TWI486098B - 發光二極體驅動器之控制電路及其離線控制電路 - Google Patents

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
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    • H05B45/14—Controlling the intensity of the light using electrical feedback from LEDs or from LED modules
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
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    • H05B45/382—Switched mode power supply [SMPS] with galvanic isolation between input and output

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  • Led Devices (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
  • Control Of Indicators Other Than Cathode Ray Tubes (AREA)
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Description

發光二極體驅動器之控制電路及其離線控制電路
本發明為關於一種發光二極體(light emission diode；LED)驅動器，特別是指一種用以控制發光二極體的最大電壓與跨於電流源的最大電壓之控制電路。
發光二極體驅動器的特性是可以用來控制發光二極體的亮度，也可以用來控制流經發光二極體的電流。較大的電流會增加發光二極體的明亮的強度，但也會因而減低發光二極體的壽命。「第1圖」係繪示一種傳統的發光二極體驅動器之離線電路；藉由調整發光二極體驅動器的輸出電壓VO ，提供經由電阻器79到發光二極體71~75的電流ILED ，此電流ILED 以下列公式表示：
其中VF71 ~VF75 分別表示發光二極體71~75的順向電壓。
如「第1圖」中所示的發光二極體之缺點在於電流ILED 會產生變化。由於電流ILED 隨著VF71 ~VF75 的順向電壓的改變而改變，而生產與操作溫度的差異與變化量會導致VF71 ~VF75 的順向電壓無法保持固定，因此，發光二極體71~75、81~85的最大電壓和最大電流可能會過載，因而減損了發光二極體71~75、81~85的壽命。
針對上述問題，本發明提出一種離線控制電路，來控制發光二極體的最大電壓與跨於電流源的最大電壓。
根據本發明所揭露之一種發光二極體驅動器之控制電路，係包含有一電壓回饋電路、複數電流源、一感測電路與一緩衝電路。電壓回饋電路會耦合至複數發光二極體，並感測電壓回饋訊號以產生電壓迴路訊號，該些電流源會耦合至該些發光二極體以控制發光二極體電流，感測電路會依據該些電流源之最大電壓而感測該些電流源之複數電壓，並產生一箝制訊號(clamp signal)，緩衝電路會根據電壓迴路訊號與箝制訊號而產生一回饋訊號。該電壓回饋訊號係與跨於發光二極體之電壓有比例關係。回饋訊號用以控制該些發光二極體之最大電壓與跨於該些電流源之最大電壓。
再者，根據本發明所揭露之一種發光二極體驅動器之離線控制電路，係包含有一電壓回饋電路、複數電流源、一感測電路與一緩衝電路。複數發光二極體係以串聯及並聯連接。電壓回饋電路耦合至該些發光二極體，並感測電壓回饋訊號以產生電壓迴路訊號，該些電流源耦合至該些發光二極體以控制發光二極體電流，感測電路感測該些電流源之複數電壓，並依據該些電流源之最大電壓產生一箝制訊號，緩衝電路根據電壓迴路訊號與箝制訊號而產生一回饋訊號。該電壓回饋訊號係與跨於發光二極體之電壓有比例關係。回饋訊號用以控制該些發光二極體之最大電壓與跨於該些電流源之最大電壓。
請參閱「第2圖」，係顯示本發明發光二極體驅動器之離線控制電路之較佳實施例示意圖。離線控制電路包含有切換電路50、分壓器60、第一電容器91、第二電容器92與控制器95。發光二極體81~85與發光二極體71~75作並聯，然後發光二極體71~75與81~85再連接至控制器95。且輸出電壓VO 係透過控制器95提供給發光二極體71~75與81~85，複數發光二極體電流流經控制器95之複數電流源I1至IN。另外，分壓器60具有至少二電阻器61與62，並感測輸出電壓VO 以產生電壓回饋訊號SV ，控制器95感測電流源I1至IN之電壓並接收電壓回饋訊號SV ，控制器95的控制端CT接收控制訊號SCNT 以控制電流源I1至IN的導通與截止(on/off)與發光二極體71~75與81~85的發光強度。
切換電路50包含有切換控制器51與功率電晶體20，切換電路50透過變壓器10產生發光二極體電流。整流器40與電容器45耦合至變壓器10，並依據變壓器10的切換而產生輸出電壓VO 。切換控制器50會依照回饋電壓VFB 與切換電流訊號VC 產生切換訊號VPWM 。回饋電壓VFB 是透過光耦合器35藉由回饋訊號SD 所產生，而切換訊號VPWM 透過功率電晶體20對變壓器10進行切換動作。切換訊號VPWM 的脈衝寬度會決定輸出電壓VO 的振幅。電阻器30則連接至功率電晶體20並耦合至變壓器10，電阻器30感測變壓器10的切換電流，用以產生切換電流訊號VC 。
「第3圖」係繪示根據本發明所提供的切換控制器51之電路圖。切換控制器51包含有一振盪器(OSC)511、一反相器(inverter)512、一正反器(flip－flop)513、一及閘(AND gate)514、一比較器519、一提升電阻器(pull high resistor)515、一位準偏移電晶體(level－shift transistor)516與二電阻器517、518。振盪器(OSC)511產生脈衝訊號PLS透過反相器512而耦合至正反器513，以啟用正反器513，使正反器513能夠運作。正反器513之輸出端Q與反相器512之輸出端連接至及閘514，以啟用切換訊號VPWM ，使切換訊號VPWM 能夠運作。回饋電壓VFB 傳送到位準偏移電晶體516。提升電阻器515連接至位準偏移電晶體516提供偏壓。電阻器517與518係形成一分壓器並連接到位準偏移電晶體516，用以產生衰減訊號，此衰減訊號傳送到比較器519之一個輸入端，比較器519之另一個輸入端負責接收切換電流訊號VC ，且比較器519會比較衰減訊號與切換電流訊號VC ，並產生重設訊號RST，以透過正反器513停用切換訊號VPWM ，使切換訊號VPWM 無法運作。
「第4圖」係繪示根據本發明所提供的控制器95之電路圖。藉由複數電流源元件510至550而形成電流源I1至IN，電流源I1至IN係耦合至發光二極體以控制發光二極體電流，且控制訊號XCNT 控制電流源元件510至550的導通與截止，控制訊號XCNT 是透過取樣保持電路(S/H)300由控制訊號SCNT 所產生，而取樣保持電路300感測電流源I1至IN的電壓以產生複數電流源訊號S1 至SN 。回饋電路(AMP)100的電壓回饋電路感測電壓回饋訊號SV 以產生電壓迴路訊號COMV ，回饋電路100的緩衝電路根據電壓迴路訊號COMV 與箝制訊號COMI 而產生回饋訊號SD 。回饋訊號SD 係用以控制發光二極體的最大電壓以及跨於電流源I1至IN的最大電壓。
「第5圖」係繪示根據本發明所提供的電流源元件550之電路圖。電流源元件550包含一電流源555、複數電晶體552、556與557以及一反相器551。電流源555連接至電晶體552、556與557，而電晶體556與557形成一電流鏡(current mirror)在電晶體557上產生電流源IN。控制訊號XCNT 透過反相器551傳送到電晶體552以控制電晶體557與電流源IN的導通與截止。
「第6圖」係繪示根據本發明所提供的取樣保持電路300之電路圖。取樣保持電路300包含複數電壓箝制電晶體310至319、複數取樣開關320至329、複數保持電容器330至339、一電流源350、一齊納二極體351、一開關352、一反相器353與一訊號產生電路700。電壓箝制電晶體310至319耦合至電流源I1至IN，用以對於電流源I1至IN的電壓加以箝制在齊納二極體351的臨界電壓VT 下之最大值，每一電壓箝制電晶體310至319具有源極端，其分別耦合至串聯的取樣開關320至329，以對於電流源I1至IN的電壓進行取樣。而保持電容器330至339耦合至取樣開關320至329以產生電流源訊號S1 至SN 。訊號產生電路700根據控制訊號SCNT 產生控制訊號YCNT 與控制訊號XCNT ，控制訊號YCNT 控制取樣開關320至329。由齊納二極體351所產生的臨界電壓VT 傳送到電壓箝制電晶體310至319的閘極。電流源350提供一偏壓至齊納二極體351。開關352是由電壓箝制電晶體310至319的閘極來連接至接地，開關352是透過反相器353由控制訊號YCNT 所控制。因此，電壓箝制電晶體310至319將會根據控制訊號YCNT 而關閉。
「第7圖」係繪示取樣保持電路300之訊號波形圖。延遲時間TD1 與TD2 是插入於控制訊號SCNT 、XCNT 與YCNT 之間。「第8圖」係繪示根據本發明所提供的訊號產生電路700的較佳實施例之電路圖。訊號產生電路700包含有二電流源720與730、二電晶體721與731、二電容器725與735、二反相器710與737、一或閘(OR gate)736與一及閘(AND gate)726。電流源720與電容器725之電容值決定延遲時間TD1 。電流源730與電容器735之電容值決定延遲時間TD2 。控制訊號SCNT 控制電晶體721，電晶體721耦合至電容器725並對於電容器725進行放電，控制訊號SCNT 更透過反相器710控制電晶體731，電晶體731耦合至電容器735並對於電容器735進行放電。或閘736產生控制訊號XCNT ，或閘736的輸入端經由反相器737連接至電容器735，或閘736的另一輸入端連接至反相器710的輸出端。而及閘726產生控制訊號YCNT ，及閘726的輸入端連接至電容器725，及閘726的另一輸入端連接至反相器710的輸出端。
「第9圖」係繪示根據本發明所提供的回饋電路100之電路圖。回饋電路100包含有一電壓回饋電路101、一感測電路102、一緩衝電路103、一電流源135與一開關137。電壓回饋電路101包含有一運算放大器110、一電流源130與前述之第一電容器91(如「第2圖」所示)。運算放大器110具有一參考電壓VR1 ，可與電壓回饋訊號SV 相比較而產生電壓迴路訊號COMV 。第一電容器91是從運算放大器110的輸出端被耦合至接地端，以進行頻率補償。運算放大器110為一種互導運算放大器(trans－conductance operational amplifier)。
感測電路102具有一取樣與保持電路300、複數放大器120~129、一電流源140與前述之第二電容器92(如「第2圖」所示)。放大器120~129之正輸入端具有一臨界電流VT1 ，放大器120~129之負輸入端分別感測電流回饋訊號S1 ~SN ，放大器120~129並根據電流源I1至IN的最大電壓產生箝制訊號COMI 。第二電容器92是從放大器120~129之輸出端耦合至接地端，以進行頻率補償。放大器120~129為一種互導運算放大器並相互並聯連接。
緩衝電路103包含有二緩衝放大器150、160與一電流源180，以根據電壓迴路訊號COMV 與箝制訊號COMI 產生回饋訊號SD 。緩衝放大器150與緩衝放大器160係以並聯連接。而回饋訊號SD 透過光耦合器35耦合至切換控制器51，以控制發光二極體的最大電壓與最大電流。
電流源135乃透過開關137耦合至分壓器60(如「第2圖」所示)，並接收電壓回饋訊號SV 。而控制訊號SCNT 控制開關137，因此，一控制電流是根據控制訊號SCNT 所產生，且控制電流的振幅是由電流源135所決定的，控制電流耦合至分壓器60以控制跨於發光二極體的電壓。
其中，R61 與R62 分別為電阻器61與62之電阻值；及I135 為電流源135之電流。
上述方程式(1)表示當開關137截止時跨於發光二極體的電壓。而方程式(2)表示當開關135導通時跨於發光二極體的電壓。發光二極體電壓的值將可由電阻器61與62之電阻值以及比率予以調整。
「第10圖」係繪示本發明互導運算放大器110、120~129之範例電路圖。此電路包含複數電晶體211、212、220、225、230、235、240與一電流源210。電晶體211具有耦合至電晶體212與電流源210之閘極、耦合至電流源210之汲極、以及耦合至電壓源VDD 與電晶體212之源極。電晶體212具有耦合至電晶體211之閘極、耦合至電晶體220與230之汲極、以及耦合至電壓源VDD 與電晶體211之源極。電晶體220具有耦合至放大器的反相輸入端(inverting input terminal)之閘極、耦合至電晶體225與235之汲極、以及耦合至電晶體212之源極。電晶體230具有耦合至放大器的非反相輸入端(non－inverting input terminal)之閘極、耦合至電晶體235與240之汲極、以及耦合至電晶體212之源極。電晶體225具有耦合至電晶體235與220之閘極、耦合至電晶體220之汲極、以及耦合至接地端之源極。電晶體235具有耦合至電晶體225與220之閘極、耦合至電晶體240之汲極、以及耦合至接地端之源極。電晶體240具有耦合至電晶體230與235之閘極、耦合至放大器之通用端COM之汲極、以及耦合至接地端之源極。
「第11圖」係繪示本發明互導緩衝放大器150與160之另一範例電路圖。此電路包含有複數電晶體251、252、253、260、265、270、275、280、290、一電流源250與串聯連接的一電容器281與一電阻器283。電晶體251具有耦合至電晶體252、253與電流源250之閘極、耦合至電流源250之汲極、以及耦合至電壓源VDD 與電晶體252、253、290之源極。電晶體252具有耦合至電晶體251之閘極、耦合至電晶體260與270之汲極、以及耦合至電壓源VDD 與電晶體251、253與290之源極。電晶體253具有耦合至電晶體251之閘極、耦合至電阻器283與電晶體280、290之汲極、以及耦合至電壓源VDD 與電晶體251、252、290之源極。電晶體260具有耦合至放大器的非反相輸入端之閘極、耦合至電晶體265與275之汲極、以及耦合至電晶體252、270之源極。電晶體270具有耦合至放大器的反相輸入端之閘極、耦合至電晶體275、280與電容器281之汲極、以及耦合至電晶體252之源極。電晶體265具有耦合至電晶體275與260之閘極、耦合至電晶體260之汲極、以及耦合至接地端之源極。電晶體275具有耦合至電晶體265與260之閘極、耦合至電晶體280與電容器281之汲極、以及耦合至接地端之源極。電晶體280具有耦合至電晶體270、275與電容器281之閘極、耦合至電晶體253、290與電阻器283之汲極、以及耦合至接地端之源極。電晶體290具有耦合至電晶體280、253與電阻器283之閘極、耦合至電壓源VDD 與電晶體251、252、253之源極、以及接收回饋訊號SD 之汲極。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。
10．．．變壓器
100．．．回饋電路
101．．．電壓回饋電路
102．．．感測電路
103．．．緩衝電路
110．．．運算放大器
120~129．．．放大器
130．．．電流源
135．．．電流源
137．．．開關
140．．．電流源
150．．．緩衝放大器
160．．．緩衝放大器
180．．．電流源
20．．．功率電晶體
210．．．電流源
211．．．電晶體
212．．．電晶體
220．．．電晶體
225．．．電晶體
230．．．電晶體
235．．．電晶體
240．．．電晶體
250．．．電流源
251．．．電晶體
252．．．電晶體
253．．．電晶體
260．．．電晶體
265．．．電晶體
270．．．電晶體
275．．．電晶體
280．．．電晶體
281．．．電容器
283．．．電阻器
290．．．電晶體
30．．．電阻器
300．．．取樣保持電路
310~319．．．電晶體
320~329．．．取樣開關
330~339．．．保持電容器
35．．．光耦合器
350．．．電流源
351．．．齊納二極體
352．．．開關
353．．．反相器
40．．．整流器
45．．．電容器
50．．．切換電路
51．．．切換控制器
511．．．振盪器
512．．．反相器
513．．．正反器
514．．．及閘
515．．．提升電阻器
516．．．位準偏移電晶體
517．．．電阻器
518．．．電阻器
519．．．比較器
550．．．電流源元件
551．．．反相器
552．．．電晶體
555．．．電流源
556．．．電晶體
557．．．電晶體
60．．．電壓分壓器
61．．．電阻器
62．．．電阻器
700．．．訊號產生電路
71~75．．．發光二極體
710、737．．．反相器
720、730．．．電流源
721、731．．．電晶體
725、735．．．電容器
726．．．及閘
736．．．或閘
79．．．電阻器
81~85．．．發光二極體
91．．．第一電容器
92．．．第二電流器
95．．．控制器
COMI ．．．箝制訊號
COMV ．．．電壓迴路訊號
CT．．．控制端
I1~IN．．．電流源
Q．．．輸出端
RST．．．重設訊號
TD1 ．．．延遲時間
TD2 ．．．延遲時間
SCNT ．．．控制訊號
SD ．．．回饋訊號
S1 ~SN ．．．電流回饋訊號
SV ．．．電壓回饋訊號
VC ．．．切換電流訊號
VDD ．．．電壓源
VFB ．．．回饋電壓
VO ．．．輸出電壓
VPWM ．．．切換訊號
VR1 ．．．參考電壓
XCNT ．．．控制訊號
YCNT ．．．控制訊號
第1圖係為一種傳統的離線發光二極體驅動器之電路圖。
第2圖係為根據本發明所提供的一種發光二極體驅動器之離線控制電路之電路圖。
第3圖係為根據本發明所提供的一種切換控制器之電路圖。
第4圖係為根據本發明所提供的一種發光二極體驅動器之控制電路之電路圖。
第5圖係為根據本發明所提供的一種電流源元件之電路圖。
第6圖係為根據本發明所提供的一種取樣保持電路之電路圖。
第7圖係為根據本發明所提供的一種取樣保持電路之訊號波形。
第8圖係為根據本發明所提供的一種訊號產生電路之較佳實施例之電路圖。
第9圖係為根據本發明所提供的一種回饋電路之電路圖。
第10圖係為根據本發明所提供的一種電晶體互導運算放大器之電路圖。
第11圖係為根據本發明所提供的一種電晶體互導緩衝放大器之電路圖。
10．．．變壓器
100．．．回饋電路
20．．．功率電晶體
30．．．電阻器
35．．．光耦合器
40．．．整流器
45．．．電容器
50．．．切換電路
51．．．切換控制器
60．．．分壓器
61．．．電阻器
62．．．電阻器
71~75．．．發光二極體
79．．．電阻器
81~85．．．發光二極體
91．．．第一電容器
92．．．第二電流器
95．．．控制器
COMI ．．．電流迴路訊號
COMV ．．．電壓迴路訊號
I1~IN．．．電流源
SCNT ．．．控制訊號
SD ．．．回饋訊號
S1 ~SN ．．．電流回饋訊號
SV ．．．電壓回饋訊號
VC ．．．切換電流訊號
VFB ．．．回饋電壓
VO ．．．輸出電壓
VPWM ．．．切換訊號

Claims (12)

  1. 一種發光二極體驅動器之控制電路，用以控制複數發光二極體，包含有：複數電流源，耦合至該些發光二極體以控制複數發光二極體電流；一感測電路，耦合至該些發光二極體，並依據該些電流源之最大電壓來感測該些電流源之複數電壓，用以產生一箝制訊號；以及一緩衝電路，根據該箝制訊號而產生一回饋訊號，以控制跨於該些電流源之最大電壓；其中該感測電路包含：一取樣保持電路，感測該些電流源之該些電壓以產生複數電流源訊號；以及複數放大器，接收該些電流源訊號以產生該箝制訊號；其中，該些放大器係相互並聯，並依據該些電流源訊號之最大電壓而產生該箝制訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動器之控制電路，其中該回饋訊號係透過一光耦合器而耦合至一切換電路，且該切換電路係透過一變壓器而產生該些發光二極體電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動器之控制電路，其中該感測電路具有一臨界電壓，該臨界電壓與該些電流源之該些電壓進行比較後，以產生該箝制訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體驅動器之控制電路，其中該取樣保持電路包含：複數電壓箝制電晶體，耦合至該些電流源，以對於該些電流源之電壓加以箝制在一最大值；複數取樣開關，係與該些電壓箝制電晶體串聯連接，以對於該些電流源之電壓加以取樣；以及 複數保持電容器，耦合至該些取樣開關，以產生該些電流源訊號；其中，該些電壓箝制電晶體之一閘極係具有一臨界電壓。
  5. 一種發光二極體驅動器之離線控制電路，用以控制複數發光二極體，包含有：一電壓回饋電路，耦合至該些發光二極體，並感測一電壓回饋訊號，該電壓回饋訊號與跨於該些發光二極體之電壓成比例關係，用以產生一電壓迴路訊號；複數電流源，耦合至該些發光二極體，用以控制複數發光二極體電流；一感測電路，耦合至該些發光二極體，並依據該些電流源之最大電壓來感測該些電流源之複數電壓，用以產生一箝制訊號；以及一緩衝電路，根據該電壓迴路訊號與該箝制訊號而產生一回饋訊號，以控制該些發光二極體之最大電壓與跨於該些電流源之最大電壓；其中該感測電路包含：一取樣保持電路，感測該些電流源之該些電壓以產生複數電流源訊號；以及複數放大器，接收該些電流源訊號以產生該箝制訊號；其中，該些放大器係相互並聯，並依據該些電流源訊號之最大電壓而產生該箝制訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動器之離線控制電路，其中該回饋訊號係透過一光耦合器而耦合至一切換電路，且該切換電路係透過一變壓器而產生該些發光二極體電流。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動器之離線控制電路，其中該電壓回饋電路具有一參考電壓，該參考電壓與該電壓回饋訊號進行比較後，以產生該電壓迴路訊號。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動器之離線控制電路，其中該感測電路具有一臨界電壓，該臨界電壓與該些電流源之該些電壓進行比較後，以產生該箝制訊號。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動器之離線控制電路，更包含一控制端，該控制端係接收一控制訊號以控制該些發光二極體之發光強度，其中依據該控制訊號係產生一控制電流，且該控制電流係傳輸至該電壓回饋電路，以控制跨於該些發光二極體之電壓。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動器之離線控制電路，其中該電壓回饋電路包含：一第一運算放大器，接收該電壓回饋訊號以產生該電壓迴路訊號；以及一第一電容器，由該第一運算放大器之一輸出端耦合至一接地端以進行頻率補償；其中，該第一運算放大器係為一互導運算放大器。
  11. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動器之離線控制電路，其中該取樣保持電路包含：複數電壓箝制電晶體，耦合至該些電流源，以對於該些電流源之電壓加以箝制在一最大值；複數取樣開關，係與該些電壓箝制電晶體串聯連接，以對於該些電流源之電壓加以取樣；以及複數保持電容器，耦合至該些取樣開關以產生該些電流源訊號；其中，該些電壓箝制電晶體之一閘極係具有一臨界電壓。
  12. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體驅動器之離線控制電路，其中該緩衝電路包含並聯的二緩衝放大器，用以分別接收該電壓迴路訊號與該箝制訊號以產生該回饋訊號。
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