TWI806548B - 升壓轉換器 - Google Patents
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Abstract
一種升壓轉換器,包括:一輸入切換電路、一升壓電感器、一功率切換器、一脈波寬度調變積體電路,以及一輸出級電路。輸入切換電路可根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位。輸入切換電路可具有濾波之功能,並包括一第一電容器、一第一電感器,以及一第二電感器。升壓電感器可接收整流電位。功率切換器可根據一脈波寬度調變電位來選擇性地將升壓電感器耦接至一接地電位。脈波寬度調變積體電路可產生脈波寬度調變電位。輸出級電路係耦接至升壓電感器。輸出級電路可產生一輸出電位。
Description
本發明係關於一種升壓轉換器,特別係關於一種高效率之升壓轉換器。
在相對落後之國家中,其電力供應系統包括較多之突波電壓成份。由於輸入電源不夠穩定,故一般升壓轉換器容易產生誤判,並導致其操作效率大幅降低。有鑑於此,勢必要提出一種全新之解決方案,以克服先前技術所面臨之困境。
在較佳實施例中,本發明提出一種升壓轉換器,包括:一輸入切換電路,根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位,其中該輸入切換電路具有濾波之功能,並包括一第一電容器、一第一電感器,以及一第二電感器;一升壓電感器,接收該整流電位;一功率切換器,根據一脈波寬度調變電位來選擇性地將該升壓電感器耦接至一接地電位;一脈波寬度調變積體電路,產生該脈波寬度調變電位;以及一輸出級電路,耦接至該升壓電感器,並產生一輸出電位。
在一些實施例中,該升壓轉換器不包括由二極體所構成之傳統橋式整流器。
在一些實施例中,該輸入切換電路更包括:一第一二極體,具有一陽極和一陰極,其中該第一二極體之該陽極係耦接至一第一輸入節點以接收該第一輸入電位,而該第一二極體之該陰極係耦接至一第一節點;一第一電阻器,具有一第一端和一第二端,其中該第一電阻器之該第一端係耦接至該第一輸入節點,而該第一電阻器之該第二端係耦接至一第二節點;以及一第二二極體,具有一陽極和一陰極,其中該第二二極體之該陽極係耦接至該第一輸入節點,而該第二二極體之該陰極係耦接至一第三節點。
在一些實施例中,該輸入切換電路更包括:一第三二極體,具有一陽極和一陰極,其中該第三二極體之該陽極係耦接至一第二輸入節點以接收該第二輸入電位,而該第三二極體之該陰極係耦接至一第四節點;一第二電阻器,具有一第一端和一第二端,其中該第二電阻器之該第一端係耦接至該第二輸入節點,而該第二電阻器之該第二端係耦接至一第五節點;以及一第四二極體,具有一陽極和一陰極,其中該第四二極體之該陽極係耦接至該第二輸入節點,而該第四二極體之該陰極係耦接至一第六節點。
在一些實施例中,該輸入切換電路更包括:一第一電晶體,具有一控制端、一第一端,以及一第二端,其中該第一電晶體之該控制端係耦接至該第一節點,該第一電晶體之該第一端係耦接至該第二節點,而該第一電晶體之該第二端係耦接至一第七節點以輸出該整流電位;以及一第二電晶體,具有一控制端、一第一端,以及一第二端,其中該第二電晶體之該控制端係耦接至該第六節點,該第二電晶體之該第一端係耦接至該接地電位,而該第二電晶體之該第二端係耦接至一第八節點;其中該第一電感器具有一第一端和一第二端,該第一電感器之該第一端係耦接至該第二節點,而該第一電感器之該第二端係耦接至該第八節點。
在一些實施例中,該輸入切換電路更包括:一第三電晶體,具有一控制端、一第一端,以及一第二端,其中該第三電晶體之該控制端係耦接至該第四節點,該第三電晶體之該第一端係耦接至該第五節點,而該第三電晶體之該第二端係耦接至該第七節點;以及一第四電晶體,具有一控制端、一第一端,以及一第二端,其中該第四電晶體之該控制端係耦接至該第三節點,該第四電晶體之該第一端係耦接至該接地電位,而該第四電晶體之該第二端係耦接至一第九節點;其中該第二電感器具有一第一端和一第二端,該第二電感器之該第一端係耦接至該第五節點,而該第二電感器之該第二端係耦接至該第九節點。
在一些實施例中,該第一電容器具有一第一端和一第二端,該第一電容器之該第一端係耦接至該第七節點,而該第一電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
在一些實施例中,該升壓電感器具有一第一端和一第二端,該升壓電感器之該第一端係耦接至該第七節點以接收該整流電位,而該升壓電感器之該第二端係耦接至一第十節點。
在一些實施例中,功率切換器包括:一第五電晶體,具有一控制端、一第一端,以及一第二端,其中該第五電晶體之該控制端係用於接收該脈波寬度調變電位,該第五電晶體之該第一端係耦接至該接地電位,而該第五電晶體之該第二端係耦接至該第十節點。
在一些實施例中,該輸出級電路器包括:一第五二極體,具有一陽極和一陰極,其中該第五二極體之該陽極係耦接至該第十節點,而該第五二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位;以及一第二電容器,具有一第一端和一第二端,其中該第二電容器之該第一端係耦接至該輸出節點,而該第二電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉出本發明之具體實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解,硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式,而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語,故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內,本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題,達到所述基本之技術效果。此外,「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此,若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置,則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置,或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器100之示意圖。例如,升壓轉換器100可應用於桌上型電腦、筆記型電腦,或一體成形電腦。如第1圖所示,升壓轉換器100包括:一輸入切換電路110、一升壓電感器LB、一功率切換器120、一脈波寬度調變積體電路(Pulse Width Modulation Integrated Circuit,PWM IC)130,以及一輸出級電路150,其中輸入切換電路110包括一第一電容器C1、一第一電感器L1,以及一第二電感器L2。必須注意的是,雖然未顯示於第1圖中,但升壓轉換器100更可包括其他元件,例如:一穩壓器或(且)一負回授電路。
輸入切換電路110可根據一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2來產生一整流電位VR。第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2皆可來自一外部輸入電源,其中第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2之間可形成具有任意頻率和任意振幅之一交流電壓。例如,交流電壓之頻率可約為50Hz或60Hz,而交流電壓之方均根值可由90V至264V,但亦不僅限於此。升壓電感器LB可接收整流電位VR。功率切換器120可根據一脈波寬度調變電位VA來選擇性地將升壓電感器LB耦接至一接地電位VSS(例如:0V)。例如,若脈波寬度調變電位VA為高邏輯位準(亦即,邏輯「1」),則功率切換器120可將升壓電感器LB耦接至接地電位VSS(亦即,功率切換器120可近似於一短路路徑);反之,若脈波寬度調變電位VA為低邏輯位準(亦即,邏輯「0」),則功率切換器120不會將升壓電感器LB耦接至接地電位VSS(亦即,功率切換器120可近似於一開路路徑)。脈波寬度調變積體電路130可產生脈波寬度調變電位VA。輸出級電路150係耦接至升壓電感器LB,並可產生一輸出電位VOUT。例如,輸出電位VOUT可大致為一直流電位,其位準可約為400V,但亦不僅限於此。必須注意的是,升壓轉換器100不包括由四個二極體所構成之傳統橋式整流器(Bridge Rectifier)。在此設計下,由於輸入切換電路110具有濾波(Filtering)或(且)阻尼(Damping)之功能,故升壓轉換器100將能抑制外部輸入電源中之突波電壓成份(Burst Voltage Component),以提升其整體轉換效率。
以下實施例將介紹升壓轉換器100之詳細結構及操作方式。必須理解的是,這些圖式和敘述僅為舉例,而非用於限制本發明之範圍。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器200之示意圖。在第2圖之實施例中,升壓轉換器200具有一第一輸入節點NIN1、一第二輸入節點NIN2,以及一輸出節點NOUT,並包括:一輸入切換電路210、一升壓電感器LB、一功率切換器220、一脈波寬度調變積體電路230,以及一輸出級電路250。升壓轉換器200之第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2可分別由一外部輸入電源處接收一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2,而升壓轉換器200之輸出節點NOUT可用於輸出一輸出電位VOUT至一電子裝置(未顯示)。
輸入切換電路110包括一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第三二極體D3、一第四二極體D4、一第一電晶體M1、一第二電晶體M2、一第三電晶體M3、一第四電晶體M4、一第一電容器C1、一第一電感器L1、一第二電感器L2、一第一電阻器R1,以及一第二電阻器R2。例如,第一電晶體M1、第二電晶體M2、第三電晶體M3,以及第四電晶體M4可各自為一N型金氧半場效電晶體。
第一二極體D1具有一陽極和一陰極,其中第一二極體D1之陽極係耦接至第一輸入節點NIN1,而第一二極體D1之陰極係耦接至一第一節點N1。第一電阻器R1具有一第一端和一第二端,其中第一電阻器R1之第一端係耦接至第一輸入節點NIN1,而第一電阻器R1之第二端係耦接至一第二節點N2。第二二極體D2具有一陽極和一陰極,其中第二二極體D2之陽極係耦接至第一輸入節點NIN1,而第二二極體D2之陰極係耦接至一第三節點N3。
第三二極體D3具有一陽極和一陰極,其中第三二極體D3之陽極係耦接至第二輸入節點NIN2,而第三二極體D3之陰極係耦接至一第四節點N4。第二電阻器R2具有一第一端和一第二端,其中第二電阻器R2之第一端係耦接至第二輸入節點NIN2,而第二電阻器R2之第二端係耦接至一第五節點N5。第四二極體D4具有一陽極和一陰極,其中第四二極體D4之陽極係耦接至第二輸入節點NIN2,而第四二極體D4之陰極係耦接至一第六節點N6。
第一電晶體M1具有一控制端(例如:一閘極)、一第一端(例如:一源極),以及一第二端(例如:一汲極),其中第一電晶體M1之控制端係耦接至第一節點N1,第一電晶體M1之第一端係耦接至第二節點N2,而第一電晶體M1之第二端係耦接至一第七節點N7以輸出一整流電位VR。第二電晶體M2具有一控制端(例如:一閘極)、一第一端(例如:一源極),以及一第二端(例如:一汲極),其中第二電晶體M2之控制端係耦接至第六節點N6,第二電晶體M2之第一端係耦接至一接地電位VSS,而第二電晶體M2之第二端係耦接至一第八節點N8。第一電感器L1具有一第一端和一第二端,其中第一電感器L1之第一端係耦接至第二節點N2,而第一電感器L1之第二端係耦接至第八節點N8。
第三電晶體M3具有一控制端(例如:一閘極)、一第一端(例如:一源極),以及一第二端(例如:一汲極),其中第三電晶體M3之控制端係耦接至第四節點N4,第三電晶體M3之第一端係耦接至第五節點N5,而第三電晶體M3之第二端係耦接至第七節點N7。第四電晶體M4具有一控制端(例如:一閘極)、一第一端(例如:一源極),以及一第二端(例如:一汲極),其中第四電晶體M4之控制端係耦接至第三節點N3,第四電晶體M4之第一端係耦接至接地電位VSS,而第四電晶體M4之第二端係耦接至一第九節點N9。第二電感器L2具有一第一端和一第二端,其中第二電感器之第一端係耦接至第五節點N5,而第二電感器L2之第二端係耦接至第九節點N9。
第一電容器C1具有一第一端和一第二端,其中第一電容器C1之第一端係耦接至第七節點N7,而第一電容器C1之第二端係耦接至接地電位VSS。
升壓電感器LB具有一第一端和一第二端,其中升壓電感器LB之第一端係耦接至第七節點N7以接收整流電位VR,而升壓電感器LB之第二端係耦接至一第十節點N10。
功率切換器220包括一第五電晶體M5。例如,第五電晶體M5可為一N型金氧半場效電晶體。第五電晶體M5具有一控制端(例如:一閘極)、一第一端(例如:一源極),以及一第二端(例如:一汲極),其中第五電晶體M5之控制端係用於接收一脈波寬度調變電位VA,第五電晶體M5之第一端係耦接至接地電位VSS,而第五電晶體M5之第二端係耦接至第十節點N10。例如,若脈波寬度調變電位VA為高邏輯位準,則第五電晶體M5將可被致能(Enabled);反之,若脈波寬度調變電位VA為低邏輯位準,則第五電晶體M5將可被禁能(Disabled)。
脈波寬度調變積體電路230可產生脈波寬度調變電位VA。例如,脈波寬度調變電位VA於升壓轉換器200初始化時可維持於一固定電位,而在升壓轉換器200進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。
輸出級電路250包括一第五二極體D5和一第二電容器。第五二極體D5具有一陽極和一陰極,其中第五二極體D5之陽極係耦接至第十節點N10,而第五二極體D5之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第二電容器C2具有一第一端和一第二端,其中第二電容器C2之第一端係耦接至輸出節點NOUT,而第二電容器C2之第二端係耦接至接地電位VSS。
在一些實施例中,升壓轉換器200可交替地操作於一第一模式和一第二模式,其操作原理可如下列所述。
第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器200於第一模式下之等效電路圖。在第一模式中,第一輸入電位VIN1為正值,而第二輸入電位VIN2為負值。此時,第一二極體D1和第二二極體D2皆被導通,使得第一電晶體M1和第四電晶體M4皆被致能。另一方面,第三二極體D3和第四二極體D4皆被關閉,使得第三電晶體M3和第二電晶體M2皆被禁能。如第3圖所示,第一電阻器R1、第一電容器C1、第二電感器L2,以及第二電阻器R2可串聯耦接於第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2之間,以形成一第一RLC電路。
第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器200於第二模式下之等效電路圖。在第二模式中,第一輸入電位VIN1為負值,而第二輸入電位VIN2為正值。此時,第一二極體D1和第二二極體D2皆被關閉,使得第一電晶體M1和第四電晶體M4皆被禁能。另一方面,第三二極體D3和第四二極體D4皆被導通,使得第三電晶體M3和第二電晶體M2皆被致能。如第4圖所示,第一電阻器R1、第一電感器L1、第一電容器C1,以及第二電阻器R2係串聯耦接於第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2之間,以形成一第二RLC電路。
必須注意的是,前述之第一RLC電路和第二RLC電路可同時作為濾波電路(Filtering Circuit)和阻尼電路(Damping Circuit)來使用。在此設計下,即使有突波電壓成份進入升壓轉換器200,其亦可由第一RLC電路和第二RLC電路所濾除或是吸收掉。因此,升壓轉換器200之整體轉換效率將可大幅提升。
在一些實施例中,升壓轉換器200之元件參數可如下列所述。升壓電感器LB之電感值可介於360μH至440μH之間,較佳可為400μH。第一電感器L1之電感值可介於14.4μH至17.6μH之間,較佳可為16μH。第二電感器L2之電感值可介於14.4μH至17.6μH之間,較佳可為16μH。第一電容器C1之電感值可介於96μF至144μF之間,較佳可為120μF。第二電容器C2之電感值可介於544μF至816μF之間,較佳可為680μF。第一電阻器R1之電阻值可大致等於55KΩ。第二電阻器R2之電阻值可大致等於55KΩ。脈波寬度調變電位VA之切換頻率可約為65kHz。以上參數範圍係根據多次實驗結果而得出,其有助於最大化升壓轉換器200之轉換效率。
本發明提出一種新穎之升壓轉換器,其藉由輸入切換電路來取代傳統橋式整流器。根據實際量測結果,使用前述設計之升壓轉換器可有效去除傳統橋式整流器所造成之相關損耗,同時提高升壓轉換器之整體轉換效率,故其很適合應用於各種不同之供電環境當中。
值得注意的是,以上所述之電位、電流、電阻值、電感值、電容值,以及其餘元件參數均非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之升壓轉換器並不僅限於第1-3圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-3圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之,並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之升壓轉換器當中。雖然本發明之實施例係使用金氧半場效電晶體為例,但本發明並不僅限於此,本技術領域人士可改用其他種類之電晶體,例如:接面場效電晶體,或是鰭式場效電晶體等等,而不致於影響本發明之效果。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數,例如「第一」、「第二」、「第三」等等,彼此之間並沒有順序上的先後關係,其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明的範圍,任何熟習此項技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可做些許的更動與潤飾,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。
100,200:升壓轉換器
110,210:輸入切換電路
120,220:功率切換器
130,230:脈波寬度調變積體電路
150,250:輸出級電路
C1:第一電容器
C2:第二電容器
D1:第一二極體
D2:第二二極體
D3:第三二極體
D4:第四二極體
D5:第五二極體
L1:第一電感器
L2:第二電感器
LB:升壓電感器
M1:第一電晶體
M2:第二電晶體
M3:第三電晶體
M4:第四電晶體
M5:第五電晶體
N1:第一節點
N2:第二節點
N3:第三節點
N4:第四節點
N5:第五節點
N6:第六節點
N7:第七節點
N8:第八節點
N9:第九節點
N10:第十節點
NIN1:第一輸入節點
NIN2:第二輸入節點
NOUT:輸出節點
R1:第一電阻器
R2:第二電阻器
VA:脈波寬度調變電位
VIN1:第一輸入電位
VIN2:第二輸入電位
VOUT:輸出電位
VR:整流電位
VSS:接地電位
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之示意圖。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之示意圖。
第3A圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器於第一模式下之等效電路圖。
第3B圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器於第二模式下之等效電路圖。
100:升壓轉換器
110:輸入切換電路
120:功率切換器
130:脈波寬度調變積體電路
150:輸出級電路
C1:第一電容器
L1:第一電感器
L2:第二電感器
LB:升壓電感器
VA:脈波寬度調變電位
VIN1:第一輸入電位
VIN2:第二輸入電位
VOUT:輸出電位
VR:整流電位
VSS:接地電位
Claims (10)
- 一種升壓轉換器,包括: 一輸入切換電路,根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位,其中該輸入切換電路具有濾波之功能,並包括一第一電容器、一第一電感器,以及一第二電感器; 一升壓電感器,接收該整流電位; 一功率切換器,根據一脈波寬度調變電位來選擇性地將該升壓電感器耦接至一接地電位; 一脈波寬度調變積體電路,產生該脈波寬度調變電位;以及 一輸出級電路,耦接至該升壓電感器,並產生一輸出電位。
- 如請求項1之升壓轉換器,其中該升壓轉換器不包括由二極體所構成之傳統橋式整流器。
- 如請求項1之升壓轉換器,其中該輸入切換電路更包括: 一第一二極體,具有一陽極和一陰極,其中該第一二極體之該陽極係耦接至一第一輸入節點以接收該第一輸入電位,而該第一二極體之該陰極係耦接至一第一節點; 一第一電阻器,具有一第一端和一第二端,其中該第一電阻器之該第一端係耦接至該第一輸入節點,而該第一電阻器之該第二端係耦接至一第二節點;以及 一第二二極體,具有一陽極和一陰極,其中該第二二極體之該陽極係耦接至該第一輸入節點,而該第二二極體之該陰極係耦接至一第三節點。
- 如請求項3之升壓轉換器,其中該輸入切換電路更包括: 一第三二極體,具有一陽極和一陰極,其中該第三二極體之該陽極係耦接至一第二輸入節點以接收該第二輸入電位,而該第三二極體之該陰極係耦接至一第四節點; 一第二電阻器,具有一第一端和一第二端,其中該第二電阻器之該第一端係耦接至該第二輸入節點,而該第二電阻器之該第二端係耦接至一第五節點;以及 一第四二極體,具有一陽極和一陰極,其中該第四二極體之該陽極係耦接至該第二輸入節點,而該第四二極體之該陰極係耦接至一第六節點。
- 如請求項4之升壓轉換器,其中該輸入切換電路更包括: 一第一電晶體,具有一控制端、一第一端,以及一第二端,其中該第一電晶體之該控制端係耦接至該第一節點,該第一電晶體之該第一端係耦接至該第二節點,而該第一電晶體之該第二端係耦接至一第七節點以輸出該整流電位;以及 一第二電晶體,具有一控制端、一第一端,以及一第二端,其中該第二電晶體之該控制端係耦接至該第六節點,該第二電晶體之該第一端係耦接至該接地電位,而該第二電晶體之該第二端係耦接至一第八節點; 其中該第一電感器具有一第一端和一第二端,該第一電感器之該第一端係耦接至該第二節點,而該第一電感器之該第二端係耦接至該第八節點。
- 如請求項5之升壓轉換器,其中該輸入切換電路更包括: 一第三電晶體,具有一控制端、一第一端,以及一第二端,其中該第三電晶體之該控制端係耦接至該第四節點,該第三電晶體之該第一端係耦接至該第五節點,而該第三電晶體之該第二端係耦接至該第七節點;以及 一第四電晶體,具有一控制端、一第一端,以及一第二端,其中該第四電晶體之該控制端係耦接至該第三節點,該第四電晶體之該第一端係耦接至該接地電位,而該第四電晶體之該第二端係耦接至一第九節點; 其中該第二電感器具有一第一端和一第二端,該第二電感器之該第一端係耦接至該第五節點,而該第二電感器之該第二端係耦接至該第九節點。
- 如請求項5之升壓轉換器,其中該第一電容器具有一第一端和一第二端,該第一電容器之該第一端係耦接至該第七節點,而該第一電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
- 如請求項6之升壓轉換器,其中該升壓電感器具有一第一端和一第二端,該升壓電感器之該第一端係耦接至該第七節點以接收該整流電位,而該升壓電感器之該第二端係耦接至一第十節點。
- 如請求項8之升壓轉換器,其中該功率切換器包括: 一第五電晶體,具有一控制端、一第一端,以及一第二端,其中該第五電晶體之該控制端係用於接收該脈波寬度調變電位,該第五電晶體之該第一端係耦接至該接地電位,而該第五電晶體之該第二端係耦接至該第十節點。
- 如請求項8之升壓轉換器,其中該輸出級電路器包括: 一第五二極體,具有一陽極和一陰極,其中該第五二極體之該陽極係耦接至該第十節點,而該第五二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位;以及 一第二電容器,具有一第一端和一第二端,其中該第二電容器之該第一端係耦接至該輸出節點,而該第二電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
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