TWI630805B - Signal transmission method and system using power transmission path - Google Patents

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Abstract

一種信號傳輸系統包含彼此串接的一開關元件及一第一扼流元件分別電連接一電力線及一第一導電路徑、一串接在該第一導電路徑與一負載之間的第二扼流元件、彼此串接的一第三扼流元件及一諧振電路分別電連接另一電力線與一在該開關元件與該第一扼流元件之間的第一共同節點、及一電連接在該第三扼流元件與該諧振電路之間的一第二共同節點與該負載之間的第二導電路徑。一控制區塊在控制該開關元件不導通時提供一流經該負載的感應電流，該等扼流元件各自的磁芯在該開關元件不導通時未達磁飽和，而在開關元件導通時操作在磁飽和。

Description

利用電力傳輸路徑的信號傳輸方法及系統
本發明是有關於一種信號傳輸方法，特別是指一種利用電力傳輸路徑的信號傳輸方法及系統。
電力線通訊技術利用了廣泛分布的電性線路來執行電子裝置的控制。舉例來說，如中國專利公開號第103313473 A號所揭露的一種基於電力線載波通訊對於LED裝置的調光控制裝置包含耦接至電力線的一主控制器及一從控制器，並藉由電力線進行主控制器與從控制器彼此的資料通訊。然而，如此的資料通訊方式恐面臨因外部雜訊干擾所導致的傳輸資料的失真，以及當主控制器與從控制器相距較長距離(長距離傳輸)時所遭遇的雜訊及傳輸資料失真等問題。
因此，現有的電力線通訊技術仍有很大的改良空間。
因此，本發明的目的，即在提供一種利用電力傳輸路徑的信號傳輸方法及系統，其能減緩習知技藝的至少一個缺點。
於是，本發明利用電力傳輸路徑的信號傳輸方法包含以下步驟：(A)將彼此串接的一開關元件及一第一扼流元件以該開關元件的一連接端電連接共同傳輸電力的一第一電力線與一第二電力線其中一者，並在該第一扼流元件與一用於串接一負載的第二扼流元件之間建立一第一導電路徑；(B)將彼此串接的一第三扼流元件及一第一諧振電路分別電連接該第一電力線及該第二電力線其中另一者、及一在該開關元件與該第一扼流元件之間的第一共同節點，並在該第三扼流元件與該諧振電路之間的一第二共同節點與該負載之間建立一第二導電路徑，其中該第一導電路徑及該第二導電路徑共同構成該電力傳輸路徑；及(C)控制該開關元件不導通，並在該開關元件不導通期間，提供一相關於一用於控制該負載操作的控制信號的感應電流，其中該感應電流至少流經該第一扼流元件、該第一導電路徑、該第二扼流元件、該第二導電路徑及該第一諧振電路。
該第一、第二及第三扼流元件分別具有一第一磁芯、一第二磁芯及一第三磁芯，該第一、第二及第三磁芯均具有一對應於一特定磁滯曲線的磁滯特性，以致當該開關元件不導通時，該感應電流不使該第一、第二及第三磁芯達到磁飽和，而當該開關元件導 通時，一由該電力所引起的電流流經該開關元件、該第一扼流元件、該第一導電路徑、該第二扼流元件、該負載、該第二導電路徑及該第三扼流元件並且使該第一、第二及第三磁芯操作在磁飽和。
於是，本發明利用電力傳輸路徑的信號傳輸系統包含彼此串接的一開關元件及一第一扼流元件、一第二扼流元件、一第一導電路徑、彼此串接的一第三扼流元件及一第一諧振電路、一第二導電路徑、及一第一控制區塊。該開關元件具有一用來電連接共同傳輸電力的一第一電力線與一第二電力線其中一者的連接端、及一用於接收一開關控制信號的開關控制端，以致該開關元件回應於該開關控制信號而導通或不導通，該第一扼流元件具有一第一磁芯。該第二扼流元件係用來與一負載串接，並具有一第二磁芯。該第一導電路徑電連接在該第一及第二扼流元件之間，以使該第一及第二扼流元件經由該第一導電路徑將彼此串接。該第三扼流元件及該第一諧振電路分別電連接該第一電力線及該第二電力線其中另一者、及一在該開關元件與該第一扼流元件之間的第一共同節點，該第三扼流元件具有一第三磁芯。該第二導電路徑電連接在該第三扼流元件與該諧振電路之間的一第二共同節點及該負載之間，並與該第一導電路徑共同構成該電力傳輸路徑。該第一控制區塊電連接該第一電力線及第二電力線以及該開關元件的該開關控制端，且產生並輸出該開關控制信號至該開關元件的該開關控制端，以使得當該 開關元件回應於該開關控制信號而不導通時，該第一控制區塊以感應的方式提供一相關於一用於控制該負載操作的控制信號且至少流經該第一扼流元件、該第一導電路徑、該第二扼流元件、該第二導電路徑及該第一諧振電路的感應電流。
該第一、第二及第三磁芯均具有一對應於一特定磁滯曲線的磁滯特性，以致當該開關元件不導通時，該感應電流不使該第一、第二及第三磁芯達到磁飽和，而當該開關元件回應於該開關控制信號而導通時，一由該電力所引起的電流流經該開關元件、該第一扼流元件、該第一導電路徑、該第二扼流元件、該負載、該第二導電路徑及該第三扼流元件並使該第一、第二及第三磁芯操作在磁飽和。
本發明功效在於：在該開關元件的不導通期間，藉由以一電流模式提供相關於該控制信號且流經該第一扼流元件、該第一導電路徑、該第二扼流元件、該第二導電路徑及該第一諧振電路的該感應電流，可有效確保該控制信號能在好的傳輸品質下被傳輸。
100‧‧‧信號傳輸系統
1‧‧‧開關元件
11‧‧‧開關控制端
12‧‧‧連接端
2‧‧‧第一扼流元件
21‧‧‧扼流圈
3‧‧‧第二扼流元件
31‧‧‧扼流圈
4‧‧‧第三扼流元件
41‧‧‧扼流圈
5‧‧‧第一諧振電路
51‧‧‧電容器
52‧‧‧電感器
6‧‧‧第一控制區塊
70‧‧‧控制端
71‧‧‧第二電感器
72‧‧‧第二控制單元
8‧‧‧第一諧振電路
81‧‧‧電容器
82‧‧‧電感器
200‧‧‧負載
201‧‧‧EMI濾波器
A‧‧‧第一共同節點
B‧‧‧第二共同節點
P1‧‧‧第一導電路徑
P2‧‧‧第二導電路徑
W1‧‧‧第一電力線
W2‧‧‧第二電力線
61‧‧‧第一電感器
62‧‧‧第一控制單元
7‧‧‧第二控制區塊
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一電路方塊圖，說明本發明信號傳輸系統的一第一實施 例；圖2繪示出一代表該第一實施例中的第一、第二及第三磁芯的一磁滯曲線圖；圖3繪示出該第一實施例中所輸入電壓以及流經一第一導電路徑的電流的波形圖；及圖4是一電路方塊圖，說明本發明信號傳輸系統的一第二實施例。
在本發明被詳細描述的前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1至圖3，本發明信號傳輸系統100的一第一實施例係利用了一電力傳輸路徑。在該第一實施例中，該電力傳輸路徑例如係由一第一導電路徑P1及一第二導電路徑P2所構成，該信號傳輸系統100適於與一例如為一電子裝置的負載200結合使用，並且不僅可將例如一交流電源所供應的交流電力，如市電vin(圖3)，傳輸至該負載200，而且可將例如一用於控制該負載200操作的控制信號傳送至該負載200，但不在此限。在其他實施例中，該信號傳輸系統100亦可將一直流電源(圖未示)所供應的直流電力傳輸至該負載200。此外，依照現有產業規範，作為該負載200的電子裝 置通常需配置有一用於濾除電磁干擾(EMI)的EMI濾波器201(見圖1)。
該信號傳輸系統100包含一開關元件1、一第一扼流元件2、該第一導電路徑P1、一第二扼流元件3、一第三扼流元件4、一第一諧振電路5、該第二導電路徑P2、一第一控制區塊6、及一第二控制區塊7。
該開關元件1與該第一扼流元件2彼此串接，該開關元件1具有一用來電連接一第一電力線W1的連接端12、及一用於接收一開關控制信號的開關控制端11，以致該開關元件1回應於該開關控制信號而導通或不導通。在該第一實施例中，例如為一火線的該第一電力線W1與一例如為一中性線的一第二電力線W2電連接該交流電源並共同地傳輸來自該交流電源的該交流電力vin(圖3)。此外，該開關元件1例如可為一具有約20A的額定電流的固態繼電器。
在該第一實施例中，該第一扼流元件2例如包含一第一磁芯(圖未示)、及一纏繞在該第一磁芯的扼流圈21，但不在此限。值得注意的是，該第一磁芯具有一對應於一特定磁滯曲線(即，B-H曲線)的磁滯特性。圖2僅示例出該特定磁滯曲線的一部份，此部分具有被一虛線隔開的一非飽和區I及一飽和區II。於是，該第一扼流元件1可為一帶有具高導磁性(例如，μr=20000H/m)磁芯的飽和電抗器。
該第二扼流元件3被用來與例如該負載200的該EMI濾波器201串接。在該第一實施例中，該第二扼流元件3，相似於該第一扼流元件2，包含一在磁滯特性上相同於該第一磁芯的第二磁芯(圖未示)、及一纏繞在該第二磁芯的扼流圈31。
該第一導電路徑P1電連接在該第一及第二扼流元件2，3之間，以使該第一及第二扼流元件2，3經由該第一導電路徑P1將彼此串接。在該第一實施例中，該第一導電路徑P1例如為一第一電線。
該第三扼流元件4與該第一諧振電路5彼此串接，且分別電連接該第二電力線W2、及一在該開關元件1與該第一扼流元件2之間的一第一共同節點A。在該第一實施例中，該第三扼流元件4，相似於該第一扼流元件1，包含一在磁滯特性上相同於該第一磁芯的第三磁芯(圖未示)、及一纏繞在該第三磁芯的扼流圈41。
在該第一實施例中，該第一諧振電路5例如包含彼此串接的一電容器51及一電感器52，例如，該電容器51電連接該第一共同節點A，且該電感器52電連接一在該第一諧振電路5與該第三扼流元件4之間的第二共同節點B，但不在此限。
該第二導電路徑P2電連接在該第二共同節點B與例如該負載201的該EMI濾波器201之間，並與該第一導電路徑P1共同構成該電力傳輸路徑。在該第一實施例中，該第二導電路徑P2例如為 一第二電線。值得注意的是，該第一及第二導電路徑P1，P2無須彼此平行，亦即彼此不需等長，如此可符合例如一般連接火線的導電路徑通常長於連接中性線的導電路徑的實際佈線情況。
該第一控制區塊6電連接該第一及第二電力線W1，W2(圖1未示出)以便接收來自該交流電源的該交流電力，並電連接該開關控制端11，且產生並輸出該開關控制信號至該開關元件1。在該第一實施例中，該第一控制區塊6包含一與該第一扼流元件2的該扼流圈21耦合的第一電感器61、及一電連接該開關元件1的該開關控制端11及該第一電感器61的第一控制單元62。值得注意的是，該第一扼流元件2與該第一電感器61共同構成一第一電流控制變壓器，且該扼流圈21被用來允許一相對大的電流流經其本身，因此可被視為一大電流繞組，而該第一電感器61被用來處理載波，因此可被視為一小電力繞組。該第一控制單元62係操作來產生輸出至該開關元件該1的該開關控制端11的該開關控制信號，並且在該開關元件1回應於該開關控制信號的不導通期間(例如，圖3中的一時間期間T1)，根據該負載200的控制提供一流經該第一電感器61的電流，以致該第一扼流元件2的該扼流圈21感應該電流而產生一流經其本身的感應電流iinduce(見圖3)，藉此，該第一控制區塊6以感應的方式提供了相關於用於控制該負載200操作的該控制信號的該感應電流iinduce。值得注意的是，當該第一控制區塊6提供了該感 應電流iinduce時，由於該第一控制單元62控制該開關元件1不導通，所以提供自該電源且流到該負載200的電流則為零。另一方面，由於該感應電流iinduce例如為一相對非常小的高頻交流載波電流並且具有一相同於該諧振電路5的一諧振頻率(即，，其中L代表該電感器52的電感值且C代表該電容器51的電容值)，該第一、第二及第三扼流元件2，3，4的該第一、第二及第三磁芯將操作在該磁滯曲線的原點附近且不會達到磁飽和。於是，非飽和的該第一、第二及第三磁芯使得該第一及第二扼流元件2，3操作在一正常變壓器模示，且使得該第三扼流元件4具有高阻抗，並且該諧振電路5具有一近乎零的阻抗可視同一短路。因此，該感應電流iinduce自該第一扼流元件2的該扼流圈21流出，之後流經該第一導電路徑P1、該第二扼流元件3的該扼流圈31、該負載200的該EMI濾波器201的一第一級濾波電容器，該第二導電路徑P2及該諧振電路5，有效防止該感應電流iinduce流經該第三扼流元件4而洩漏至該第二電力線W2，因而達到該感應電流iinduce的良好傳輸品質。
參閱圖1至圖3，在該開關元件1回應於該開關控制信號的導通期間，該第一控制單元62停止提供該感應電流iinduce，並且一由該電力vin所引起且相對大的電流iconduct流經該開關元件1、該第一扼流元件2的該扼流圈21、該第一導電路徑P1、該第二扼流元件3的該扼流圈31、該負載200、該第二導電路徑P2及該第三扼流 元件4的該扼流圈41。由於該電流iconduct使得該第一、第二及第三扼流元件2，3，4的該第一、第二及第三磁芯產生大的磁場，導致該第一、第二及第三磁芯操作在磁飽和，因而允許該電力vin通過。
在該第一實施例的一實驗中，當該開關元件1導通時，該第一、第二及第三磁芯達到磁飽和的該第一、第二及第三扼流元件2，3，4的電感幾近於零；而當該開關元件1不導通時，該第一及第二扼流元件2，3使得該第一及第二電流控制變壓器近乎成為理想變壓器，且第三扼流元件4的電感約為數個毫亨利(mH)。
應注意的是，在傳統的電力線通訊技術中，控制信號必須在該電力的零交越點附近被傳輸才能達到較佳的信號品質，但在本發明該第一實施例中，只要在該開關元件1不導通期間，不論在該第一電力線W1的電壓是否為零，都能確保該感應電流iinduce的傳輸品質。
該第二控制區塊7具有一用來電連接該負載200的控制端70。當該感應電流iinduce流經該第二扼流元件3時，該第二控制區塊7以感應的方式產生該控制信號，並經由該控制端70輸出該控制信號，以致該負載200根據該控制信號執行該操作。在該第一實施例中，該第二控制區塊7包含一與該第二扼流元件3的該扼流圈31耦合的第二電感器71、及一電連接該該第二電感器71且具有該控制端70的第二控制單元72。值得注意的是，該第二控制單元72 操作時所需電力例如可由該負載200來供應(圖中省略了用於電力供應的電連接)，而且該第二扼流元件3與該第二電感器71共同構成一第二電流控制變壓器，並且該扼流圈31，相似於該扼流圈21，被用來允許一相對大的電流流經其本身，因此可被視為一大電流繞組，而該第二電感器71，相似於該第一電感器61，被用來處理載波，因此可被視為一小電力繞組。該第二控制單元72在該開關元件1不導通期間，根據一感應自流經該第二扼流元件3的該扼流圈31的該感應電流iinduce且流經該第二電感器71的電流，產生該控制信號，並經由該控制端70將控制信號輸出至該負載200。由於該控制信號是根據該感應電流iinduce而產生，以良好傳輸品質傳輸該感應電流iinduce將被視為該控制信號具有良好的信號傳輸品質。
值得注意的是，在實際應用時，由於該第二扼流元件3與該第二控制區塊7可被設計成具有較小的體積，該第二扼流元件3與該第二控制區塊7例如可被配置於一供該負載200的一插頭(圖未示)插置的插座(圖未示)中，但不在此限。
圖4繪示出本發明信號傳輸系統100的一第二實施例，其為圖1的該第一實施例的一變化實施態樣。該第二實施例的該信號傳輸系統100不同於該第一實施例之處在於：若有一個或多個彼此並聯的其他負載(圖4未示出)同時電連接在該第一導電路徑P1與該第二導電路徑P2之間時，該信號傳輸系統100還包含一串接在該第 二扼流元件3與該第二導電路徑P2之間的第二諧振電路8。該第二諧振電路8，相似於該第一諧振電路5，例如包含彼此串接的一電容器81及一電感器82，例如，該電容器81電連接該第二扼流元件3的該扼流圈31，且該電感器82電連接該第二導電路徑P2，但不在此限。應注意的是，該第二諧振電路8與該第一諧振電路5具有相同的諧振頻率(也就是，該感應電流iinduce的頻率)。於是，當該開關元件1不導通時，自該第二扼流元件3的該扼流圈31流出的該感應電流iinduce將不流經該負載200的該EMI濾波器201的該第一級濾波電容器及其他該(等)負載，而流經可視為一短路的該第二諧振電路8到該第二導電路徑P2，藉此將該感應電流iinduce的失真及洩漏減至最低。
綜上所述，本發明信號傳輸系統100可具有以下優點：
1.利用電流模式(即該感應電流iinduce)來傳輸該控制信號，並結合相對簡單的該開關元件1、該第一、第二及第三扼流元件2，3，4以及該第一諧振電路5，可以相對較低的成本達到良好傳輸品質。
2.由於利用了電流模式來傳輸該控制信號，該第一及第二導電路徑P1，P2無須彼此平行或等長，如此能符合實際佈線情況，更不需為了克服該第一及第二導電路徑P1，P2不等長或太長等問題所必要的額外阻抗匹配電路。
3.由於該第二諧振電路8的配置，可將該感應電流iinduce(即該控制信號)的失真及洩漏減至最低。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

Claims (12)

  1. 一種利用電力傳輸路徑的信號傳輸方法，包含以下步驟：(A)將彼此串接的一開關元件及一第一扼流元件以該開關元件的一連接端電連接共同傳輸電力的一第一電力線與一第二電力線其中一者，並在該第一扼流元件與一用於串接一負載的第二扼流元件之間建立一第一導電路徑；(B)將彼此串接的一第三扼流元件及一第一諧振電路分別電連接該第一電力線及該第二電力線其中另一者、及一在該開關元件與該第一扼流元件之間的第一共同節點，並在該第三扼流元件與該諧振電路之間的一第二共同節點與該負載之間建立一第二導電路徑，其中該第一導電路徑及該第二導電路徑共同構成該電力傳輸路徑；及(C)控制該開關元件不導通，並在該開關元件不導通期間，提供一相關於一用於控制該負載操作的控制信號的感應電流，其中該感應電流至少流經該第一扼流元件、該第一導電路徑、該第二扼流元件、該第二導電路徑及該第一諧振電路；其中，該第一、第二及第三扼流元件分別具有一第一磁芯、一第二磁芯及一第三磁芯，該第一、第二及第三磁芯均具有一對應於一特定磁滯曲線的磁滯特性，以致當該開關元件不導通時，該感應電流不使該第一、第二及第三磁芯達到磁飽和，而當該開關元件導通時，一由該電力所引起的電流流經該開關元件、該第一扼流元件、該第一導電路徑、該第二扼流元件、該負載、該第二導電路徑及該第三扼流元件並且使該第一、第二及第三磁芯操作在磁飽和。
  2. 如請求項1所述的利用電力傳輸路徑的信號傳輸方法，其中，在步驟(C)中，該感應電流是一交流載波電流，並具有一相同於該第一諧振電路的一諧振頻率的頻率。
  3. 如請求項2所述的利用電力傳輸路徑的信號傳輸方法，在步驟(C)之前還包含一步驟：(D)將一具有該諧振頻率的第二諧振電路串接在該第二扼流元件與該第二導電路徑之間；其中，在步驟(C)中，該感應電流還流經該第二諧振電路。
  4. 如請求項1或3所述的利用電力傳輸路徑的信號傳輸方法，在步驟(B)之後還包含一步驟：(E)控制該開關元件導通，並在該開關元件的導通期間，停止提供該感應電流。
  5. 一種利用電力傳輸路徑的信號傳輸系統，包含：彼此串接的一開關元件及一第一扼流元件，該開關元件具有一用來電連接共同傳輸電力的一第一電力線與一第二電力線其中一者的連接端、及一用於接收一開關控制信號的開關控制端，以致該開關元件回應於該開關控制信號而導通或不導通，該第一扼流元件具有一第一磁芯；一第二扼流元件，用來與一負載串接，並具有一第二磁芯；一第一導電路徑，電連接在該第一及第二扼流元件之間，以使該第一及第二扼流元件經由該第一導電路徑將彼此串接；彼此串接的一第三扼流元件及一第一諧振電路，分別電連接該第一電力線及該第二電力線其中另一者、及一在該開關元件與該第一扼流元件之間的第一共同節點，該第三扼流元件具有一第三磁芯；一第二導電路徑，電連接在該第三扼流元件與該諧振電路之間的一第二共同節點及該負載之間，並與該第一導電路徑共同構成該電力傳輸路徑；及一第一控制區塊，電連接該第一電力線、該第二電力線及該開關元件的該開關控制端，且產生並輸出該開關控制信號至該開關元件的該開關控制端，以使得當該開關元件回應於該開關控制信號而不導通時，該第一控制區塊以感應的方式提供一相關於一用於控制該負載操作的控制信號且至少流經該第一扼流元件、該第一導電路徑、該第二扼流元件、該第二導電路徑及該第一諧振電路的感應電流；其中，該第一、第二及第三磁芯均具有一對應於一特定磁滯曲線的磁滯特性，以致當該開關元件不導通時，該感應電流不使該第一、第二及第三磁芯達到磁飽和，而當該開關元件回應於該開關控制信號而導通時，一由該電力所引起的電流流經該開關元件、該第一扼流元件、該第一導電路徑、該第二扼流元件、該負載、該第二導電路徑及該第三扼流元件並使該第一、第二及第三磁芯操作在磁飽和。
  6. 如請求項5所述的利用電力傳輸路徑的信號傳輸系統，還包含：一第二控制區塊，具有一用來電連接該負載的控制端，當該感應電流流經該第二扼流元件時，該第二控制區塊以感應的方式產生該控制信號，並經由該控制端輸出該控制信號，以致該負載根據該控制信號執行該操作。
  7. 如請求項6所述的利用電力傳輸路徑的信號傳輸系統，其中，該感應電流是一交流載波電流，並具有一相同於該第一諧振電路的一諧振頻率的頻率。
  8. 如請求項7所述的利用電力傳輸路徑的信號傳輸系統，該負載包含一串接在該第二扼流元件與該第二導電路徑之間的電磁干擾(EMI)濾波器，其中，該感應電流還流經該EMI濾波器所包含的一第一級濾波電容器。
  9. 如請求項7所述的利用電力傳輸路徑的信號傳輸系統，還包含：一第二諧振電路，串接在該第二扼流元件與該第二導電路徑之間，並具有該諧振頻率，以致當該開關元件不導通時，該感應電流還流經該第二諧振電路。
  10. 如請求項9所述的利用電力傳輸路徑的信號傳輸系統，其中，該第一及第二諧振電路各自包含彼此串接的一電容器及一電感器。
  11. 如請求項6所述的利用電力傳輸路徑的信號傳輸系統，其中：該第一控制區塊包含一與該第一扼流元件耦合的第一電感器，及一電連接該開關元件的該開關控制端及該第一電感器的第一控制單元，該第一控制單元係操作來產生輸出至該開關元件的該開關控制端的該開關控制信號，並在該開關元件回應於該開關控制信號不導通期間，根據該負載操作的控制提供一流經該第一電感器的電流，以致該第一扼流元件感應該電流而產生流經其本身的該感應電流；及該第二控制區塊包含一與該第二扼流元件耦合的第二電感器，及一電連接開第二電感器且具有該控制端的第二控制單元，該第二控制單元在該開關元件不導通期間，根據一感應自流經該第二扼流元件的該感應電流且流經該第二電感器的電流，產生該控制信號，並經由該控制端輸出該控制信號。
  12. 如請求項5所述的利用電力傳輸路徑的信號傳輸系統，其中，在該開關元件導通期間，該第一控制區塊停止提供該感應電流。
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