KR20070031463A - Power delivery system - Google Patents
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Abstract
시스템이 개시된다. 이러한 시스템은, 부하, 부하에 연결된 전압 조정 회로, 전원, 전원에 연결되어 전원으로부터 하나 이상의 전압들을 수신하는 부하, 및 전원과 부하 사이에 연결된 디지털 버스를 포함한다. 이러한 디지털 버스는 부하로부터 전원으로 전력 소비 측정값들을 송신하고, 전원으로부터 부하로 전력 소비 측정값들을 송신한다.The system is disclosed. Such a system includes a load, a voltage regulation circuit connected to the load, a power source, a load connected to the power source to receive one or more voltages from the power source, and a digital bus connected between the power source and the load. This digital bus sends power consumption measurements from the load to the power supply and transmits power consumption measurements from the power supply to the load.
전력 전달 시스템, 디지털 버스, 전원, 부하 Power delivery system, digital bus, power, load
Description
<저작권 공지><Copyright Notice>
여기에 포함된 것은 저작권 보호를 받는 소재이다. 저작권 소유자는 특허 및 상표청 파일 또는 기록 그대로 임의의 사람들에 의한 특허 개시의 팩시밀리 복제에 대해서는 이의가 없으나, 그렇지 않으면 어떠한 저작권에 대해서도 모든 권리를 보유한다.Included here is the copyrighted material. The copyright owner has no objection to the facsimile copy of the patent disclosure by any person, as is the patent and trademark office files or records, but otherwise reserves all rights in any copyright.
<기술분야><Technology field>
본 발명은 컴퓨터 시스템에 관한 것이며; 보다 구체적으로, 본 발명은 컴퓨터 시스템과 같은 전력 감지 시스템으로 전력을 전달하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to a computer system; More specifically, the present invention relates to delivering power to a power sensing system such as a computer system.
<배경기술>Background
중앙 처리 장치들 (CPUs) 과 같은 집적 회로 소자들은 통상적으로 원거리에 위치한 전원에 의해 전력을 공급받는다. CPUs 의 전력 소비는 과도하게 높아지고 있고, 비용 효율이 높은 냉각 솔루션은 현재 물리적인 한계에 다다르고 있다. CPU 동작에 의한 열로 변환된 에너지를 성능으로 변형하는 것이 중요하다. 또한, 전원 기술이 한계에 다다르고 있고, 엄격한 허용 오차도 내의 전원 전압의 조정은 디커플링 (decoupling) 및 패키징 (packaging) 에 소비되는 보다 높은 비용을 수반한다. Integrated circuit elements such as central processing units (CPUs) are typically powered by remotely located power supplies. Power consumption of CPUs is excessively high, and cost-effective cooling solutions are currently reaching physical limits. It is important to transform the energy converted into heat by CPU operation into performance. In addition, power supply technologies are approaching their limits, and the adjustment of supply voltages within tight tolerances entails higher costs for decoupling and packaging.
<도면의 간단한 설명><Brief Description of Drawings>
본 발명은 예시의 방식으로 도시되며, 첨부된 도면의 도형에 한정되지 않으며, 동일한 부호는 동일한 요소를 나타낸다.The invention is shown by way of example and is not limited to the figures of the accompanying drawings, wherein like reference numerals represent like elements.
도 1 은 컴퓨터 시스템의 일 실시예의 블록도이다.1 is a block diagram of one embodiment of a computer system.
도 2 는 전압 부하에 연결된 예시적인 전원의 블록도이다.2 is a block diagram of an exemplary power source connected to a voltage load.
도 3 은 전압 부하에 연결된 전원의 다른 예시의 블록도이다.3 is a block diagram of another example of a power supply connected to a voltage load.
도 4 는 전압 부하에 연결된 전원의 또 다른 예시의 블록도이다.4 is a block diagram of another example of a power source connected to a voltage load.
도 5 는 전압 부하에 연결된 전원의 또 다른 예시의 블록도이다.5 is a block diagram of another example of a power source connected to a voltage load.
도 6 은 CPU 에 연결된 전압 조정 (regulator) 모듈의 일 실시예의 블록도이다.6 is a block diagram of one embodiment of a voltage regulator module coupled to a CPU.
도 7 은 CPU 에 연결된 전압 조정 모듈의 다른 실시예의 블록도이다.7 is a block diagram of another embodiment of a voltage regulation module coupled to a CPU.
도 8 은 CPU 에 연결된 전압 조정 모듈의 또 다른 실시예의 블록도이다.8 is a block diagram of another embodiment of a voltage regulation module coupled to a CPU.
도 9 는 디바이스의 일 실시예의 블록도이다.9 is a block diagram of one embodiment of a device.
도 10 은 전압 조정 모듈의 일 실시예의 블록도이다.10 is a block diagram of one embodiment of a voltage regulation module.
도 11 은 전압 조정 모듈의 다른 실시예의 블록도이다.11 is a block diagram of another embodiment of a voltage regulation module.
도 12 는 CPU 의 일 실시예의 블록도이다.12 is a block diagram of one embodiment of a CPU.
<발명의 상세한 설명><Detailed Description of the Invention>
일 실시예에 따라, 컴퓨터 시스템용 전력 전달 시스템을 설명한다. 전력 전달 시스템은 전원, 부하, 또는 양자 (both) 의 성능을 특징지워, 전압, 전류, 전력, 및 온도를 측정하고, 단방향 또는 양방향 디지털 버스를 통해 측정값을 공유한다. 일 실시예에서, 이러한 측정은 아날로그 신호를 센싱 및 샘플링하고, 이러 한 신호를 디지털 형태로 변환하고, 이러한 신호를 버스를 통해 송신할 적절한 형태로 인코딩함으로써 수행된다.According to one embodiment, a power delivery system for a computer system is described. Power delivery systems characterize the performance of a power supply, load, or both to measure voltage, current, power, and temperature, and share measurements over a unidirectional or bidirectional digital bus. In one embodiment, this measurement is performed by sensing and sampling the analog signal, converting the signal into digital form, and encoding the signal into a suitable form for transmission over the bus.
이러한 측정은 예를 들어, 조정기의 출력 (PWM, PFM, 등) 과 같은 전원에 이미 존재하는 디지털 제어 신호들을 모니터링함으로써 구현될 수도 있다. 이러한 제어 신호들은 전원의 충격 계수 (duty cycle) 및 스위칭 주파수에 대한 정보를 포함하고, 출력 전류, 전압 및 전력의 간접적인 측정을 허용한다. 또한, 부하에 이미 존재하는 기존 제어 신호들 (예를 들어, 프로세서의 클럭 주파수 또는 I/O 주파수) 이 부하에서의 전력 소비를 간접적으로 측정하는데 이용될 수도 있다. 전원의 출력 전력 또는 부하의 입력 전력에 대해 이렇게 공유된 정보는 전원, 부하, 또는 양자에 의해 이용되어, DC 및 과도적인 부하 조정, 전력 변환 효율, 배터리 수명 또는 시스템 성능의 다른 양태를 관리 및 최적화할 수 있다.Such measurement may be implemented by monitoring digital control signals already present at the power supply, for example, the output of the regulator (PWM, PFM, etc.). These control signals contain information about the duty cycle and switching frequency of the power supply and allow for indirect measurement of output current, voltage and power. In addition, existing control signals already present in the load (eg, the processor's clock frequency or I / O frequency) may be used to indirectly measure power consumption at the load. This shared information about the output power of the power supply or the input power of the load is used by the power supply, load, or both to manage and optimize DC and transient load regulation, power conversion efficiency, battery life or other aspects of system performance. can do.
이하의 본 발명의 상세한 설명에서, 다양한 구체적인 사항들이 본 발명의 충분한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 본 발명이 이러한 구체적인 사항들 없이도 실시될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 다른 예에서, 공지된 구조 및 디바이스들이 본 발명이 모호해지지 않도록 상세하기보다는 블록도 형태로 도시된다.In the following detailed description of the invention, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that the present invention may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form, rather than in detail, in order to avoid obscuring the present invention.
"일 실시예" 또는 "실시예" 라는 명세서 중 언급은 이러한 실시예와 연계되어 설명되는 소정의 특징, 구조, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 명세서의 다양한 위치에서 "일 실시예에서" 라는 문구의 출현은 반드시 동일한 실시예를 모두 언급하는 것은 아니다.Reference in the specification to “one embodiment” or “an embodiment” means that a given feature, structure, or characteristic described in connection with this embodiment is included in at least one embodiment of the present invention. The appearances of the phrase “in one embodiment” in various places in the specification are not necessarily all referring to the same embodiment.
도 1 은 컴퓨터 시스템 (100) 의 일 실시예의 블록도이다. 컴퓨터 시스템 (100) 은 버스 (105) 에 연결된 중앙 처리 장치 (CPU) (102) 를 포함한다. 일 실시예에서, CPU (102) 는 캘리포니아 산타클라라의 인텔사로부터 구입가능한 펜티엄®Ⅱ 프로세서 패밀리, 펜티엄®Ⅲ 프로세서들, 및 펜티엄®Ⅳ 프로세서들을 포함하는 프로세스들 중 펜티엄® 패밀리 프로세서이다. 또한, 다른 CPU 들이 이용될 수도 있다.1 is a block diagram of one embodiment of a
또한, 칩셋 (107) 이 버스 (105) 에 연결된다. 칩셋 (107) 은 메모리 제어 허브 (MCH) (110) 를 포함한다. MCH (110) 는 메인 시스템 메모리 (115) 에 연결되는 메모리 제어기 (112) 를 포함할 수도 있다. 메인 시스템 메모리 (115) 는 CPU (102) 또는 시스템 (100) 에 포함된 임의의 다른 디바이스에 의해 실행되는 명령의 시퀀스 및 데이터를 저장한다. 일 실시예에서, 메인 시스템 메모리 (115) 는 동적 랜덤 액세스 메모리 (DRAM) 를 포함하지만, 메인 시스템 메모리 (115) 는 다른 메모리 타입들을 이용하여 구현될 수도 있다. 또한, 다중 CPUs 및/또는 다중 시스템 메모리들과 같이, 추가적인 디바이스들이 버스 (105) 에 연결될 수도 있다.Also, a
또한, 칩셋 (107) 은 허브 인터페이스를 통해 MCH (110) 에 연결된 입력/출력 제어 허브 (ICH) (140) 를 포함한다. ICH (140) 는 컴퓨터 시스템 (100) 내의 입력/출력 (I/O) 디바이스들에게 인터페이스를 제공한다. ICH (140) 는 오레곤, 포틀랜드의 PCI Special Interest Group 에 의해 개발된 Specification Revision 2.1 버스에 부착된 주변 장치 연결부 (PCI: Peripheral Component Interconnect) 버스에 연결될 수도 있다.The
또한, 컴퓨터 시스템 (100) 은 CPU (102) 에 연결된 전압 조정 모듈 (VRM) 및 전원 (165) 을 포함한다. VRM (160) 은 조정된 전압 공급을 CPU (102) 에 제공한다. 일 실시예에서, 전원 (165), VRM (160), 및 CPU (102) 는 별개의 분리된 소자인데, 예를 들어 집적 회로 또는 인쇄된 회로 보드이다. 그러나, 다른 실시예들에서, 이러한 소자들은 동일한 IC 상에서 패키징, 본딩, 또는 제조함으로써 집적될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 전원 (165) 은 VRM (160) 의 구현없이 CPU (102) 에 직접 연결될 수도 있다.The
전술한 바와 같이, CPUs 의 전력 소비는 과도하게 높아지고 있다. 현재, 전력 소비의 효율을 증대시키고자 하는 다양한 메커니즘들이 존재한다. 예를 들어, 도 2 는 전압을 부하에 전달하는 종래의 전원, 또는 VRM 의 블록도이다. 이 예에서, 전원은 출력 전압의 조절을 수행한다. 전압이 소정의 제한 내일 경우에, 전원은 "전력 양호" 신호를 나타내어 부하가 동작하기에 안전함을 부하에 알린다. 따라서, 전력 양호 신호는 전원으로부터의 출력 전압이 안정적이라는 것을 나타낸다.As mentioned above, the power consumption of CPUs is excessively high. Currently, various mechanisms exist to increase the efficiency of power consumption. For example, FIG. 2 is a block diagram of a conventional power supply, or VRM, that delivers voltage to a load. In this example, the power supply performs the regulation of the output voltage. If the voltage is within certain limits, the power supply will signal a "power good" to inform the load that the load is safe to operate. Thus, the power good signal indicates that the output voltage from the power supply is stable.
도 3 은 전압을 부하에 전달하는 종래의 다른 전원의 블록도이다. 이 시스템에서, 부하는 병렬 디지털 버스를 통해 K-비트 이진 코드를 송신함으로써 원하는 출력 전압에 대하여 전원에 알린다. 이러한 버스를 통상적으로 VID 버스라 한다. 그 후, 전원은 디지털 코드에 상응하는 전압을 출력한다.3 is a block diagram of another conventional power supply for transferring voltage to a load. In this system, the load informs the power supply about the desired output voltage by transmitting a K-bit binary code through the parallel digital bus. Such a bus is commonly referred to as a VID bus. The power supply then outputs a voltage corresponding to the digital code.
도 4 는 또 다른 종래의 전력 전달 시스템의 블록도이다. 이러한 시스템에서 전원은 추가적인 라인들을 이용하여 부하 포인트에서의 출력 전압을 센싱한다. 전원은 부하에 접속된 전력 라인들상의 전압을 출력한다. 부하 전류가 변화하는 경우에, 부하 전류가 전력 라인들 상의 전압 하강을 유발하므로, 부하 포인트에서의 실제 전압은 전원의 출력 단자에서의 전압과 다를 수도 있다. 센스 라인들은 전류에 의해 상당히 부하가 걸리지는 않으므로, 전원은 그 출력 단자보다는 부하 포인트에서의 실제 전압을 정확하게 판정 및 조정할 수 있다. 이러한 센스 라인들은 부하 포인트에서의 출력 전압 및 전원의 센스 단자들을 직접 연결하는 와이어들이다.4 is a block diagram of another conventional power delivery system. In such a system, the power supply uses additional lines to sense the output voltage at the load point. The power supply outputs a voltage on power lines connected to the load. If the load current changes, the actual voltage at the load point may be different from the voltage at the output terminal of the power supply since the load current causes a voltage drop on the power lines. Since sense lines are not significantly loaded by current, the power supply can accurately determine and adjust the actual voltage at the load point rather than its output terminals. These sense lines are the wires that directly connect the output terminals at the load point and the sense terminals of the power supply.
도 5 는 또 다른 종래의 전력 전달 시스템의 블록도이다. 이러한 시스템에서, 전원은, 출력 전압 단자들 중 하나로부터 부하로 흐르는 출력 전류에 비례하는 아날로그 신호 (전압 또는 전류) 를 제공한다. 몇몇 경우에, 이러한 전원은 조정 목적용으로 내부적으로 신호를 이용할 수도 있다. 그러나, 잡음이 많은 환경에서 아날로그 신호를 전원으로부터 부하로 라우팅하는 것이 곤란할 수도 있다.5 is a block diagram of another conventional power delivery system. In such a system, the power supply provides an analog signal (voltage or current) that is proportional to the output current flowing from one of the output voltage terminals to the load. In some cases, this power supply may use the signal internally for adjustment purposes. However, it may be difficult to route the analog signal from the power supply to the load in a noisy environment.
어떠한 디바이스들 (예를 들어, 전원, VRM 또는 부하) 도 다른 디바이스들이 동작하는 방식을 판정할 수 없으므로, 현재 이용가능한, 전술한 모든 전력 전달 시스템들은 전력 소비를 효율적으로 관리할 수 없다. 따라서, 실제적인 전력 관리는 가능하지 않다. 일 실시예에 따르면, 전력 소비 측정값이 VRM (160) 과 CPU (102) 부하 사이에 교환된다. 이러한 측정값들을 교환함으로써 부하 전력 소비가 효율적으로 관리될 수도 있다.Since no devices (eg, power supply, VRM or load) can determine how other devices operate, all of the power delivery systems described above that are currently available cannot efficiently manage power consumption. Thus, actual power management is not possible. According to one embodiment, power consumption measurements are exchanged between the
도 6 은 디지털 버스 (610) 를 통해 CPU (102) 에 연결된 VRM (160) 의 일 실시예의 블록도이다. 본 실시예에서, CPU (102) 는 버스 (610) 를 통해 전력 소비 측정값들을 브로드캐스팅한다. 예를 들어, CPU (102) 는 부하 포인트에서의 전압들을 측정하고, 측정된 전압들을 디지털 신호로 변환하여, 이러한 신호를 VRM (160) 으로 송신한다. 일 실시예에서, 버스 (610) 는 병렬 원격 (telemetry) 버스이다. 그러나, 다른 실시예들에서, 버스 (610) 는 직렬 버스로서 구현될 수도 있다.6 is a block diagram of one embodiment of a
도 7 은 디지털 버스 (610) 를 통해 CPU (102) 에 연결된 VRM (160) 의 다른 실시예의 블록도이다. 본 실시예에서, 전력 소비 측정값들은 VRM (160) 에 의해 버스 (610) 를 통해 브로드캐스팅되고, CPU (102) 에서 수신된다. 예를 들어, VRM (610) 은 출력 전압 및 출력 전류, 또는 전력을 측정하고, 이러한 정보를 CPU (102) 에 송신한다.7 is a block diagram of another embodiment of a
도 8 은 디지털 버스 (610) 를 통해 CPU (102) 에 연결된 VRM (160) 의 또 다른 실시예의 블록도이다. 본 실시예에서, 전력 소비 측정값들의 양방향 교환이 VRM (160) 과 CPU (102) 사이에서 발생한다. 전력 소비 측정값들은 디지털로 인코딩된 입력 및 출력 전압들, 전류들, 전력, 및 VRM (160) 의 온도를 포함할 수도 있다. 또한, 이러한 측정값들은 입력 전압들, 전류들, 전력, 및 CPU (102) 의 온도를 포함할 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 정보는 이진 인코딩되고 이산된 값을 가질 수도 있다. 따라서, 신호의 진폭은 이산된 값을 가질 수도 있다. 예를 들어 2 개의 상이한 전압들은 논리 영 (zero) 및 일 (one) 을 나타내 는데 이용될 수 있다.8 is a block diagram of another embodiment of a
도 9 는 디바이스 (900) 의 일 실시예의 블록도이다. 디바이스 (900) 는 VRM (160) 또는 CPU (102) 로서 구현될 수도 있다. 전원 (165) 이 CPU (102) 에 직접 연결되는 실시예들에서, 디바이스 (900) 는 전원 (165) 에서 또한 구현될 수도 있다. 디바이스 (900) 는 아날로그-대-디지털 (A/D) 컨버터 (910), 인코더 (920) 및 인터페이스 (930) 를 포함한다.9 is a block diagram of one embodiment of a
본 실시예에서, 신호가 디지털 데이터 버스 (610) 를 통해 송신될 수 있도록, 전력 소비 측정값들은 A/D 컨버터 (910) 에 의해 디지털화된 아날로그 신호로부터 유도되고, 인코더 (920) 에 의해 인코딩되고, 인터페이스 (930) 에 의해 포맷된다. 다른 실시예에서, A/D 컨버터 (910) 는 병렬 또는 직렬 포맷 중 하나로 디지털 워드 (예를 들어, 이진 워드) 를 출력한다.In this embodiment, the power consumption measurements are derived from the analog signal digitized by the A /
다른 실시예들에서, 다른 디바이스들이 A/D 컨버터 (910) 대신 구현될 수도 있다. 예를 들어, 전압-대-주파수, 전류-대-주파수, 전압-대-시간, 또는 전류-대-시간 컨버터가 A/D 컨버터 (910) 대신 이용될 수 있다.In other embodiments, other devices may be implemented instead of the A /
도 10 은 아날로그 제어를 갖는 디바이스 (1000) 의 일 실시예의 블록도이다. 디바이스 (100) 는 VRM (160) 또는 전원 (165) 으로서 구현될 수도 있는데, 이러한 실시예들에서 전원 (165) 은 CPU (102) 에 직접 연결된다. 디바이스 (1000) 는 보상기 (compensator) (1010), 변조기 (1020), 인터페이스 (1030) 및 전력단 (power stage) (1040) 을 포함한다.10 is a block diagram of one embodiment of a
도 10 에 도시한 실시예에서, 디바이스 (1000) 는 스위칭 전원이다. 스위 칭 전원에서, 스위칭 디바이스들에 인가된 제어 신호는 본질적으로 디지털 (예를 들어, 스위치는 온 또는 오프 중 하나일 수 있다) 이다. 변조기 (1020) 는 제어 신호를 생성한다. 일 실시예에서, 변조기 (1020) 는 펄스-폭 변조기 (PWM) 이다. 그러나, 다른 실시예들에서, 변조기 (1020) 는 펄스-주파수 변조기 (PFM), 컨스턴트 온 타임 (constant on time) 또는 컨스턴트 오프 타임 (constant off time) 변조기 등일 수도 있다.In the embodiment shown in FIG. 10, the
변조기 (1020) 는 다양한 포인트들에서 전압들 및 전류들을 센싱하는 보상기 (1010) 로부터 수신된 에러 신호에 기초하여 제어 신호를 결정한다. 일 실시예에 따르면, 변조기 (1020) 에 의해 출력된 디지털 신호는 디지털 버스 (610) 를 통해 송신된다. 다양한 위상 (예를 들어, 플라이백 (flyback), 벅 (buck), 부스트 (boost) 등) 에 기초한 스위칭 전원들에서, 변조기 (1020) 로부터의 디지털 신호는 출력 전력에 대한 정보를 포함한다. 전술한 디바이스 (900) 에 비해, 디바이스 (1000) 는 명시적인 A/D 컨버터를 구현하지 않는다.
도 11 은 디지털 제어를 갖는 디바이스 (1100) 의 일 실시예의 블록도이다. 디바이스 (1100) 는 VRM (160) 또는 전원 (165) 으로서 구현될 수도 있는데, 이러한 실시예들에서 전원 (165) 은 CPU (102) 에 직접 연결된다. 디바이스 (1100) 는 A/D 컨버터 (1105), 보상기 (1110), 변조기 (1120), 인터페이스 (1130) 및 전력단 (1140) 을 포함한다. 본 실시예에서, 보상기 (1110) 및 변조기 (1120) 는 디지털이다. 따라서, A/D 컨버터 (1105) 이후의 임의의 신호는 전력 측정의 목적용으로 디지털 버스를 통해 송신된다.11 is a block diagram of one embodiment of a
도 12 는 CPU (102) 의 일 실시예의 블록도이다. CPU (102) 는 클럭 생성기 (1210), I/O 인터페이스 (1220), ALU (1225) 및 인터페이스 (1230) 를 포함한다. 이러한 디지털 블록들은 VRM (160) 또는 전원 (165) 으로부터 제공된 전압으로부터 전류를 끌어온다. CMOS 프로세스 및 다른 기술들에서, 전력 소비는 CPU (102) 부하의 스위칭 동작 또는 즉각적인 상태에 강하게 상관된다. 따라서, 예를 들어, 클럭 주파수, I/O 전송 활동, ALU (1225) 활동, 소정 상태에서의 I/O 비트들의 개수 등으로부터 유도된 디지털 신호들은 부하에 의해 소비되는 전력의 대략적이거나 정확한 추정을 허용하는 정보를 제공한다. 이러한 신호들은 전류 또는 전력 추정의 목적용으로 디지털 데이터 버스 (610) 를 통해 브로드캐스팅될 수 있다.12 is a block diagram of one embodiment of the
본 발명의 다수의 변경 및 수정이 전술한 설명을 읽은 당업자에게 의심할 여지없이 명백할 것이므로, 예시의 방식으로 설명되고 도시된 임의의 특정 실시예는 한정적인 것으로 의도되지 않았다. 따라서, 다양한 실시예의 상세한 언급은 청구범위를 한정하려고 한 것이 아니며, 청구범위 자체는 본 발명의 본질적인 것으로 고려되는 이러한 특징들만을 인용한다.As many variations and modifications of the present invention will undoubtedly be apparent to those skilled in the art upon reading the foregoing description, any particular embodiment described and illustrated by way of example is not intended to be limiting. Thus, the detailed description of various embodiments is not intended to limit the claims, which themselves themselves cite only those features that are considered essential to the present invention.
Claims (25)
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- 2005-07-29 KR KR1020077003796A patent/KR20070031463A/en not_active Application Discontinuation
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