주된 클럭신호(Sclk/4)를 도 5에 도시한 바와 같이 거의 50%의 듀티비를 갖는 제1 클럭신호(Sclk1)로 출력한다.
그리고, 상기 듀티 조정부(143)의 부정논리곱 연산기(143B)는 상기 클럭신호(Sclk)와, 상기 분주기(143A)로부터의 2분주된 클럭신호(Sclk/2) 및 4분주된 클럭신호(Sclk/4)를 부정논리곱 연산하여 도 5에 도시한 바와 같은 거의 88%의 듀티비를 갖는 제2 클럭신호(Sclk2)를 출력한다.
상기 듀티 선택제어부(140)의 스위칭부(144)는 상기 비교부(142)의 비교결과 신호(Sc)에 따라 상기 듀티 조정부(143)로부터의 제1,제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)중 하나의 클럭신호를 선택하여 상기 PWM 제어부(130)로 출력하는데, 예를 들어, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 스위칭부(144)는 상기 비교부(142)의 비교결과 신호(Sc)에 따라, 상기 검출전압(Va)이 기준전압(Vb)보다 낮을 경우에는 낮은 듀티비를 갖는 제1 클럭신호(Sclk1)를 선택하고, 상기 검출전압(Va)이 기준전압(Vb)보다 높을 경우에는 높은 듀티비를 갖는 제2 클럭신호(Sclk2)를 선택하여 상기 PWM 제어부(130)로 출력한다.
이와 같이, 도 5에 도시한 바와 같이, 검출전압(Va)이 기준전압(Vb)보다 낮은 초기 구동시에는 낮은 듀티비에 기초해서 승압을 제어하고, 검출전압(Va)이 기준전압(Vb)보다 이 높은 초기 구동 이후에는 상대적으로 높은 듀티비에 기초해서 승압을 제어하여, 도 6에 도시한 바와 같은 출력전압(Vout)을 초기 구동시에는 안정적으로 서서히 승압시키고, 초기 구동 이후에는 보다 신속하게 목표로 하는 전압까지 승압시킬 수 있게 된다.
전술한 바와 같은 본 발명은, 저전압을 사용하는 핸드폰의 배터리 등에서 고전압을 만드는 DC-DC에서 적합한 방식으로, 급 승압시 높은 전류가 갑작스런 유입으로 인한 시스템의 불안정을 방지하여 오동작을 감소시킬 수 있고, 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 로드 레귤레이션(Load Regulation)의 안정화를 얻을 수 있고, 출력의 하이 전압으로 상승시 부하의 변화에 따라 응답 출력 듀티비를 자동제어가 가능하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, SMPS 등의 전원장치에 적용되는 DC-DC 컨버터에서, PWM 방식에 의해 전압 승압중, 부하의 변동에 따라 서로 다른 듀티비에 기초해서 승압을 제어하도록 구현함으로써, 구동 초기 단계에서 발생되는 오동작을 방지할 수 있고, 또한, 신속한 응답 특성을 획득할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 입력전압(Vin)을 PWM신호에 따라 사전에 설정된 전압으로 승압하는 승압회로부(110);
    상기 승압회로부(110)의 출력전압을 검출하여 피드백전압을 출력하는 피드백 제어부(120);
    상기 피드백 제어부(120)로부터의 피드백 전압(Vfd)에 따라 클럭신호의 듀티비를 제어하여 상기 승압회로부(11)로 제공하는 PWM 제어부(130); 및
    상기 클럭신호를 분주 및 논리 연산하여 서로 다른 듀티비를 갖는 제1, 제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)로 생성하고, 상기 피드백 제어부(130)의 피드백 전압(Vfd)값에 따라 상기 제1, 제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)중 하나를 선택하여 상기 PWM 제어부(130)에 공급하는 듀티 선택 제어부(140)
    를 포함하는 DC-DC 컨버터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 듀티 선택제어부(140)는
    상기 피드백 제어부(130)로부터의 피드백 전압(Vfd)을 사전에 설정된 검출전압(Va)으로 분배하는 전압분배부(141);
    상기 전압분배부(141)에 의한 검출전압(Va)과 사전에 설정된 기준전압(Vb)을 비교하여 구동초기인지의 여부를 판단하는 비교부(142);
    입력되는 클럭신호를 사전에 설정된 서로 다른 분주비로 분주하고 이 분주된 클럭신호를 논리 연산하여 서로 다른 듀티비를 갖는 제1,제2 클럭신호(Sclk1,Sclk2)를 제공하는 듀티 조정부(143); 및
    상기 비교부(142)의 비교결과 신호에 따라 상기 듀티 조정부(143)로부터의 제1,제2 클럭신호중 하나의 클럭신호를 선택하여 상기 PWM 제어부(130)로 출력하는 스위칭부(144)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 클럭신호(Sclk1)는
    제2 클럭신호(Sclk2)보다 상대적으로 낮은 듀티비를 갖도록 이루어진 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 스위칭부(144)는
    상기 비교부(142)의 비교결과로, 상기 검출전압(Va)이 기준전압(Vb)보다 낮을 경우에는 낮은 듀티비를 갖는 제1 클럭신호를 선택하고, 상기 검출전압(Va)이 기준전압(Vb)보다 높을 경우에는 높은 듀티비를 갖는 제2 클럭신호를 선택하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  5. 제2항에 있어서, 상기 듀티 조정부(143)의 제1 클럭신호(Sclk1)는
    대략 50% 듀티비를 갖으며,
    상기 제2 클럭신호(Sclk2)는
    대략 80%~90% 범위내의 듀티비를 갖도록 이루어진 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  6. 제2항에 있어서, 상기 듀티 조정부(143)는
    상기 클럭신호(Sclk)를 2분주 및 4분주하여 2분주된 클럭신호(Sclk/2) 및 4분주된 클럭신호(Sclk/4)를 각각 출력하고, 상기 4분주된 클럭신호(Sclk/4)를 제1 클럭신호(Sclk1)로 출력하는 분주기(143A); 및
    상기 클럭신호(Sclk)와, 상기 분주기(143A)로부터의 2분주된 클럭신호(Sclk/2) 및 4분주된 클럭신호(Sclk/4)를 부정논리곱 연산하여 부정논리곱 연산기(143B)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
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