TW202014051A - 具自動洩流電流控制之發光二極體照明系統 - Google Patents

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Abstract

發光二極體照明系統包含由整流交流電壓來驅動之發光單元和洩流電路。洩流電路包含電流源、調光偵測單元和調整單元。電流源依據控制訊號來提供洩流電流。調光偵測單元監控整流交流電壓，進而輸出相關於發光二極體照明系統之運作模式的調光偵測訊號。當調光偵測訊號對應至發光二極體照明系統在調光模式下運作時，調整單元依據調光偵測訊號來輸出控制訊號，以指示電流源來在第一時段內將洩流電流維持在第一值，且在第二時段內將洩流電流維持在第二值，其中第一值大於第二值，且第二時段接續第一時段。

Description

具自動洩流電流控制之發光二極體照明系統
本發明相關於一種發光二極體照明系統，尤指一種具自動洩流電流控制之發光二極體照明系統。
可調光發光二極體照明系統通常採用包含三端觸發交流(TRIAC)元件之調光開關來調節發光二極體(light emitting diode, LED)照明裝置之功率，使其僅會在整流交流電壓(rectified AC voltage)之特定週期發光。不同於雙極性電晶體(bipolar transistor, BJT) 和金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)等開關元件，三端觸發交流元件在被觸發後(當順向電流IF 超過栓鎖電流IL 時)會被鎖定在導通狀態，直到其順向電流IF 小於一最小保持電流IH 為止。因此，為了確保三端觸發交流元件維持在導通狀態，至少需要供應最小保持電流IH 至三端觸發交流元件。在導通後，LED負載會提供相當大的阻抗，使得輸入電流可能不足以將三端觸發交流元件鎖定在導通狀態。當流經三端觸發交流元件的電流低於最小保持電流IH 時，三端觸發交流元件會被重置而過早地關閉。因此，LED發光裝置在其發光週期會過早地被關閉，進而造成閃爍(flicker)或完全故障。
因此，可調光發光二極體照明系統通常會使用洩流(bleeder)電路來提供電壓管理所需的洩流電流，以及避免調光開關過早地關閉。然而，當發光二極體照明系統不需要調光功能時，不必要地供應洩流電流會增加系統功耗。
本發明提供一種發光二極體照明系統，其包含由一整流交流電壓來驅動之一發光單元，以及一洩流電路。該洩流電路包含一電流源、一調光偵測單元，以及一調整單元。該電流源用來依據一控制訊號來提供一洩流電流。該調光偵測單元用來監控該整流交流電壓，進而輸出相關於該發光二極體照明系統之運作模式的一調光偵測訊號。當該調光偵測訊號對應至該發光二極體照明系統在一調光模式下運作時，該調整單元用來依據該調光偵測訊號來輸出該控制訊號，以指示該電流源在一第一時段內將該洩流電流維持在一第一值，且在一第二時段內將該洩流電流維持在一第二值，其中該第一值大於該第二值，且該第二時段接續該第一時段。同時，該調整單元另用來依據該整流交流電壓之工作週期來調整該洩流電流和流經該發光單元之一發光二極體電流的加總。
第1圖為本發明實施例中一種具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統100的功能方塊圖。發光二極體照明系統100包含一電源供應電路110、一調光開關120、一整流電路130、一洩流電路140，以及一發光單元150。
電源供應電路110可提供一具正負週期之交流電壓VS，整流電路130可利用一橋式整流器來轉換交流電壓VS在負週期內之輸出電壓，因此可提供一整流交流電壓VAC 以驅動發光二極體照明系統100，其中整流交流電壓VAC 之值隨著時間而有週期性變化。然而，電源供應電路110和整流電路130之結構並不限定本發明之範疇。
發光單元150包含複數個發光裝置和一驅動器。每一發光裝置可包含一個發光二極體，或是複數個串接之發光二極體。每一發光二極體可為單介面發光二極體(single-junction LED)、多介面高壓發光二極體(multi-junction high-voltage LED)，或其它具類似功能之元件。然而，發光裝置之種類和組態並不限定本發明之範疇。
第2圖為本發明實施例中具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統100中調光開關120之示意圖。第3圖為本發明實施例中具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統100中調光開關120運作時之示意圖。調光開關120可相位調變電源供應電路110以調整整流交流電壓VAC 之責任週期，進而調整流經發光二極體照明系統100的系統電流ISYS 之責任週期，因此能控制發光單元150所提供之光輸出量(光強度)。當未啟動調光開關120之功能時，供給至整流電路130之電壓VDIM 其值和電源供應電路110提供之交流電壓VS相同；當啟動調光開關120之功能時，供給至整流電路130之電壓VDIM 是透過依據調光輸入訊號SDIMMER 相位調變整流交流電壓VAC 來提供。
在第2圖所示之實施例中，調光開關120為一相切(phase-cut)調光器，其包含一TRIAC元件22、一雙端觸發交流(DIAC)元件24、一可變電阻26，以及一電容28。TRIAC元件22和DIAC元件24為雙向切換元件，當開啟(被觸發)時能雙向導通電流。可變電阻26和電容28用來提供一觸發電壓VG ，其相對於交流電壓VS具有一電阻-電容(RC)延遲時間。如第3圖所示，在週期內的關閉時段TOFF 內，觸發電壓VG 之值尚不足以開啟TRIAC元件22，因此交流電壓VS並不會供應至整流電路130(VDIM =0)；在週期內的開啟時段TON 內，當觸發電壓VG 之值超過TRIAC元件22之臨界電壓時，TRIAC元件22會被開啟而傳導系統電流ISYS 。只要系統電流ISYS 之值維持在高於TRIAC元件22之最小保持電流之值，交流電壓VS即可被供應至整流電路130(電壓VDIM 之波形隨著整流交流電壓VAC 之波形而變化)。
在可調光發光二極體照明系統100中，調光開關120會依據接收到之調光輸入訊號SDIMMER 來決定針對電源供應電路110之交流電壓VS的調整量。在一些實施例中，調光輸入訊號SDIMMER 為類比訊號，可透過轉動開關、滑動開關，或任何能依據調整設定來提供一調整訊號之電性或機械式裝置來產生。在其它實施例中，調光輸入訊號SDIMMER 可為數位訊號。然而，調光輸入訊號SDIMMER 之實施方式並不限定本發明之範疇。
在第2圖所示之實施例中，可變電阻26之值可依據調光輸入訊號SDIMMER 來加以調整，以改變觸發電壓VG 相對於交流電壓VS之電阻-電容延遲時間，進而調整電壓VDIM 之週期內開啟時段TON 和關閉時段TOFF 的長短。由於發光單元150之光輸出強度實質上正比於整流交流電壓VAC ，而整流交流電壓VAC 之值相關於電壓VDIM ，因此流經發光單元150之系統電流ISYS 能以調變方式被控制，使得發光單元150在反應調光輸入訊號SDIMMER 時能提供平穩變化的光輸出強度，而不會造成可感受到的閃爍。
第4圖為本發明實施例具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統100中洩流電路140之示意圖。洩流電路140包含一電流源IS0、一調光偵測單元30，以及一調整單元40。電流源IS0可依據控制訊號S1來供應洩流電流IBL ，以在需要時維持調光開關120的穩定運作。為了說明目的，在第4圖顯示之實施方式中，發光單元150之驅動器55可依據控制訊號S2來調節流經複數個發光裝置之LED電流ILED 。在開機後，調光偵測單元30可監控整流交流電壓VAC 之電壓準位，並因此提供相關於可調光發光二極體照明系統100之運作模式的一調光偵測訊號SD。調整單元40可依據調光偵測訊號SD來調整電流源IS0所供應洩流電流IBL 之值，並輸出相關於整流交流電壓VAC 之工作週期的控制訊號S2。
第5圖至第7圖為本發明實施例具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統100中洩流電路140運作時之時序圖。在第5圖所示之實施例中，可調光發光二極體照明系統100是在非調光模式下運作，亦即並未啟動調光開關120的功能。在第6圖和第7圖所示之實施例中，可調光發光二極體照明系統100是在調光模式下運作，亦即有啟動調光開關120的功能。為了說明目的，t1~t8代表在整流交流電壓VAC 之一個週期內按先後順序排列之不同時間點。
在一實施例中，調光偵測單元30可偵測整流交流電壓VAC 之值從0(一個週期的起始值)升至或超過一臨界電壓VH1 所需之時間長度P0。若時間長度P0至少在整流交流電壓VAC 之連續m個週期 (m為正整數)內維持小於一臨界值(代表整流交流電壓VAC 具較大工作週期)，此時會判定可調光發光二極體照明系統100是在非調光模式下運作。若時間長度P0並未至少在整流交流電壓VAC 之連續m個週期內維持小於臨界值(代表整流交流電壓VAC 具較小工作週期)，此時會判定可調光發光二極體照明系統100是在調光模式下運作。
在第5圖並未啟動調光開關120功能之實施例中，供應至整流電路130之電壓VDIM 和電源供應電路110所提供之整流電壓VS相同。此時，具100%工作週期之整流交流電壓VAC 其值會在時間點t1達到VH1 ，使得偵測到之時間長度P0很短，因此調光偵測單元30會判定可調光發光二極體照明系統100是在非調光模式下運作。在此種情況下，調整單元40會關閉電流源IS0以停止供應洩流電流IBL 。
在第6圖和第7圖有啟動調光開關120功能之實施例中，供應至整流電路130之電壓VDIM 是由依據調光輸入訊號SDIMMER 來相位調變之整流電壓VS之方式來提供。為了說明目的，假設在第6圖中具大約65%工作週期之整流交流電壓VAC 其值會在時間點t2超過VH1 ，而在第7圖中具大約35%工作週期之整流交流電壓VAC 其值會在時間點t5超過VH1 。由於第6圖和第7圖中整流交流電壓VAC 之工作週期較短，其值會較慢達到或超過VH1 ，使得偵測到之時間長度P0很長，因此調光偵測單元30會判定可調光發光二極體照明系統100是在調光模式下運作。在此種情況下，調整單元40會開啟電流源IS0以供應洩流電流IBL ，並指示電流源IS0在時段P1內將洩流電流IBL 之值維持在IH ，並在接續時段P1之時段P2內將洩流電流IBL 之值維持在IL ，其中IL >IH 。同時，依據電流源IS0之輸出端上建立的回授電壓VFB1 和整流交流電壓VAC 之工作週期，調整單元40可依此調整電流IBL 和ILED 之加總。
在第6圖所示之實施例中，當可調光發光二極體照明系統100收到相關於中等調光亮度之調光訊號SDIMMER 時，整流交流電壓VAC 會被相位調變至具有約65%之工作週期，此時發光單元150的導通時段(時間點t3和t6之間當ILED >0時)會大於時段P1(時間點t2和t4之間)。因此，調整單元40會指示電流源IS0在時段P1(時間點t2和t4之間)內供應電流值為IH 之洩流電流IBL ，以及在時段P2(時間點t4和t8之間)內供應電流值為IL 之洩流電流IBL ，其中IL >IH 。如此一來，電流值為IH 之洩流電流IBL 可在時間點t2和t3之間維持調光開關120的穩定運作，洩流電流IBL 和LED電流ILED 可在時間點t3和t6之間維持調光開關120的穩定運作，而電流值為IL 之洩流電流IBL 可在時間點t6和t8之間維持調光開關120的穩定運作。
在本發明中，當可調光發光二極體照明系統100在調光模式下運作時，洩流電流IBL 之值在時段P1內會維持在IH ，並在接續時段P1之時段P2內會維持在IL 。在一實施例中，當可調光發光二極體照明系統100在調光模式下運作時，調整單元40會指示電流源IS0先在時段P1內供應電流值為IH 之洩流電流IBL ，接著在時段P2內停止供應洩流電流IBL (IL =0)。
在第7圖所示之實施例中，當可調光發光二極體照明系統100收到相關於低調光亮度之調光訊號SDIMMER 時，整流交流電壓VAC 會被相位調變至具有約35%之工作週期，此時發光單元150的導通時段(時間點t5和t6之間當ILED >0時)可能很短。因此，調整單元40會指示電流源IS0在時段P1(時間點t5和t7之間)內供應電流值為IH 之洩流電流IBL ，以及在時段P2(時間點t7和t8之間)內供應電流值為IL 之洩流電流IBL ，其中IL >IH 。如此一來，洩流電流IBL 和LED電流ILED 可在時間點t5和t6之間維持調光開關120的穩定運作，電流值為IH 之洩流電流IBL 可在時間點t6和t7之間維持調光開關120的穩定運作，而電流值為IL 之洩流電流IBL 可在時間點t7和t8之間維持調光開關120的穩定運作。
如前所述，調整單元40可透過輸出相關於整流交流電壓VAC 之工作週期的控制訊號S2來調節系統電流ISYS 之值，進而指示驅動器55去調整LED電流ILED 之值。在第6圖中當整流交流電壓VAC 被相位調變至具有約65%之工作週期時，驅動器55會調節LED電流ILED 之值以使系統電流ISYS 之最大值會被箝制在一第一值I1。在第7圖中當整流交流電壓VAC 會被相位調變至具有約35%之工作週期時，驅動器55會降低LED電流ILED 之值以使系統電流ISYS 之最大值會被箝制在一第二值I2，其中I2>I1。透過在低亮度調光時調低系統電流ISYS 之值，本發明可讓肉眼更不容易感受到閃爍現象。
第8圖為本發明另一實施例中調光偵測單元30實作方式之示意圖。在此實施例中，調光偵測單元30包含2個電流源IS1-IS2、一電流偵測元件RCS ，以及一電容CPD 。在啟動後，調光偵測單元30可依據電流偵測元件RCS 上的一回授電壓VFB1 來監控整流交流電壓VAC 之準位。在一實施例中，電流偵測元件RCS 可為一電阻。然而，電流偵測元件RCS 之實施方式並不限定本發明之範疇。
當依據回授電壓VFB1 判定整流交流電壓VAC 之值已經達到或超過一預定值時，調光偵測單元30會開啟電流源IS1和關閉電流源IS2以充電電容CPD 。當依據回授電壓VFB1 判定整流交流電壓VAC 之值並未達到或超過一預定值時，調光偵測單元30會關閉電流源IS1和開啟電流源IS2以放電電容CPD 。
第9圖和第10圖為本發明實施例中具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統100運作時之電流-電壓特性圖。第9圖顯示了在未啟動調光開關120功能時整流交流電壓VAC 之複數個週期內整流交流電壓VAC 、系統電流ISYS 和回授電壓VFB2 之波形圖。第10圖顯示了在啟動調光開關120功能時整流交流電壓VAC 之複數個週期內整流交流電壓VAC 、系統電流ISYS 和回授電壓VFB2 之波形圖。
在第9圖中，假設系統電流ISYS 之工作週期大於95%，電容CPD 上的回授電壓VFB2 在整流交流電壓VAC 之週期T1-Tn中呈現鋸齒狀波形，其中其波形上升區段代表電容CPD 之充電週期，而其波形下降區段代表電容CPD 之放電週期。當透過調整電流源IS1和IS2之值以使電容CPD 之充電量大於電容CPD 之放電量時，電容CPD 上的回授電壓VFB2 會逐漸增加，如第9圖所示。當回授電壓VFB2 在整流交流電壓VAC 之週期Tn時達到一臨界電壓VH2 時，調光偵測單元30會判定可調光發光二極體照明系統100是在非調光模式下運作。因此，調整單元40會將回授電壓VFB2 箝制在大於臨界電壓VH2 之一上限電壓VMAX ，並關閉電流源IS0以停止供應洩流電流IBL ，進而在不需要調光功能時降低系統電流ISYS 以減少發光二極體照明系統100之功耗。
在第10圖中，假設系統電流ISYS 之工作週期小於90%，電容CPD 上的回授電壓VFB2 在整流交流電壓VAC 之週期T1-Tn中呈現鋸齒狀波形，其中其波形上升區段代表電容CPD 之充電週期，而其波形下降區段代表電容CPD 之放電週期。當透過調整電流源IS1和IS2之值以使電容CPD 之充電量小於電容CPD 之放電量時，電容CPD 上的回授電壓VFB2 會維持在低於臨界電壓VH2 之準位，如第10圖所示。當回授電壓VFB2 維持在低於臨界電壓VH2 之準位時，調光偵測單元30會判定可調光發光二極體照明系統100是在調光模式下運作。因此，調光偵測單元30會控制電流源IS0以在時段P1內供應電流值為IH 之洩流電流IBL ，以及在時段P2內供應電流值為IL 之洩流電流IBL ，如第6圖和第7圖所示。如此一來，本發明在需要調光功能時能確保系統電流ISYS 之值維持在高於TRIAC裝置22的最小保持電流，進而確保發光二極體照明系統100之調光開關120能正常運作。
綜上所述，本發明可透過監控整流交流電壓VAC 之值來判斷是否需要供應洩流電流IBL 。當判定發光二極體照明系統100是在調光模式下運作時，本發明會在第一時段內供應具第一電流值之洩流電流IBL ，以及在第二時段內供應具第二電流值之洩流電流，進而確保系統電流ISYS 之值維持在高於TRIAC裝置22的最小保持電流，以使發光二極體照明系統100之調光開關120能正常運作。同時，本發明會在低調光亮度的應用中降低系統電流ISYS 之值，使得肉眼更不容易感受到閃爍現象。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
22:三端觸發交流元件 24:雙端觸發交流元件 26:可變電阻 28:電容 30:調光偵測單元 40:調整單元 55:驅動器 100:發光二極體照明系統 110:電源供應電路 120:調光開關 130:整流電路 140:洩流電路 150:發光單元 IS0-IS2:電流源 RCS:電流偵測元件 CPD:電容 VS:交流電壓 VAC:整流交流電壓 VG:觸發電壓 VFB1、VFB2:回授電壓 VDIM:電壓 VH1、VH2:臨界電壓 VMAX:上限電壓 ILEDLED電流 IPD1充電電流 IPD2放電電流 IBL:洩流電流 ISYS:系統電流 I1、I2、IH、IL:電流值 SDIMMER:調光輸入訊號 SD:調光偵測訊號 S1、S2:控制訊號 TON:開啟時段 TOFF:關閉時段 P0:時間長度 P1、P2:時段 T1-Tn+1:週期 t1~t8:時間點
第1圖為本發明實施例中一種具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統的功能方塊圖。 第2圖為本發明實施例中具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統中調光開關之示意圖。 第3圖為本發明實施例中具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統中調光開關運作時之示意圖。 第4圖為本發明實施例具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統中洩流電路之示意圖。 第5圖為本發明實施例具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統中洩流電路運作時之時序圖。 第6圖為本發明實施例具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統中洩流電路運作時之時序圖。 第7圖為本發明實施例具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統中洩流電路運作時之時序圖。 第8圖為本發明另一實施例中調光偵測單元實作方式之示意圖。 第9圖為本發明實施例中具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統運作時之電流-電壓特性圖。 第10圖為本發明實施例中具自動洩流電流控制之可調光發光二極體照明系統運作時之電流-電壓特性圖。
30:調光偵測單元
40:調整單元
55:驅動器
130:整流電路
140:洩流電路
150:發光單元
IS0:電流源
VAC:整流交流電壓
VFB1:回授電壓
ILED:LED電流
ISYS:系統電流
IBL:洩流電流
S1、S2:控制訊號

Claims (11)

  1. 一種發光二極體照明系統，其包含： 一發光單元，由一整流交流電壓來驅動；以及 一洩流電路，其包含： 一第一電流源，用來依據一第一控制訊號來提供一洩流電流； 一調光偵測單元，用來監控該整流交流電壓，進而輸出相關於該發光二極體照明系統之運作模式的一調光偵測訊號；以及 一調整單元，用來： 當該調光偵測訊號對應至該發光二極體照明系統在一調光模式下運作時，依據該調光偵測訊號來輸出該第一控制訊號，以指示該第一電流源在一第一時段內將該洩流電流維持在一第一值，且在一第二時段內將該洩流電流維持在一第二值，其中該第一值大於該第二值，且該第二時段接續該第一時段；以及 依據該整流交流電壓之工作週期來調整該洩流電流和流經該發光單元之一發光二極體電流的加總。
  2. 如請求項1所述之發光二極體照明系統，其中： 該調整單元另用來在該整流交流電壓具一第一工作週期時將該洩流電流和該發光二極體電流之加總箝制在一第三值，或在該整流交流電壓具一第二工作週期時將該洩流電流和該發光二極體電流之加總箝制在一第四值； 該第三值大於該第四值；而 該第一工作週期大於該第二工作週期。
  3. 如請求項1所述之發光二極體照明系統，其中： 該第一電流源包含： 一第一端，耦接至該整流交流電壓； 一第二端；以及 一控制端，耦接至該第一控制訊號；且 該調整單元另用來依據建立在該第一電流源之該第二端上的一第一回授電壓和該整流交流電壓之工作週期來調整該洩流電流和該發光二極體電流的加總。
  4. 如請求項3所述之發光二極體照明系統，其另包含一驅動器，串聯至該發光單元，用來依據一第二控制訊號來調節該發光二極體電流，其中： 該調整單元另用來在該整流交流電壓具一第一工作週期時輸出該第二控制訊號以指示該驅動器來將該發光二極體電流調整至一第三值，或在該整流交流電壓具一第二工作週期時輸出該第二控制訊號以指示該驅動器來將該發光二極體電流調整至一第四值； 該第三值大於該第四值；而 該第一工作週期大於該第二工作週期。
  5. 如請求項1所述之發光二極體照明系統，其中該調光偵測單元包含： 一第二電流源，用來提供一充電電流； 一第三電流源，串聯至該第二電流源，用來提供一放電電流； 一電流偵測元件，用來提供相關於該整流交流電壓之準位的一第一回授電壓；以及 一電容，其一端耦接至該第二電流源和該第三電流源之間，用來提供一第二回授電壓。
  6. 如請求項5所述之發光二極體照明系統，其中該調光偵測單元另用來： 當該第一回授電壓超過一臨界電壓時，開啟該第二電流源和關閉該第三電流源以對該電容充電；以及 當該第一回授電壓不超過該臨界電壓時，關閉該第二電流源和開啟該第三電流源以對該電容放電。
  7. 如請求項5所述之發光二極體照明系統，其中該調光偵測單元另用來： 當該第二回授電壓等於或大於一臨界電壓時，輸出對應至該發光二極體照明系統在一非調光模式下運作之該調光偵測訊號；或 當該第二回授電壓小於該臨界電壓時，輸出對應至該發光二極體照明系統在一調光模式下運作之該調光偵測訊號。
  8. 如請求項1所述之發光二極體照明系統，其中該調光偵測單元另用來： 判斷該整流交流電壓之值從0升至或超過一臨界電壓所需之一時間長度； 當該時間長度小於一第五值時，輸出對應至該發光二極體照明系統在一非調光模式下運作之該調光偵測訊號；或 當該時間長度不小於該第五值時，輸出對應至該發光二極體照明系統在一調光模式下運作之該調光偵測訊號。
  9. 如請求項1所述之發光二極體照明系統，其中該調光偵測單元另用來： 判斷該整流交流電壓之值從0升至或超過一臨界電壓所需之一時間長度； 當在該整流交流電壓之複數個連續週期的期間該時間長度維持在小於一第五值時，輸出對應至該發光二極體照明系統在一非調光模式下運作之該調光偵測訊號；或 當在該整流交流電壓之複數個連續週期的期間該時間長度未維持在小於該第五值時，輸出對應至該發光二極體照明系統在一調光模式下運作之該調光偵測訊號。
  10. 如請求項1所述之發光二極體照明系統，其另包含一調光開關，用來透過調整該整流交流電壓之責任週期來控制該發光單元之光輸出量。
  11. 如請求項10所述之發光二極體照明系統，其中該調光開關包含一三端觸發交流(TRIAC)元件，用來相位調變該整流交流電壓，進而調整該整流交流電壓之責任週期。
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