TWI315120B - Dc power conversion system and power conversion method - Google Patents
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Description
1315120 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於電流開|| J^在丨 L開關控制,更特別關於一種用於直流 (DC )轉換的可程式化之雷成中 飞化之電感電流控制系統和方法。 【先前技術】 力率轉換器常常用於諸如功率電源裝置、電腦、 印表機和影像系統之類的電子設備和系統的電源供給。這 類ΙΧΜΧ:轉換器有好多種結構,可用來從輸入電壓源輸出
所想要的電堡,盆知把后A 〃匕括反向或降壓轉換器( =則、以及返跳轉換器(圖3)。01為一個I%降專壓 轉換器100的電路圖,並目女 路圖纟具有—個電感102、-個電容104、 開關106a和l〇6h,丨v 拓、、 升垒迴路108a和降壓迴路1〇8b =生-個比輸入電厂堅源4低的輪出電壓 轉換^ 2〇0的電路圖,其具有 ㈣1 2063和2〇6b,以及升壓迴路 降屋迴路鳩。圖3為—個dc_dc返轉換器 和 —㈣的電路圖,其含有一個電感n電匕二 開關306a和3 06b,以及弁廢、, 以及升壓迴路308a和降壓迴路3〇朴。 1 2了有效控帝J DC_D<:轉換器和其電塵調整器電路,必 須準確測量電感電流。在降㈣換器(圖】 、 電感電流的通常做,、&為P J輸出 阻來進抒㈣出電感串聯的檢測電 分電 _iffeFentiai VQi ^ 上的微 出其中將檢測到的信號用作輪出電心饋。這^ 1315120 - 有檢測電阻的DC-DC轉換器的一個例子已揭示於 . USP5,731,731中。直接檢測電感電流來控制DC_D(:轉換器 的其他例子如在USP5,982,160和USP6,377,034中所示。 、 圖4為一個習用的DC-DC降壓轉換器4〇〇的電路圖,其帶 , 有一個控制電路402、一個檢測電路4〇4和一個檢測電阻 4〇6。然而,其檢測電阻的值必須足夠大,以便保持檢測到 的L號大於雜訊。檢測電阻非必要地消耗了功率導致其嚴 重的功率缺陷(efficiency drawback)。 也有辦法來間接地檢測或者推導出控制DC-DC轉換器 的電感電流。間接檢測該電感電流的例子可包括在 USP6,381,159及美國專利申請公開NO.US2002/0074975中 所揭示的那些。儘管,間接檢測不需要用一個檢測電阻, 卻需要從轉換器的内部節點引出内部電壓,從而導致增加 電路和信號引線的缺陷。 因此’本技術領域内普遍地需要能夠克服上述技術缺陷 _ 的電感電流控制系統和方法。特別需要一種高效率的、功 率消耗小的用於DC-DC轉換器的電感電流控制系統和方 法進步品要一種兩效率的、最佳化電路設計的用於 • DC-DC轉換器的電感電流控制系統和方法。 【發明内容】 因此’本發明的目的在於提供一種用於DC-DC轉換器 的控制電流的系統和方法,其能夠避免相關的現有技術的 局限和缺陷中的一個或多個問題。 根據實施例及廣泛闡述的本發明的目的,提供了 一種帶 6 1315120 2程式化之電感電流控制的直流(dc)功率轉換系統和 ,達上述目的’本發明提供了一種dc功率 該系統包括一個DC-DC轉| $ # & _ ^ ..... Ρ 一、 得換器电路’該電路包括:-個電 感态’ 一個電感電流仿直带炊 甘m + MM、,U 其絲料㈣電感的電 “乍仿真亚產生一個代表該仿真電感電流的信號,以及一 ^ 制電路,其用來接收代表仿直雷 感電流的信號,並且控制DC_D 仿一電 L轉換态的峰值電感電流。 根據本發明之另一特點, 统,直以初Hu 本發月W、了一種功率轉換系 ,、包括一個功率轉換器,該轉換哭. 以及-個仿真電路來連接到—個第二3 . 一個電感器, 奋r. 个逆按到個弟—電壓電源、一個笛- 電壓電源和一個接地端。該仿真 ^ 一 體來連接該第一兩壓+、厂尚 ^ .個第一電晶 之電阻LLC 接地端之間;-個可程式化 ^ ^ 电晶體與該接地端之間;一個放大琴 具有正輪入端連接到該第二電壓 。 該第-電晶體與該可程飞 “,、負輪入端來連接 接到該第-電晶體=阻之間’以及其輸出端連 电股的閘極;一個可寇+、几> ;^上 第一電堡電源與該接地端之間 Η :谷來連接該 —電壓雷调性分士 、 便虽該黾谷連接到該第 Λ、^,仿真電感電流流經該電容;^ # 電壓加在該雷/包奋攸而將仿真電感 兩號., ㈣11跨接料程式化之電容 兩端’一個比較器將仿真雷咸帝 谷 較.^ ν 肝怀具電感屯壓與一個參考電壓作比 孝乂 ’ Μ及—個邏輯電路回應 以確定電Θ f α、車又DD的輸出來操縱該開關 疋屯琢電壓的極限值。 本發明另提供了一種功率轉 千锊換万法,其包括一個轉換器 7 1315120 =仿=包括一個有電感電流的電感,其仿真電感電流並 生仿真的電感電壓,並將該仿真電感電壓與—個+ 壓比較,然後根據該比較結果來確定電感電壓的極限值^ 本發明另外的特點和優點將部分地在後面的說明中认 出,並且一部分將通過說a月而顯而易見,或者可 t=rr。通過在後面的權利要求書中所特別指出: 理解和實現要素及其組合,本發明的這純點和優點會被 應該理解,上面的一般說明和後面的詳細 :例性的和解釋性的’它們並不能對所要求的本發明作: 【實施方式】 為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 明、如下文特舉本發明實施例,並配合所附圖示,作詳細說 本發明各實施方案的細節在附圖中由相應圖示表示 所有各附圖中’對於同-或者相似的組成部分,將儘量用 相同的圖示來表示,於此合先述明。 將… 圖5的電路圖說明實施在DC_DC降壓轉換器_内的 弘L檢測電路的實施例。降壓轉換器500包括:_個 =電流流過的電感502,_個電感電流仿真電路:4 :產生仿真的電感電壓信號v一_,—個與該仿真電 5〇4連接的控制電路506來接收仿真的電感電壓信號 ted並確疋降壓轉換器5 〇〇的峰值電感電流。控制 1315120 連接到降壓轉換器500 5〇8b。電懕调S1n & , ^ ^耵開關508a和 原 〇提供輸入電壓V.,盆诵過A +网、E 與開關5〇8a之間的%而、"其通過在毛堡源51〇 ,nn 妁功而連接到仿真電路504。降壓轉換$ 500的輸出電壓V B # — 牛I轉換l§ 屯i v_疋從電容512兩來 到仿真電路504。仿直雷“兩端來測里的亚且破送 ςη, ,、電路504也確定了一個送到控制命 路506的電感電壓極限信號V— 控·“ 以^種方式形成的閉迴路控制電路(closed 將仿真的電感電壓信號v. ^ 、 00p vind—llmit回饋到控制電路5盆 號 508b的摔作,從而祕生, ,、依此來拴制開關50“和 路⑽的電流。電流迴路心和降壓電流迴 ㈣圖說明實施在Dc-Dc升魔轉換器咖内的 电感電流檢測系統和電 ^ . 路的只施例。升壓轉換器000包 括.一個有電感電流流過的雷 φ ^ ,Λ, . ^ 妁甩感602,一個電感電流仿真 电路6〇4來產生仿真的電 該仿真電路604連接的―㈣咖’ 一個與 壓信沪v. 接的控制电路606來接收仿真的電感電 决^ , 畔又升壓轉換斋600的峰值電感電 "丨L。控制电路606連接升壓韓拖哭 埜柊換抑600内的一對開關008a 和608b。電壓源61〇提 漏㈣跟電感602之=電廢^ ’其也通過在電屡 屦斗厭心 郎點而提供給仿真電路604電 凝。升壓轉換器6〇〇的輪屮雪 、、目…η ㈣出電壓V-是從電容612兩端來 领罝的。仿真電路6〇4也確定 _ 確疋了一個达到控制電路006的 電感電屢極限信號vind』mit。 以這種方式形成的閉迴路控制電路將仿真的電感電壓 1315120 信號vind_emulated和電感電壓極限信號v_回饋到控制 電路606,其依此來控制開關608a和608b的操作,從而 控制升壓電流迴路614a和降壓電流迴路㈠仆的電流。 •圖的电路圖說明實施在DC_DC返跳轉換器内的 電感電流檢測系統和電路的實施例。返驰轉換器700包 括:一個有電感電流流過的電感7〇2,一個電感電流仿直 :路來產生仿真的電感電綱v—d,一個與 以仿真電路7 0 4連接的批崔丨丨+ 7 Λ <十 接的&制电路706來接收仿真的電感電 ind-emulated並確定返驰轉換器700的峰值電感Φ 二:制電二706連接返馳轉換器内Η 0跟開關7〇8a之間的點而連接到仿真電路7 換器700的輪出電壓v是 六 馳轉 真電路704也確定了一I 兩端來測量的。仿 確了個迗到控制電路706的電残带^ 限信號Vind_limit。 〜“屋極 以延種方式形成的閉迴路控制電路將 信號V一ated和電感電 為感電, :路鳩,其依此來控制開關鳩和鳩乍,制 控制升Μ電流迴路7143和降壓電流迴路⑽的電^從而 #圖5 6和7 f的DC'DC轉換器500、600和7〇 個都分別包含一個電感5〇2、6〇2和7〇2 :中的 的電屡和流經其的電流的關係表示如下式·· 感兩端 Φ] (1) 1315120 dh dt 電感電流。整理各項’可得電感電流的上升斜率8如下式·
S
Zl " T (2) 對於降壓轉換器,如圖5所示的DC_DC轉換器, 電感電流的上升斜率Sbuek可表示為: L·- = Yin-Vm )buck
L
L (3) 其中vin是該轉換器的輪入電壓’ v⑽是其輸出電壓。 類似地對於升壓轉換器,如圖6所示的dc dc 其電感電流的上升斜率u表示為: c _ V, V.
L
L ^boost ^ / 一、 (4) 而對於返馳轉換器,如圖7所示的dc_dc轉換器 - 其電感電流的上升斜率Sflybaek可表示為: flyback ~ = -^2- . L L (5) 知道了上升斜率(rising sl〇ps),轉換器的電感電流^可 表示為: /i' Sxt • = 對於降壓轉換器,或者 ' =fX/ 對於升壓或返馳轉換器 (6) ’ 其中t為電感電流的上升斜Μ ea / 开斜皮的時間(ramp up time)。該 上升斜坡時間t由閉迴路回 謂電路控制(closed-loop feedback circutry) ’ 即由圖 5、 〇和7中各控制電路5〇6、 6 0 6和7 0 6分別來控制。 圖8的電路圖說明根據本菸 像+知明較佳貫施例的一個電感 電流仿真電路8〇〇。仿真電路-Γ、 电路800可分別具體實施為圖5 ' η 1315120 6和7的仿真電路504、6〇4和7〇4中的任何一個。參考圖 8,仿真電路800包含一對連接在電壓源8〇6 ( v(sd與地 之間的電阻802和8〇4。辅助放大器8〇8的正輸入端連接 到電阻802與電阻804之間的一點。輔助放大器8〇8的輸 出端連接到電晶體81〇的閘極,電晶體8ι〇的源極連接到 辅助放大器808的負輸入端並通過内建於晶片上(〇n_c_ 的電阻812接地’該電阻是可程式化的,例如通過各控制 位元(control bits)。電晶體81〇的汲極連接到電晶體Μ〕 的源極,後者的汲極連接到電源電壓8丨4 ( )。電晶體 816的汲極連接到電源電壓814,而其源極通過内建=2片 上的電容818連接到地,該電容是可程式化的,例如通過 控制位元。電晶體813# δ16各自的閘極一起連接到電晶 體的汲極。電晶體813和816的連接形成了一個具有 ^current multiplication factor)^, 0 tb 較器820的正輸人端連接接收參考電壓u,而其負輸入 端連接到電晶體816的源極與電容818之間的—點,以便 接收電容818兩端的電麼。開關822連接到電容818的兩 端。比較器820輸出到可程式化之邏輯電路似,後者具 有諸如邏輯閘和觸發器⑺㈣。㈣之類的邏輯單元,以提 供輸出信號來控制開關822的位置。電路以4的功能在於 提供邏輯決定來開啟或者關閉開Μ 822,並且依據比較器 ㈣的輸出來給出電感電壓限制信號。電路咖也 在上述轉換器500、600和7〇〇中給出電感電壓限制信號 Vind—limit。電路824是根據對仿真電感電壓信號v 與一個預設的參考電壓‘比較的結果來產生電感 32 1315120 制 k 號 vind_limit 的。 如下更充分地解釋,電感仿真電路8〇〇產生流經電晶體 的電感仿真電流1ind_emulated。根據電感仿真電流
Ld_emulated,電路8〇〇也在上述轉換器5〇〇、6⑼和7⑽中 給出仿真電感電屢信號Vind—⑽lated。 圖5 6和7所示’在轉換器500、600和700中,是 由仿真電路5G4、6G4 # 7G4分別地對控制電路他、鍋 :J06提供仿真電感電壓信號V-—和電感電壓 j'5 ^ Vind_Iimit 〇 '、a路8GG的運作中,將電容818的充電時間用來 Γ:、:ΓΓ器,例如圖5、6和 真電路_的7中的電感電流的上升斜坡時間t。根據仿 一 的電路安排可得以下關係式:
Vind—em—ed = Iind—S V(s)xR7 1 Τη τΓΤ Χ — χ k (Ri+R2) r
C ⑺ 其中C對應於内建於B ΰ ^ 日日片上的可程式化之電容81 S,τ> 八丨 、日曰片上的可程式化之電阻812,而R ; p 刀別對應於電阻804和809 4紅 1和R2 川4和802。參數k就是上 和8 1 6形成的雷、、*扭认μ I宙電日日體8 1 3 Ψ V 知可用仿直雷懕传 JU lnd-emulated來替代習用的檢測電或電壓fD 阻檢測到的電麗)以控制電流模式的DC^D=如用檢測電 較器820對V 轉換器。經比 lnd—emulated與麥考電壓 壓信號Vind丨..氺、畜、冉溫 較’就產生電 dJimit來通過邏輯雷改〇 ⑨路824和開胃822的開閉控 13 1315120 制以設定DC-DC轉換器的峰值電流。根據將仿真電感電壓 信號Vindemulated與預設的參考電壓乂…作比較的結果,電 路824產纟一個代表電感電屋限制㈣_的控制信 號。在仿真電感電壓信號Vi(_d達到預設的參考電壓 值Vref時,也就是說,當被電流㈣充電而建立在 電容818上的電壓所確定的電流達到了所要的限制值時, 電感電壓限制信號Vind—umit就起作用了。電路824控制開 關82=的操作’备電流達到了所要的限制值時就關閉開關 8221會使電容818放電々是就為下—個時鐘週期 咖训使用料了準備。在下—個時鐘《的起始,可程 式化之缝輯電路824 6A· Ba bb 開啟開關822 ’電容818被充電,直 —emUlated等於Vref,這又觸發了電感電壓限制信號 。在電感電流仿真電路_的運作過程中上述步: 會一個週期到一個週期地重複下去。 ^驟 可用控制位元來設置炎老雨 m ^ >考私£ vref。較面的Vref設置對 :於較南的電流額度’因為仿 較長時間才能充雷推p命— 电肌丨nd_emulated而要 V. 、 寸電谷818上的仿真電感電壓信號 π -emulated到達預設的參考電壓 Vref就得到: '又V〖nd —emulated寺於 V(s)x^2 1 ' 心/ x C χ (+ 〇 及 ~ ^(Φ<^7χ7
Vref- (8) /、中V(s)可設為Vh,合別斜认4 況,例如在轉p 6G" 對於升壓和返驰轉換器的情 換时600或7〇〇時;v(s)可設為n,對 14 -1315120 應於降壓轉換器的情況,例如在降壓轉換器5〇〇時。這樣 作’在把(8)式代入(6)式後vin跟VDut就可對消,補 償了其中的變化。於是仿真峰值電感電流就可表示為下式:
T _ ^ref x C X (R} + R2)xR ~~I^Tl~~ (9) 所以’峰值電感電流可以有利地由仿真電路8〇〇的運作 來確定,不再需要對轉換器電路輸出的檢測或者監督。該 電流值僅取決於R、C和L之值,從而在輸入和輸出電壓 中的後:動付到補償。在所§兒明的實施例的這個實施方宰 中,電阻812和電容818都内建於晶片上並可由控制位元 來編程式,所以可以調節它們的值來匹配所採用的外部電 感的電感值。 如上所述,與本發明一致的各種DC_DC轉換器可以實 施在具有幾種轉換器結構佈局的系統中,例如,降壓 '升 壓和返馳轉換器的結構佈局(C〇nverter t〇p〇l〇gy^它們也適 合用於連續傳導模式(CCM)和斷續傳導模式(DCM)= 運作。CCM和DCM兩種架構的差別在於CCM中的電感電 流具有DC偏置分量(offset comp〇nent)D CCM和dcm兩種 架構的AC分量是相同的。因為與本發明—致的仿真電路 僅僅採用AC分量的資訊來仿真並控制電感電流,故而對 於CCM和DCM兩種架構在實施本發明的原理上並無實質 性的差別。與本發明一致的同一個仿真電路在ccm和
兩種架構中都能有利地加以實施’並不需要作任何 修改。 J 雖然本發明已以前述較佳實施例揭示,然其並非用以限 15 1315120 定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和 範圍内,當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範 圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 -1315120 【圖式簡單說明】 第1圖:習用之DC-DC降壓轉換器之電路圖 第2圖··習用之DC-DC升壓轉換器之電路圖 第3圖··習用之DC-DC返馳轉換器之電路圖 第4圖 第5圖 第6圖 第7圖 第8圖
:習用之DC-DC降壓轉換器,其帶有 ^ 了檢測雷 路和檢測電感電流的檢測電阻之電 电 略圖。 :本發明較佳實施例實施於DC-DC队π , *壓轉換 的電感電流檢測系統和電路之電路曰 、n :本發明較佳實施例實施於DC-DC礼π 、 遽轉換哭 的電感電流檢測系統和電路之電路圖 :本發明較佳實施例實施於DC-DC宋、 π逐规轉換 器的電感電流檢測系統和電路之+ 、 电圖〇 :本發明較佳實施例之電感電流仿真電路
206a 【圖號說明】 1GGDC-DC降壓轉換器 104電容 1G6b開關 1 08b降壓迴路 202 t 感 開關 1〇2電感 106a開關 108a升壓迴路 200DC-DC升壓轉換器 204電容 2〇6b開關 17 1315120 208a升壓迴路 208b降壓迴路 300DC-DC返驰轉換器 302電感 304電容 306a開關 3 06b開關 308a升壓迴路 3 0 8b降壓迴路 400DC-DC降壓轉換器 402控制電路 404檢測電路 406檢測電阻 5 00降壓轉換器 502電感 504仿真電路 5 06控制電路 508a開關 508b開關 5 1 0電壓源 5 12電容 514a升壓電流迴路 514b降壓電流迴路 600升壓轉換器 602電感 604仿真電路 606控制電路 608a開關 608b開關 6 1 0電壓源 612電容 614a升壓電流迴路 614b降壓電流迴路 700返驰轉換器 702電感 704仿真電路 706控制電路 708a開關 708b開關 7 1 0電壓源 712電容 714a升壓電流迴路 1315120 614b降壓電流迴路 800仿真電路 802電阻 8 04電阻 806電壓源 808辅助放大器 8 1 0電晶體 8 12電阻 8 1 3電晶體 8 14電源電壓 8 1 6電晶體 818電容 820比較器 822開關 824邏輯電路 19
Claims (1)
- '1 1315120 十、申請專利範圍 1、一種DC功率轉換系統,其包含: - DC-DC轉換器電路,包含一電感流過一電感電流以 及複數開關接收週期驅動波形; 一仿真電路,叙接該綠你 兩接賴“電路以接收該轉換器電路之 m 2 ::入電壓或該轉換器電路之輸入及輸出電壓以產生 代表邊電感電流及該電感電流卜❹限制之# :,該仿真信號係根據該電感之一電感值及該轉換二 路之輸入電壓或輪入及輪出電塵所產: 檢測或監督該電感電流之實際值或一比例值;i間接 作電路連接的控制電路’其用來接收該仿真 產生㈣動波形,並依照該轉換器之-拓樸及操 作模式驅動該等開關。 、 、=請專利範圍第1項之DC功率轉換系統,該dc_dc :、二電路包,一個降壓轉換器、一個升壓轉換器及-_ 轉換裔(flyback c〇nverter)拓樸中 -連續傳導模式或一斷續傳導模式。 “乍於 :::專利範圍第〗項之DC功率轉換系統,其中該仿 ϋ ^括自可程式化之RC電路,其產生-個回饋 崎虎以作為代表該電感電流的仿真信號,不直 : 接核測或監督該電感電流之實際值或一比例值。 ::睛專利範圍第!項之沉功率轉換系統,其中該仿 一 _ 括個内建於晶片上(〇n-chip)的電阻元件和 11¾内建·新^曰 ;曰曰片上的電容元件,該仿真電路構造得以產 20 4 曰修(更)正替换頁 丨| I |,·..·1 —11 ' .'ΓΓ.: 生一個回饋控制電壓信號作為代表該電感電流的仿真 信號,不直接或間接檢測或監督該電感電流之實際值或 一比例值。 5、 依申請專利範圍第3項之DC功率轉換系統,其中將該 回饋控制電壓信號與一個參考電壓作比較以確定一個 電壓以作為該DC-DC轉換器電路的電流限制保護。 6、 依申請專利範圍第4項之DC功率轉換系統,其中該仿 真電路包括一個比較器,其用來將該回饋控制電壓信號 與一個參考電麼作比較並4定一個電摩以作為該 DC-DC轉換器電路的電流限制保護。 7、 一種功率轉換系統,其包含: 一個功率轉換器,其包括一個電感和一個仿真電路,該 仿真電路用來連接一個第一電壓電源、一個第二電壓電 源、以及一個接地端,該仿真電路包含: 一個第一電晶體,其連接在該第一電壓電源和該接地端 之間; 一個可程式化之電阻,其連接在該第一電晶體與該接地 端之間; 一個放大器,其正輸入端連接該第二電壓電源,其負輸 入端連接在該第一電晶體與該可程式化之電阻之間,而 其輸出端連接該第一電晶體的閘極; 一個可程式化之電容,其連接在該第一電壓電源與該接 地端之間,使得當該電容連接到該第一電壓電源時,一 ,1315120個仿真的電感電流對該電容充電,而在該電容兩端建立 仿真的電感電塵; 一個開關’其連接在該可程式化之電容兩端, 一個比較器,用來將該仿真電感電壓與一個參考電壓作 比較;及 一個邏輯電路,其響應於該比較器的輸出,以操縱該開 關來確定一個電感電壓的限制值。 8、 依申請專利範圍第7項之功率轉換系統,其中該仿真電 路另包括一個第二電晶體,其連接在該第一電壓電源與 該第一電晶體之間。 9、 依申請專利範圍第8項之功率轉換系統,其中該仿真電 路另包括一個第三電晶體,其連接在該第一電壓電源與 該可程式化之電容之間,該第二電晶體和該第三電晶體 的相應閘極連接起來以形成一個電流鏡電路。 10、 依申請專利範圍第7項之功率轉換系統,另包括一個 控制電路,其連接該仿真電路,以接收該仿真電感電壓 和一個代表該電感電壓限制值的信號。 11、 一種功率轉換方法,其包括: 提供一個轉換器電路,其帶有一個有電感電流的電感; 仿真該電感電流,不直接或間接檢測或監督該電感電流 之實際值或一比例值; 產生一代表該電感電流之電壓信號; 比較該電壓信號與一個參考電壓;及 22 1315120 ! —98. ' 根據該比較的結果,產生一代表一電感電流限制之電壓 信號。 12、 依申請專利範圍第11項之功率轉換方法,另包括根 據代表遠電感電流及该電感電流限制的電壓信5虎5對該 轉換器電路提供回饋控制。 13、 依申請專利範圍第11項之功率轉換方法,另包括以 連續傳導模式運作該轉換器電路。 14、 依申請專利範圍第11項之功率轉換方法,另包括以 斷續傳導模式運作該轉換器電路。23 98.1315120 [潜換 1§o vlnd'-lmlt
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