TWI315120B - Dc power conversion system and power conversion method - Google Patents

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. '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

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