TWI417855B - 液晶顯示器與電荷泵 - Google Patents
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Description
本發明係有關於電荷泵(charge pump)、以及採用該電荷泵之液晶顯示器(LCD)。
第1圖以一方塊圖圖解一液晶顯示器100,其中包括一顯示區域102以及一液晶顯示器驅動裝置104。液晶顯示器驅動裝置104通常自外部電壓源接收一參考電壓VCI以產生一正相電壓以及一負相電壓(以下分別稱之為VSP與VSN)驅動顯示區域102。液晶顯示器驅動裝置104通常採用一電荷泵產生上述電壓VSP與VSN。
然而,傳統電荷泵設計通常相當僵化,產生的電壓VSP與VSN受限於電荷泵本身的電路結構。若需求之電壓VSP與VSN改變,則需要重新設計電荷泵電路以輸出符合目前設定的電壓VSP與VSN。
此外,負載電流也常會導致電壓VSP與VSN偏離目標電位。
更甚者,某些傳統電荷泵可能在其充電、或電位耦升區間發生可觀的峰值電流,造成大量的能量消耗,使其液晶顯示器應用無法製作成可攜式消費產品。
針對上述缺點,本技術領域急需新的電荷泵技術。
本發明揭露電荷泵技術,大幅改善其峰值電流與應用彈性問題。本發明所揭露之電荷泵包括一輸出端點、一電容、複數個第一開關、複數個第二開關、複數個第三開關、複數個第四開關、一電位感測器、以及一電荷泵控制器。
上述電容具有一第一端點以及一第二端點。上述複數個第一開關呈並聯排列,用以耦接一第一參考電壓至該電容之上述第一端點。上述複數個第二開關呈並聯排列,用以耦接一第二參考電壓至一第一節點。該第一節點耦接該電容之上述第二端點。上述複數個第三開關呈並聯排列,用以耦接該電容之上述第一端點至該輸出端點。上述複數個第四開關呈並聯排列,用以耦接一第三參考電壓至一第二節點。該第二節點耦接該電容之上述第二端點。
上述電位感測器感測該輸出端點之電位以得到一輸出端點感測電位。該電荷泵控制器負責控制上述第一、第二、第三與第四開關。在一充電區間,該電荷泵控制器令所有的第三與第四開關不導通,且選擇性地導通上述第一、第二開關以產生一充電路徑充電該電容,其中,實際的導通開關量由該輸出端點感測電位決定。在一電位耦升區間,該電荷泵控制器令所有第一與第二開關不導通,且選擇性地導通上述第三、第四開關以產生一電位耦升路徑控制該電容之第一與第二端點電位,其中,實際的導通開關量由該輸出端點感測電位決定。
在本發明電荷泵的一種實施方式中,電荷泵控制器於該輸出端點感測電位低於一目標電位時增加上述充電、電位耦升區間的導通開關量。反之,若輸出端點感測電位高
於該目標電位,電荷泵控制器則減少上述導通開關量。
本發明更揭露採用本發明電荷泵的液晶顯示器。
以下列舉數個實施方式與圖示,說明本案技術內容。
此部分列舉本發明數個實施方式。該些實施方式將幫助使用者了解本發明之技術,但非用來限制本發明之範圍。有關本發明之技術範圍仍需以申請專利範圍所描述為準。
第2圖圖解本發明電荷泵的一種實施方式。電荷泵200包括:一輸出端點,用以輸出一電位VSP;一電容C1;複數個第一開關SW1,1…SW1,k;複數個第二開關SW2,1…SW2,l ;複數個第三開關SW3,1…SW3,m;複數個第四開關SW4,1…SW4,n;一電位感測器202、以及一電荷泵控制器204。上述開關可由金氧半電晶體(MOS transistors)實現。第一開關SW1,1…SW1,k呈並聯排列,用以耦接一第一參考電壓V1至電容C1之第一端點,且分別由控制信號G1,1…G1,k控制。第二開關SW2,1…SW2,l 呈並聯排列,用以耦接第二參考電壓V2至一第一節點n1,且分別由控制信號G2,1…G2,l 控制。第一節點n1耦接該電容C1之第二端點。第三開關SW3,1…SW3,m呈並聯排列,用以耦接電容C1之第一端點至輸出端點(標號VSP),且分別由控制信號G3,1…G3,m控制。第四開關SW4,1…SW4,n呈並聯排列,用以耦接一第三參考電壓V3至一第二節點n2,且分別由控制信號
G4,1…G4,n控制。第二節點n2耦接該電容C1之第二端點。
電位感測器202感測輸出端點(標號VSP)之電位,以產生輸出端點感測電位VSPdetect。電荷泵控制器204接收該輸出端點感測電位VSPdetect以及該輸出端點的一目標電位VSPtarget,以產生控制信號G1,1…G1,k、G2,1…G2,l 、G3,1…G3,m以及G4,1…G4,n,集合標示為Gi,j,用以控制開關SW1,1…SW1,k、SW2,1…SW2,l 、SW3,1…SW3,m以及SW4,1…SW4,n。在一充電區間,電荷泵控制器204令所有第三與第四開關SW3,1…SW3,m與SW4,1…SW4,n不導通,且選擇性地導通第一、第二開關SW1,1…SW1,k、SW2,1…SW2,l ,以提供一充電路徑由第一與第二參考電壓V1與V2充電該電容C1,其中,第一與第二開關SW1,1…SW1,k、SW2,1…SW2,l 中實際的導通開關量由輸出端點感測電壓VSPdetect決定。另外,在一電位耦升區間(pump period),電荷泵控制器204關閉所有第一與第二開關SW1,1…SW1,k與SW2,1…SW2,l ,且選擇性地導通第三與第四開關SW3,1…SW3,m與SW4,1…SW4,n以產生一電位耦升(pump)路徑。藉由該電位耦升路徑,輸出端點之電位VSP被第三參考電壓V3與電容C1所儲存的電位推升。至於該電位耦升區間上述第三與第四開關SW3,1…SW3,m與SW4,1…SW4,n實際的導通開關量則由輸出端點感測電位VSPdetect決定。
第3A與3B圖以流程圖說明電位感測器202與電荷泵控制器204於兩種實施方式之動作。首先說明第3A圖所示之流程圖。步驟S302中,電位感測器202感測該電荷泵之輸出端點的電位VSP,以得一輸出端點感測電位
VSPdetect。步驟S304中,電荷泵控制器204將該輸出端點感測電位VSPdetect與該輸出端點之目標電位VSPtarget比較。當VSPdetect<VSPtarget時,電荷泵控制器204執行步驟S306增強電荷泵效能,之後,執行步驟S308對電容C1進行一充電動作(於一充電區間)、接著進行一電位耦升動作(於一電位耦升區間)。步驟S306所執行之電荷泵效能增強動作包括:增加充電區間、電位耦升區間內的導通開關量。經過該增強動作,充電區間內實際導通的第一、第二開關數量(SW1,1…SW1,k與SW2,1…SW2,l 中實際導通的數量)增加,且電位耦升區間內實際導通的第三、第四開關數量(SW3,1…SW3,m與SW4,1…SW4,n中實際導通的數量)增加。反之,若步驟S304判斷出輸出端點感測電位VSPdetect已達到目標電位VSPtarget,則電荷泵控制器204略過步驟S306之電荷泵效能修正,直接執行步驟S308進行充電與電位耦升動作。步驟S308執行後,電荷泵控制器204可回頭執行步驟S302,以迴圈方式執行第3A圖所示之技術。
此段說明第3B圖所示之流程圖。與第3A圖相較,第3B圖更包括步驟S310。當步驟S304判斷出輸出端點感測電位VSPdetect已達到目標電位VSPtarget,電荷泵控制器204可在執行步驟S308之前更執行步驟S310-削弱電荷泵效能。上述電荷泵效能削弱動作包括:減少步驟S308之充電、電位耦升區間內的導通開關量。經過該電荷泵效能削弱動作,充電區間內實際導通的第一、第二開關數量(SW1,1…SW1,k與SW2,1…SW2,l 中實際導通的數量)減少,且電位耦升區內實際導通的第三、第四開關數量(SW3,1…
SW3,m與SW4,1…SW4,n中實際導通的數量)減少。相較於第3A圖,第3B圖所揭露之技術不僅提供電荷泵效能增強動作、更提供了電荷泵效能削弱動作,因此,可視目標電位VSPtarget動態增減電荷泵效能。
此段更敘述第2圖電荷泵200之操作例,其中第一、第二、第三與第四開關的數量分別設定為10個,即k=l=m=n=10。第4圖將該些開關標示為Si,1…Si,10,其中i為1…4代表開關種類(第一、第二、第三或第四開關)。第4圖標明該些開關於不同時段之設定。可被致動的開關標示為’1’,代表該開關在相對應之充電、或電位耦升期間會被導通。不能被致動的開關標示為’0’,代表該開關不可被使用,設定在不導通狀態。標號402顯示VSPdetect<VSPtarget的狀況,其中,電荷泵效能被持續增強;在多次的充電、電位耦升動作中,可致動的開關數量(又稱導通開關量)逐漸提升。標號404顯示輸出端點感測電位VSPdetect達到目標電位VSPtarget後的狀況。在標號404所示期間,電荷泵的效能基於輸出端點感測電位VSPdetect反覆地被增減調整;如圖所示,期間不同的充電、電位耦升動作所可致動的開關數量也適時地被增加或減少。如此一來,電荷泵輸出端點的電位VSP可在目標電位VSPtarget上下一限定區間內變動。
基於上述技術,本發明電荷泵具有高度應用彈性。當目標電位VSPtarget被設定為其他值,本發明電荷泵將自動調整其輸出端點的電位至此新設定目標電位VSPtarget,而無須從新設計電荷泵結構。
此外,上述電荷泵效能增強/削弱技術可自行判斷出符合目標電位VSPtarget的最佳化開關設定。傳統電荷泵技術所面臨之峰值電流與能量消耗問題都可大幅改善。
以第2圖所示之電荷泵為例,在某些實施方式中,第一與第三參考電壓V1與V3可為相等電位,皆標示為VCI,且第二參考電壓V2可為接地(ground),標示為VSSD。如此一來,電荷泵輸出端點所提供的電位VSP可為2*VCI-Iload*Rtotal。Iload代表一負載電流,與電荷泵200之輸出端點所耦接的負載有關。Rtotal代表所有可致動開關的電阻總合。
第5圖圖解本發明電荷泵的另一種實施方式。與第2圖所示之電荷泵200相較,電荷泵500更包括一第五開關SW5以及一電容C2,兩者串聯耦接於第一節點n1與第二節點n2之間。如圖所示,第二節點n2較第一節點n1靠近電容C1之第二端點。此外,與第2圖之電荷泵控制器204相較,第5圖之電荷泵控制器502更提供一控制信號G5控制第五開關SW5。在充電區間,電荷泵控制器502導通第五開關SW5。在電位耦升區間,電荷泵控制器502令第五開關SW5不導通。以第5圖所示之電路為例,某些實施方式可令第一與第三參考電壓V1與V3相等,標號為VCI,且第二參考電壓V2可為接地(ground),標示為VSSD。如此一來,電荷泵輸出端點所提供的電位VSP可為1.5*VCI-Iload*Rdrop。Iload代表一負載電流,與電荷泵500之輸出端點所耦接的負載有關。Rdrop則與可致動開關的電阻值有關。
第6圖圖解本案電荷泵的另一種實施方式。與第2圖之電荷泵200相較,第6圖之電荷泵600更包括一第五開關SW5、一電容C2、複數個第六開關SW6,1…SW6,p、以及複數個第七開關SW7,1…SW7,q。第五開關SW5與電容C2串聯於電容C1以及彼此直接連結的第一、第二節點n1、n2之間。第五開關SW5具有一第一端點耦接電容C1,且具有一第二端點耦接電容C2。第六開關SW6,1…SW6,p彼此呈並聯排列,用以耦接一第四參考電壓V4至第五開關SW5之第一端點。第七開關SW7,1…SW7,q彼此呈並聯排列,用以耦接一第五參考電壓V5至第五開關SW5之第二端點。
相較於第2圖電荷泵控制器204,第6圖之電荷泵控制器602更控制第五開關SW5、第六開關SW6,1…SW6,p與第七開關SW7,1…SW7,q。在充電區間,電荷泵控制器602包括:令所有第三與第四開關SW3,1…SW3,m與SW4,1…SW4,n不導通;根據輸出端點感測電位VSPdetect選擇性地導通第一、第二開關SW1,1…SW1,k、SW2,1…SW2,l ;令第五開關SW5不導通;且,根據輸出端點感測電位VSPdetect選擇性地導通第六、第七開關SW6,1…SW6,p與SW7,1…SW7,q。因此,電容C1由第一與第四參考電壓V1與V4藉由一第一充電路徑充電,該第一充電路徑由致動的第一與第六開關提供;且電容C2由第五與第二參考電壓V5與V2藉由一第二充電路徑充電,該第二充電路徑由致動的第七與第二開關提供。另外,在電位耦升區間,電荷泵控制器602包括:令所有第一、第二、第六與第七開關SW1,1…SW1,k、SW2,1…SW2,l 、SW6,1…SW6,p與SW7,1…SW7,q不導通;根據
輸出端點感測電位VSPdetect選擇性地導通第三與第四開關SW3,1…SW3,m與SW4,1…SW4,n;且,導通第五開關SW5。因此,電荷泵之輸出端點之電位將被第三參考電位V3與電容C1與C2所儲存的電位所推升。若輸出端點感測電位VSPdetect低於目標電位VSPtarget,電荷泵控制器602可增加上述第一充電路徑、第二充電路徑、或電位耦升路徑的導通開關量。若輸出端點感測電位VSPdetect達到目標電位VSPtarget,電荷泵控制器602可減少上述第一充電路徑、第二充電路徑、或電位耦升路徑的導通開關量。
以第6圖所示之電荷泵600為例,某些實施方式可令第一、第三與第五參考電壓V1、V3與V5相等,皆標示為VCI,並令第二與第四參考電壓V2與V4皆為接地,標示為VSSD。如此一來,電荷泵輸出端點所提供的電位VSP可為3*VCI-Iload*Rdrop。Iload代表一負載電流,與電荷泵500之輸出端點所耦接的負載有關。Rdrop則與可致動開關的電阻值有關。
本發明所揭露之電荷泵可被應用於液晶顯示器中,第7圖以方塊圖顯示其實施方式。液晶顯示器700包括一顯示區域702、一液晶顯示器驅動裝置704、以及一電荷泵706。液晶顯示器驅動裝置704乃用來驅動顯示區域702,且液晶顯示器驅動裝置704之參考電位乃由電荷泵706提供。電荷泵706可由前述多種方式實現,且可被饋入一參考電壓VCI以產生液晶顯示器驅動裝置704之參考電壓。液晶顯示器驅動裝置704可被製作在顯示區域702之玻璃基板,或被製作在該玻璃基板之外呈一晶片。此外,電荷泵
706同樣不限定於製作於顯示區域702之玻璃基板。例如,電荷泵706內的開關式電容電路亦可被製作於玻璃基板之外。
此外,本發明所揭露之諸多開關並不限定其尺寸。一電荷泵內的複數個開關可能有多種尺寸。
以上說明書敘述僅列舉本發明的某些實施方式,並非用來限定本發明範圍。本技術領域者根據本發明與現有技術所衍伸出來的任何變形與改良皆涉及本發明技術範圍。申請專利範圍並非僅限定於說明書實施例內容,更包括本技術領域者依照其敘述所能想像到的任何變形。
100‧‧‧液晶顯示器
102‧‧‧顯示區域
104‧‧‧液晶顯示器驅動裝置
200‧‧‧電荷泵
202‧‧‧電位感測器
204‧‧‧電荷泵控制器
402‧‧‧標示VSPdetect<VSPtarget的狀況
404‧‧‧標示顯示VSPdetect已達VSPtarget的狀況
500‧‧‧電荷泵
502‧‧‧電荷泵控制器
600‧‧‧電荷泵
602‧‧‧電荷泵控制器
700‧‧‧液晶顯示器
702‧‧‧顯示區域
704‧‧‧液晶顯示器驅動裝置
706‧‧‧電荷泵
C1、C2‧‧‧電容
G5‧‧‧開關SW5之控制信號
Gi,j‧‧‧開關SWi,j之控制信號,i、j為變數
n1、n2‧‧‧第一、第二節點
Si,1…10‧‧‧開關
SW5‧‧‧開關
SWi,j‧‧‧開關,i、j為變數
V1…V5‧‧‧第一…第五參考電壓
VCI‧‧‧參考電壓
VSP‧‧‧輸出端點的電位
VSPdetect‧‧‧輸出端點感測電位
VSPtarget‧‧‧目標電位
VSSD‧‧‧接地
第1圖以一方塊圖圖解一液晶顯示器100;第2圖圖解本發明電荷泵的一種實施方式;第3A與3B圖以流程圖說明電位感測器202與電荷泵控制器204於不同實施方式之動作;第4圖舉例說明本發明電荷泵內諸多開關於不同時段之設定;第5與6圖圖解本發明電荷泵的其他實施方式;以及第7圖以方塊圖顯示本案液晶顯示器之實施方式。
200‧‧‧電荷泵
202‧‧‧電位感測器
204‧‧‧電荷泵控制器
C1‧‧‧電容
Gi,j‧‧‧開關SWi,j之控制信號,i、j為變數
n1、n2‧‧‧第一、第二節點
SWi,j‧‧‧開關,i、j為變數
V1…V3‧‧‧第一…第三參考電壓
VCI‧‧‧參考電壓
VSP‧‧‧輸出端點的電位
VSPdetect‧‧‧輸出端點感測電位
VSPtarget‧‧‧目標電位
VSSD‧‧‧接地
Claims (20)
- 一種電荷泵,包括:一輸出端點;一第一電容,具有一第一端點以及一第二端點;複數個第一開關,呈並聯排列,用以耦接一第一參考電壓至該第一電容的上述第一端點;複數個第二開關,呈並聯排列,用以耦接一第二參考電壓至一第一節點,該第一節點耦接於該第一電容的上述第二端點;複數個第三開關,呈並聯排列,用以耦接該第一電容的上述第一端點至該輸出端點;複數個第四開關,呈並聯排列,用以耦接一第三參考電壓至一第二節點,該第二節點耦接該第一電容的上述第二端點;一電位感測器,感測該輸出端點之電位,以得到一輸出端點感測電位;以及一電荷泵控制器,控制上述第一、第二、第三與第四開關,其中:在一充電區間,該電荷泵控制器令上述第三與第四開關皆不導通、並根據上述輸出端點感測電位選擇性地導通上述複數個第一、二開關之數個第一、二開關;且在一電位耦升區間,該電荷泵控制器令上述第一與第二開關皆不導通、並根據上述輸出端點感測電位選擇性地 導通上述複數個第三、四開關之數個第三、四開關。
- 如申請專利範圍第1項所述之電荷泵,其中,該電荷泵控制器於上述該輸出端點感測電位低於一目標電位時增加導通開關量。
- 如申請專利範圍第2項所述之電荷泵,其中,該電荷泵控制器於該輸出端點感測電位達到該目標電位時減少導通開關量。
- 如申請專利範圍第2項所述之電荷泵,其中上述第一與第三參考電壓相等,且第二參考電壓為接地。
- 如申請專利範圍第2項所述之電荷泵,更包括:一第五開關、以及一第二電容,串聯於上述第一與第二節點之間,其中:該第二節點較該第一節點靠近該第一電容的上述第二端點;且該電荷泵控制器更控制該第五開關,於上述充電區間導通該第五開關,且於上述電位耦升區間不導通該第五開關。
- 如申請專利範圍第5項所述之電荷泵,其中上述電荷泵控制器於該輸出端點感測電位達到該目標電位時減少導通開關量。
- 如申請專利範圍第5項所述之電荷泵,其中上述第一與第三參考電壓相等,且該第二參考電壓為接地。
- 如申請專利範圍第2項所述之電荷泵,更包括:一第五開關以及一第二電容,串聯於該第一電容、以 及彼此直接連結在一起的上述第一和第二節點之間,其中該第五開關具有一第一端點與一第二端點,該第五開關之上述第一端點耦接該第一電容的上述第二端點,且該第五開關之上述第二端點耦接該第二電容以耦接上述直接連結在一起的第一和第二節點;複數個第六開關,呈並聯排列,用以耦接一第四參考電壓至該第五開關的上述第一端點;以及複數個第七開關,呈並聯排列,用以耦接一第五參考電壓至該第五開關的上述第二端點,其中:該電荷泵控制器更控制上述第五開關、第六開關以及第七開關;且在上述充電區間,該電荷泵控制器令該第五開關不導通、且根據上述輸出端點感測電位選擇性地導通上述複數個第六、七開關之數個第六、七開關;並且在上述電位耦升區間,該電荷泵控制器令該第五開關導通、且令上述第六與第七開關皆不導通。
- 如申請專利範圍第8項所述之電荷泵,其中該電荷泵控制器於該輸出端點感測電位達到上述目標電位時減少導通開關量。
- 如申請專利範圍第8項所述之電荷泵,其中上述第一、第三與第五參考電壓相等,且上述第二與第四參考電壓為接地。
- 一種液晶顯示器,包括:一顯示區域;以及 一電荷泵,輸出一正值電壓以供驅動該顯示區域,該電荷泵包括:一輸出端點,提供該正值電壓;一第一電容,具有一第一端點以及一第二端點;複數個第一開關,呈並聯排列,用以耦接一第一參考電壓至該第一電容的上述第一端點;複數個第二開關,呈並聯排列,用以耦接一第二參考電壓至一第一節點,該第一節點耦接該第一電容的上述第二端點;複數個第三開關,並聯於該第一電容之上述第一端點與該輸出端點之間;複數個第四開關,呈並聯排列,用以耦接一第三參考電壓至一第二節點,該第二節點耦接該第一電容的上述第二端點;一電位感測器,感測該輸出端點之電位以產生一輸出端點感測電位;一電荷泵控制器,控制上述第一、第二、第三、以及第四開關,其中:在一充電區間,該電荷泵控制器令所有上述第三與第四開關不導通、且根據上述輸出端點感測電位選擇性地導通上述複數個第一、二開關之數個第一、二開關;且在一電位耦升區間,該電荷泵控制器令所有上述第一與第二開關不導通、且根據上述輸出端點感測電位選擇性地導通上述複數個第三、四開關之數個第三、四開關。
- 如申請專利範圍第11項所述之液晶顯示器,其中上述電荷泵控制器於上述輸出端點感測電位低於一目標電位時增加導通開關量。
- 如申請專利範圍第12項所述之液晶顯示器,其中上述電荷泵控制器於上述輸出端點感測電位達到該目標電位時減少導通開關量。
- 如申請專利範圍第12項所述之液晶顯示器,其中上述第一與第三參考電壓相等,且該第二參考電壓為接地。
- 如申請專利範圍第12項所述之液晶顯示器,更包括:一第五開關以及一第二電容,串接於上述第一與第二節點之間,其中:該第二節點較該第一節點靠近該第一電容之上述第二端點;且該電荷泵控制器更控制該第五開關,於該充電區間導通該第五開關,且於該電位耦升區間不導通該第五開關。
- 如申請專利範圍第15項所述之液晶顯示器,其中該電荷泵控制器於上述輸出端點感測電位達到該目標電位時減少導通開關量。
- 如申請專利範圍第15項所述之液晶顯示器,其中上述第一與第三參考電壓相等,且該第二參考電壓為接地。
- 如申請專利範圍第12項所述之液晶顯示器,更包括:一第五開關以及一第二電容,呈串聯連接,位於該第 一電容、以及彼此直接相連的上述第一與第二節點之間,其中該第五開關具有一第一端點以及一第二端點,該第五開關之上述第一端點耦接該第一電容之上述第二端點,且該第五開關之上述第二端點耦接該第二電容以耦接上述直接相連的第一以及第二節點;複數個第六開關,呈並聯排列,用以耦接一第四參考電壓至該第五開關的上述第一端點;以及複數個第七開關,呈並聯排列,用以耦接一第五參考電壓至該第五開關的上述第二端點,其中:該電荷泵控制器更控制上述第五開關、第六開關以及第七開關;在上述充電區間,該電荷泵控制器令該第五開關不導通、且根據該輸出端點感測電位選擇性地導通上述複數個第六、七開關之數個第六、七開關;且在上述電位耦升區間,該電荷泵控制器令該第五開關導通、且令所有上述第六與第七開關不導通。
- 如申請專利範圍第18項所述之液晶顯示器,其中該電荷泵控制器於該輸出端點感測電位達到該目標電位時減少導通開關量。
- 如申請專利範圍第18項所述之液晶顯示器,其中上述第一、第三與第五參考電壓相等,且上述第二與第四參考電壓為接地。
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