TW476871B - Step-up/step-down switching regulators and pulse width modulation control therefor - Google Patents

Description

^871 五、 發明說明（1) • tipi 圍 本發明係有關交換 • 藝 在先前技藝已熟知 4要者為交換式調節 望或需要地提供較輸 ，。對此類調節器的 操作之糸統，類如疊 ’也可提供超過所要的 即使在電池放電放電 電壓之電壓亦然。若 操作直到電池幾近完 再充電之間的時間可 進了，由於比例地降 率當然調節器之各種 再充電之間隔時間亦 電池電力系統可具有 池組操作，有些需步 統操作用所要的調節 組或交直流轉換器操 不同之電壓。這些祇 此種類型之調節器是 具有羞星.及降壓兩 發明背景 式調節器之領域。 各類型之電壓調節器。對本發明特別 器，其容許調節器如特殊之應用所希 入電壓$高抑$低的調冑旨電壓輸 用是關於在可再充電式電池上 調節輸出電壓之ί應用中’充電電 池電壓下降至入電壓至調節器， 系統將在顯著Ϊ:調節器所要的輸-出 全放電之時低的電池輸出電壓下 予延長。若間為止。在此種應用上需 低調節du之調節器效率改 組件(例如c’以此增加的效 能延長。相^ )之尺寸可以降低， 不同輸出=，類如膝上型電腦之 升而有些♦^不同類型之電池或電 電壓。此:V降電池電壓，以提供系 作，，’此等系統通常可以電池 作，該兩者妞沓 是許多應用：二對調節器呈現顯著 很有用的。例’若非強制性者， 者能力的先前技藝之交換式調節器為

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單端型初級電感轉換器（single —ended primary ind^c^taMe⑶nverter，SEpic)、返馳、步升加低切離線 性調節器 Uow dropout linear regulat〇r，LD〇)或有時 由圖1所不基本電路之組成。如該圖所示者，一電感器L經 一P型M0S電晶體pfeT耦合至輸入電壓γιη，且經二極體D2耦 · 合至輸出電壓。電容器〇1及〇2分別在輸入L及輸出v。以做 2平順電壓用，而MM0S電晶體NFET可控式地將節點LX2耦 合至地。在操作時，電晶體PFET及NFET係做為開關用，以 控f器同時控制該二電晶體之導通或二電晶體之截止。特 別是當二電晶體PFET及NFET導通時，電感器L中之電流將 > 以速率^ Ί建立。在此期間，二極體D Γ將受逆向偏 dt L 1 壓’，有任何輸出電壓V(^時二極體D2亦將如此，或者至 少在最初起動時將不會受到順向偏壓。因而在此時，電流 經PFET電晶體、電感器l &NFET電晶體流至地，即使無電 流，傳送至該調節器之輸出，在電感器L及電晶體會有一 些i2R損失。當PFET及NFET兩個電晶體均截止時，電感器L ，磁場衰減，將二極體D1及D2順向偏壓並將電流供至調節 器輸出’該電流最初係等於電晶體剛截止時流經電感器之 電流’並以下式之速率減低：

di ^ V〇ut+2Vp dt L 其中vd為當順向偏壓致導通時各二極體di及D2之電壓 降0 ‘

第6頁 476871 五、發明說明（3) 為最小化二極體D1及D 2之順向導通二極體電壓降，可使 用蕭特基（Schottky)二極體。

L 可攸刖述說明看出在兩種操作模式下電流均流過電感器 即使在私感器中之電流僅在第二操作模式下流至調節 器之輸，。因而即使電流僅在第二模式期間傳送至輸出， 在兩種操作模式下在電感器上有顯著的i2R損失。做為一 特例：若調節器之操作使得輸出電壓等於輸入電壓減去 2VD，流經電感器L之電流將具有三角形波形，在該波形的 上升部分與該波形之下降部分具有相同之損失，縱然 電流，在該下降部分傳送至輸出。將電感器及電晶體之 體造彳于更大可保持很低之功率消耗，即 並非所要的，且不符人雷+糸紘^ 取+上硯點此 趨勢。仃。電子糸統進一步小型化及複雜化之 多少係由於複雜性及效率之問題，前 步升/步降調節器尚未以單石型積體電貝技藝 已使用分離式電路生產了。 哈心式只施，不過 發明概沭 可提供高輸出電流、古兮m 及實體上較小的電晶體^ ^井 K體上較小的電感器 电日日體之步升/步降交換式# 衝寬度調變控制具有較低之輸出電壓連^周即^及其脈 負載調節穩定度及非常快速之暫態響應二=路及 三種操作狀態。做為操作 —凋交控制包含 之輸入直接流至調節器之輸Ξ，可獲得節器 此使得從電感器至輪出之電流傳輸有較先= 高

第7頁 476871 五、發明說明（4) 之時間百分比。 將說明操作之示範I俨香 丨祀/、體實施例及示範方法。 圖1為具有步升及步降極 技藝電路。 争私作犯力的交換式調節器之先前 圖2為示出根據本發明 -μ 統。 月之不範步升/步降交換式調節器系 圖3為圖2的示範雨控制狀態機器之狀態圖。 Φ 、羅It為t本务明不乾具體實施例其一種可能的電路實施之 邏輯電路圖。 圖5顯示當圖2之示範具體實施例其輸入電壓高於 Vout轉移至低於V(3ut時之典型波形。 一 圖6a示出先前技藝的步升/步降交換式電壓調節器之電 感電流對時間圖。 圖6b不出當操作在如同圖6a先前技藝之相同假設狀況 下，本發明的步升/步降轉換器之電感器電流波形。 體實施例之詳細訪明 現在參考圖2，可見及示出根據本發明示範系統圖。在 ^電，中，電〜晶體PFE丁及NFET、電感器L、二極體D1及D2 與電容器C1及C2係以與圖}先前技藝電路相同 =法之電流降低，圖2之電感器L及電晶體PFET&nfet可以 較小及/或造成較圖1為低之功率消耗。很特別地，該脈衝 寬度调變（pulse width modulation，PWM)控制狀態機器

第8頁 476871 五、發明說明（5) 以提供改進整個轉換器之性能及效率之方式控制pFET及 NFET電晶體。 如在圖2可見者，該示範具體實施例之pwM控制狀態機器 具有兩個輸入，一個來自計時脈衝產生器之計時輸入 CLK ’以及表示輸出信號VQut是否高或低於調節之信號 REG。關於該點’調節信號p、EG是由比較器CQMp之輸出所提 供’該比較器將由電阻器及R2組成的分壓器所決定之輸 出黾壓之一疋分數與參考電壓Vref做比較。因為該轉換 器多少像一升壓轉換器之操作，因而需對穩定度做補償， 比較器COMP之輸入包括一補償信號，其可為先前技藝的升 壓轉換器之一般型特性，例如斜率補償或電流模式反饋。 此類補償眾所皆知，在各種出版品（例如參見丨9 9丨年

McGraw-Hill 公司出版，由Abraham I· Pressman所著「交 換式電源供應器設計」一書第143- 1 65、2 08-20 9頁，併於 此做為參考）有詳細之說明，且用於許多先前技藝之轉換 器上。為了目前之目的，信號REG應被當做為補償信號， 表示調節器係南於或低於調節，而不祇是調節器輸出電壓 之分數與參考電壓之直接比較。 現在參考圖3，可見到圖2的示範PWM控制狀態機器之狀 態圖。如其中所示者，該狀態機器具有三種狀態，在狀態 1與3間，及狀態2與3間之轉移係可能的，不過在狀態1與2 之間並非直接的轉移。在狀態1，兩個電晶體均截止。在 此情況，僅容許圖2所示電流I狀態1，當存於電感器中之能 量衰減時容許電流經二極體D1、電感器L及二極體D2流至

1 476871 五、發明說明（6) "周節器之輪出，縱使電流1狀態1有時可為〇，不過由於二極 體的Ϊ在’所以不會是負的。狀態2為兩個電晶體皆導通 ^，恶’提供了從輸入Vin至PFET電晶體、電感器L及NFET $曰^體至地之電流流動。此為一種從電源供應供電流至電 ^感器’然後無該電流供至輸出之狀態。最後，在狀態3， PFET電晶體導通而NFET電晶體截止。在 ^ = 1從電源供應經PFET電晶體、電感器L及二極體D2供 〇 Λ過由在狀態3中，就像在狀態1:事實上電流1狀態3可為 银夹I於二極體D2之阻隔效應，所以不會是負的。 的電^ ^圖4，可見到本發明示範具體實施例其一種可能 邏輯電路圖。此包含反相器1^及“、雙輸人 反及閘N1及μ ?、-认 ^ 1 2 叉侧' 及RS2之電路係^輸入^及閘N3及N4以及RS型正反器RS1 調節為低）3== Λ的調節狀態（高於調節高而低於 更詳細說明者HG及叶時CLK輸入響應。如同將於其次 W之責務週期而佳/體實施例之計時輪入CLK具有近似 τ 。 4 而在此所參用之計時脈衝期間係特定為

知L 電：ί二=之狀態機器圖及下列狀態時間表說明圖4邏輯

第10頁 47Wt 五、發明說明（7) 狀態 CLK | REG N P 此狀況之暗pa1 3 '低 高 載止 導通 直至下一 CLK A + 1 高 高 秦止 τ 4計時脈衝宽唐） 1 低 高 截止 截止 KiiG·成為低 3 低 低 載止 導通 直至下一 CLK 2 高 低 導通 "TUT1 社時脈衝寬盾、 2 低 低 導通 直至iijiCi成為高 3 再次 低 高 義止 導通 直至下一 CLK " 狀態時間表 在圖4之邏輯電路圖中，電路之兩個輸出為至肝η閘極 及至PFET閘極之輸出信號。做為說明電路操作之起始點， 將假設電路是在狀態3。關於該點，可從上表看出在狀態3 % ,即使调筇“號REG可在高抑或低，計時信號CLK為低 的。不論如何，為了特別說明之目的，將假設調節信號一 REG咼於調節。當然此意謂著電感器供給負載太多電流。 於在*時CLK變為高之* ’該邏輯電路將維持在狀態 以體實㈣中’以近似每2微秒 起始狀離ί:ϊ3 :或狀態2進到假設為目 改變，；且二於電路可在狀態3之時間長度將會 :過在不靶具體實施例中將不會超過2微 下一個計時脈衝CLK時，至NFE :止而至pm間極之輸出信號 輸出信號將為 假設調節信

第11頁 截：，表示狀態]之情形，在示範； '而兩個電晶體均 =時脈衝本身具有約2 G G塵（丨二、體，施例中觸發轉態 之貝務週期。其後，計時信號叫/變之^衝寬度’或_ 476871 五、發明說明（8) ~ ~~~~--- 號將暫時維持為高，事實上在調節信號 前，NFET及PFET兩者將維持在截止狀態。如表i可為低之 當此發生時，電路回至狀態3，NFET截止而 時脈娜之前，在示範具體實二Ϊ :二Λ超過2微秒。當收到下-個計時脈衝Μ 二二“If低’不過為了特別說明之目的，將假設 f/ET兩個電㈣導通，使得控制器成為^導在 =T i ^ ’使得電路回至起始之狀態3狀況之 1質上，itr=CLK變為低，控制器將維持在狀態2。在 2及U =形成一前緣調變之步降轉換器，而狀態 Z及3形成一後緣調變之步升韓拖 V圖轉5:示當圖2之示範具體實施例其輸入電壓V.從高於 低^U1時之典型波形。該圖之第一條線示出了 ;二1 犬：:义10%責務週期。第二條線顯示從最 :=的=最後的3伏特之漸降輸入信號L，具有 LX2之：壓節輸出電壓。其餘線條示出在節點LX1及 波形假U:電流1L及輸出漣波v_ ripple。所示之 心°又在5周即器之V0ut有定值負載。 時，ΐ 2:念當輸入電壓Vin超過調節器輸出電壓V- 將保持截止，而在二^3 :二輪流。因此NFET電晶體 亦即等於V加吐-f av⑴實際上將保持定值

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五、發明說明（9) 體截止之狀態1，PFET電晶體保持截止之時間長度將視v 超過輸出電壓VQUt之程度而定。關於該點，可從圖5的電& νυπ之波形看出：當輸入電壓降低時，PFET電晶體保持截= 之時間長度降低，最後具有等於Τ短（計時信號CL/之時間週 期）之最小截止時間。 θ

在圖5之右側，輸入電壓Vin已降至顯著地低於輸出電壓 Vout。在此等狀況下，圖2電路將在各計時週期切換至狀鮮 2 ’保持在該狀態之時間期視輸入電壓有多低於輸出^ 壓Vout而定。在此等狀況下，PFET電晶體保持導通，如電 壓VLX1波形所表示者’顯示在節點LX1之電壓是為輸入電壓 Vin。在卽點LX2之電壓VLX2顯示在較低之輸入電壓，增加了 NFET電晶體導通之期間。 9 _

最後，當輸入電壓vin約等於輸出電壓v〇ut時，狀態機器 可混入在狀態3與1之間的切換並回至狀態3 ’以及在狀態3 與狀態2之間的切換並回至狀態3。關於該點，將注意到在 圖5之中央，當輸入電壓vin是約等於輸出電壓時，所示 節點LX2之電壓VLn在一個計時期間（丁短）變為低，表示nfet 電晶體在狀態2之計時期間為導通的，在此之後電路回至 狀態3。在下一個計時週，在節點LX1之電壓在計時期 間（再度為期間Τ短）變為低，表示在計時期間（再次為丁短）電 路已至狀態1，回至狀態3，然後在下一個計時週再次至狀 悲2 °因而’在此等狀況下，電路在此具體實施例之最小 時間保持在狀態1或狀態2，亦即τ短以及如所要求的維持輪 出在調節時狀態3與2及狀態3與1之間的週期。

476871 五、發明說明（ίο) 現在參考圖6a及6b，本發明之優點示於圖形上。如前所 說明者，圖6a示出一當以輸入電壓Vin約等於輸出電壓（ut 操作時，先前技藝的步升/步降交換式電壓調節器之電感 器電流對時間圖，特例是輸入電壓Vin等於輸出電壓VQUt加 上二極體D1及D2之順向傳導二極體電壓降vd之和。當各週 期之第一半週時，其中NFET及PFET兩個電晶體（見圖1)導 通，在電感器中之電流以速率= 一^線性增加，而無

* L 電感器電流送至輸出。在第二個半週時，PFET電晶體及 NFET電晶體截止丄電感器電流傳至輪出Vout，在電感器之

電流以速率！—考。ut+2Y^j減少。對於假設之操作狀況，夢 dt L 然電感器電流僅5 0 %時間傳送至輸出，不過電感器電流波 形是對稱的。 圖6 b示出當操作在如同圖6 a先前技藝之相同假設狀況 下，本發明的步升/步降轉換器之對應電感器電流波形。 在圖6 b中，假設電路最初在狀悲3 ’在電感器之電流係稍 低於輪出負載電流。到下一計時週期時，由於電感器電、方 係低於輸出負載電流，輸出電壓Vout將會降至低於調節=<

因此在下一個計時週期，電路將進入狀態2， 器之電流將以速率A* = ^Yjxi快速地增加。 dt L 之末時，電感器電流將升到 到下一個計時週期之時間， 而於輸出負載電流之值 輪出電壓將漂移至調節 ’因而 <上。

476871 五、發明說明（11) 因而在下一個計時週期時，電路將進入狀態1，其中在電 感器中之電流以速率di二-(Vout^Vg}減低，在該計時脈衝

1Γ 一 L 之後’電路再度進入狀態3，而電感器電流再度低於輸出 負載電流。視維持輸出在調節所需之特別輸入電壓位準而 定’電路可插入較狀態2脈衝稍多之狀態1脈衝或者較狀態 1脈衝稍多之狀態2脈衝。

儘管如此，即若電路近似在狀態2與在狀態1 一樣平常， 要注意對於計時之10%責務週期，流經電感器之電流約有 9 5 %之時間流至輸出，而非圖6 a中之5 〇 %再者，電感器電流 相當地接近平均輸出電流（亦即實際上與廣泛游逸無關）， 因此，在示出本發明之圖6b中，平均電感器電流僅稍高於 平均輸出電流，而瞬間電感器電流與平均電感器電流差旦 H總…圖63中，平均電感器電流為平均輸出電流 ‘’且較本發明隨時間改變更多。因此，在圖6 =、電晶體及二極體中之12R損失為使用本

級。再者，因為以圖6a的傳統操作：四倍等 本發明之系統者高出兩❺，所以使用：：包感15電流較在 大之電感器抑或選擇性地，纟電感％ :技藝方法需要更 之最大電流發生之前，可提供之平2和或在開關所容許 發明者之一半。 g輸出電流將僅約為本 較高責務週期之流經 見圖6a及6b以及前述 此外，有利於在PFET電晶體傳導有 PFET電晶體尖峰電流約50%之減少（參

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解釋），降低了約5 〇 %在pfeT電晶體之功率耗損（i2 r損 失）°如&先前技藝所用之NFET電晶體具有與pFET電晶體相 同之電流，因而相似之功率耗損。如同可在圖6b見到者， 在本毛月中，在示範具體實施例及示範用途中之Ν ρ e 丁將僅 約5/Q之時間傳導，而僅約先前技藝者一半之電流。因而 NFET，晶體之功率耗損大為降低，容許使用更小之電晶 體。這些在電晶體開關減少之功率耗損使得本發明適於以 積體電路形式實現。 、 本發明對傳統 點，至少可摘要 特別地，對於交 有因數2之改進< 流幾乎在所有的 感器電流僅稍高 電流是超過兩倍 降低之i2R損失， 一特定之電感器 約7 5%的損失 在各計時週有兩 期間僅有一個交 晶體驅動損失。 (見圖6b)，本發 於尖峰電流之降 額定之事實，可

步升/步降轉換器之操作所比較之各項優 成注意到本發明容許較高之輸出電流。多 換電晶體及電感器之電流額定，輸出電分 ’此係因相對於先前技藝之一半時間，電 時間傳送至輸出，以致在本發明中央峰^ 於平均輸出電流’而在先前技藝中之尖巧 之平均輸出電流。由於在電感器上實際」 所以本發明亦提供較南的操作效率。對 ，約50%平均電感器電流的降低，減少了 。再者，因相對於傳統步升/步降轉換器 個交換電晶體閘極之轉態，本發明在各却 換電晶體閘極之轉態，故有較低之交換^ 對於在狀態1及2陡峭的電感器電流斜率 明亦有利於較低之電感器電感。此結合3 低而在飽和之前電感器可具有較低之電立 使用μ體上較小之電感器，例如先前技·

/〇87i 五 、發明說明~7^ ~ ^- 的四分之一尺寸特性之電感器。因本發明提供了更平順之 輪出電流，輸出漣波約折半，或選擇性地當然對相同之連 波在特性上使用的輪出濾波電容器C2之尺寸可製得更小 在電晶體開關功率耗損之降低，使得適於以積體電路妒 製造該電路。 本發明提供絕佳的線路及負載調節及穩定度。因為步 操作為前緣調變的，從50%至100%脈衝寬度調變責務"'週 為先天地穩定的，而步升操作為後緣調變的，極易° 〇/'月 = 衝寬度調變責務週期穩定，特別是補償信號（圖2)° ^ 兩為瑕小的。此提供¥_/2<^〈2'“最佳之穩定度，^堇 二的步升/步降直流_直流轉換器為最常發生之操作狀吏。 車父二的補償信號通常導致線路及負載調節之改進。此外 :^ Ϊ大器Ϊ理想上為具有無限增益及零滯後之比較器： 進调節。最後，本發明提供非庫 :::之r?電感，電感器電流可快到超：以傾 本發明容許甚至更快的電感器電流傾斜。在倉 載增加之步降操作時，狀態機器將單— ，負 步升择作 ，、速_加之電感器電流。在負載突然減少之 =作：狀態機器將單一步降週插入一個週期 ： Μ Μ ^之電感器電流。這兩種暫態類型為傳统步升/牛隊·、 轉換器操作具有最缓慢的響應者。結果是仏：步降 一，计時週期内將電感器電流調變至任何位^。 好 同t此已揭示之較佳具實施例具有-輸入與輸出間負的北 同點，亚使用M0S電晶體做為交換式電晶體。此且體、杂施、

第17頁 476871 五、發明說明（14) 例僅是做為例示，可在電晶體傳導型式及二極體方向上輕 易地將電路反向，俾提供一具有正的共同點、對提供負電 壓的步升/步降調節器之目的很有用之電路。相似地，可 使用其它類型之電晶體取代MOS電晶體，類如npn及pnp雙 極性接面電晶體。再者，圖2所示整流裝置宜為蕭特基二 f ΐ之—極體D1及D 2，可使用其它類型之整流裝置，例如 同步開關等。 因而 熟知此項^ ί針對較佳具體實施例揭示及說明本發明時， 更而不致偏i ί人士將瞭解到可在形式及細節上做各種變 雕/、精神及範圍。

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Claims (1)

1. 476871 六、申請專利範圍 - \\ 1. 一種具有一轉換器輸入 點用於步升及 轉換器輸出及一共同連接 步降操肩:之轉換器，包含： 一電感器，具有第一及第二連接點； 一第一電晶體，耦接.在該轉換器輸入與第一電感器連 接點之間； 一第一整流裝置，‘搞接在第一電感器連接點與共同連 接點之間； 電晶體，耦接在第 器連接點與共同連接 點之間； 整流裝置，耦接在第二電感器連接點與該轉換 器輸出之間； 一控制器，響應於一補償的轉 以控制該第 種操作狀態 該第一 晶體為 轉換器 之際從 輸出改 補償的 衝發生 轉換器 態。 2.如 及第二 導通而 輸出表 第三種 變成表 轉換器 之際從 輸出改 及第二電 該第一及 電晶體為 第二電晶 示過調節 狀態切換 示欠調節 輸出表不 第三種狀 變成表示 晶體之傳導 第二電晶體 導通之第二 體為截止之 狀況時，該 至第一種狀 之狀況時切 欠調節狀況 態切換至第 過調節之狀 換器輸出 狀態，該 為截止之 種狀態， 第三種狀 控制器在 態，且當 換回第三 時，該控 二種狀態 況時切換 及一計時信號 控制器具有三 第一種狀態， 以及該 態，當 計時脈 補償的 種狀態 制器在 ，且當 回第三 第一電 補償的 衝發生 轉換器 ，而當 計時脈 補償的 種狀 申請專利範圍第1項之轉換器，其中該控制器係由

   第19頁 476871 六、申請專利範圍 邏輯閘及反相器組成。 3 ·如申請專利範圍第1項之轉換器，复 ^ 或第二種狀態時，該控制器至少在—中§切換成第一 個別狀態，而不顧在該最低的時的時間期維持 出之任何改變。 中該補償的轉換器輪 4·如申請專利範圍第3項之轉換界， ^ 實際上等於該計時脈衝週期。、抑/、，該取低時間期 5 ·如申請專利範圍第4項之轉換 有約1〇%之責務週期。 轉奐，其中該計時信號具 6. —種操作具有一轉換器輸入、— 連接點的轉換器之方法，該轉 ：$ 15輸出及-共同 ”、 电感器、一輕接在該轉換哭替人j^ 二 連接點間之第一電晶體m入與第-電感器 =接點間之第一整流裝置，一耦：共 連接，換器輸出間之第二整流裝置第-電感器 -及Ϊ響；—補償的轉換器輸出及-計時信號以控制該第 及弟:电晶體之傳導狀態： 第 徐於=ί補償的轉換器輪出表示過調節狀況時，在計時脱 咳補J的Ϊ㈣第一及第=電晶胃切換成截止，Α然後二 工？換器輸出改變成表示欠調節之狀況·，將i; 私日日粗切換成導通；及 /弟 衝發償的轉換器輸出表示欠調節狀況時，在計時脈 際將該第一及第二電晶體切換成導通，且當該補

   第20頁 476871 六、申請專利範圍 償的轉換器輸出改變成表示過調節之狀況時，將該第二電 晶體切換成截止。 7. 如申請專利範圍第6項之轉換器，其中在子段a )中， 至少在一最低的時間期該第一及第二電晶體均切換成截 止，且在子段b )中，至少在一最低的時間期該第一及第二 電晶體均切換成導通，全不顧在該最低的時間期中該補償 的轉換器輸出之任何改變。 8. 如申請專利範圍第7項之轉換器，其中該最低時間期 實際上等於該計時脈衝之週期。 9. 如申請專利範圍第8項之轉換器，其中該計時信號具 <· 有約10%之責務週期。 —

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