設(shè)計(jì)電源怎么才能輕松點(diǎn)呢？送你一份“小型指南”
[導(dǎo)讀]大多數(shù)電子系統(tǒng)都需要在供能電壓和需要供電的電路電壓之間進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換。當(dāng)電池失去電荷時(shí)，電壓會(huì)下降。某些DC-DC轉(zhuǎn)換可確保電池中更多儲(chǔ)存的能源用于為電路供電。此外，如果我們使用110V交流線路，則無(wú)法直接為微控制器等半導(dǎo)體供電。由于每個(gè)電子系統(tǒng)幾乎都使用電壓轉(zhuǎn)換器（也稱為電源），...
大多數(shù)電子系統(tǒng)都需要在供能電壓和需要供電的電路電壓之間進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換。當(dāng)電池失去電荷時(shí)，電壓會(huì)下降。某些DC-DC轉(zhuǎn)換可確保電池中更多儲(chǔ)存的能源用于為電路供電。此外，如果我們使用110 V交流線路，則無(wú)法直接為微控制器等半導(dǎo)體供電。由于每個(gè)電子系統(tǒng)幾乎都使用電壓轉(zhuǎn)換器（也稱為電源），因此多年來(lái)，它們針對(duì)不同的用途進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)然，優(yōu)化目標(biāo)通常是解決方案尺寸、轉(zhuǎn)換效率、EMI和成本。
簡(jiǎn)單的電源：LDO
其中一種簡(jiǎn)單的電源形式是低壓差(LDO)穩(wěn)壓器。LDO是與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相對(duì)的線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器在輸入電壓和輸出電壓之間放置一個(gè)可調(diào)電阻，這意味著不管輸入電壓如何變化，哪個(gè)負(fù)載電流正在通過(guò)設(shè)備，輸出電壓都是固定的。圖1顯示了該簡(jiǎn)單電壓轉(zhuǎn)換器的基本原理。
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?? 圖2. 線路變壓器后跟線性穩(wěn)壓器。開(kāi)關(guān)模式電源助一臂之力
為了避免圖2所示的電源的缺點(diǎn)，發(fā)明了開(kāi)關(guān)模式電源。它們不依賴于50 Hz或60 Hz交流電壓，而是采用直流電壓，有時(shí)采用整流交流電壓，產(chǎn)生更高頻率的交流電壓以使用更小的變壓器，或在非隔離系統(tǒng)中，使用LC濾波器整流電壓，以產(chǎn)生直流輸出電壓。優(yōu)點(diǎn)是解決方案尺寸小，成本相對(duì)較低。產(chǎn)生的交流電壓不需要是正弦電壓波形。簡(jiǎn)單的PWM信號(hào)波形就能很好地工作，并且可使用PWM發(fā)生器和開(kāi)關(guān)輕松生成。
直到2000年，雙極性晶體管都是常用的開(kāi)關(guān)。它們性能不錯(cuò)，但是開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度相對(duì)較低。功效也不高，開(kāi)關(guān)頻率限制為50 kHz或100 kHz。如今，我們使用開(kāi)關(guān)MOSFET代替雙極性晶體管，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度要快得多。反過(guò)來(lái)，開(kāi)關(guān)損耗也更低，開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)5 MHz。這樣高的開(kāi)關(guān)頻率支持功率級(jí)使用非常小的電感和電容。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器帶來(lái)了很多優(yōu)勢(shì)。它們通常提供高功效電壓轉(zhuǎn)換，允許升壓和降壓，并提供相對(duì)緊湊且低成本的設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程復(fù)雜，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換和開(kāi)關(guān)頻率還會(huì)產(chǎn)生EMI。開(kāi)關(guān)模式電源穩(wěn)壓器以及 LTpowerCAD??和 LTspice??等電源設(shè)計(jì)工具的面市極大地簡(jiǎn)化了這個(gè)困難的設(shè)計(jì)過(guò)程。利用這些工具，開(kāi)關(guān)模式電源的電路設(shè)計(jì)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化。
電源中的隔離
在設(shè)計(jì)電源時(shí)，要回答的第一個(gè)問(wèn)題是是否需要電氣隔離。使用電氣隔離有多個(gè)原因。它可以提高電路的安全性，允許浮動(dòng)系統(tǒng)操作，防止嘈雜的接地電流在一個(gè)電路中通過(guò)不同的電子設(shè)備傳播。常見(jiàn)的兩種隔離拓?fù)涫欠醇まD(zhuǎn)換器和正激轉(zhuǎn)換器。但是，對(duì)于較高的功率，使用推挽、半橋和全橋等其他隔離拓?fù)洹?/span>
如果不需要電氣隔離，則大多數(shù)情況下使用非隔離拓?fù)洹８綦x拓?fù)淇偸切枰儔浩?，而這種設(shè)備往往昂貴而笨重，并且滿足定制電源所需的確切需求的現(xiàn)成設(shè)備通常很難得到。
不需要隔離時(shí)的大多數(shù)常見(jiàn)拓?fù)?/span>
常見(jiàn)的非隔離開(kāi)關(guān)模式電源拓?fù)涫墙祲恨D(zhuǎn)換器。也稱為降壓型轉(zhuǎn)換器。它接受正輸入電壓，并生成低于該輸入電壓的輸出電壓。它是三個(gè)基本開(kāi)關(guān)模式電源拓?fù)渲械囊粋€(gè)，只需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)電感和兩個(gè)電容。圖3顯示了此拓?fù)涞幕驹?。高端開(kāi)關(guān)從輸入端發(fā)出脈沖電流，生成一個(gè)開(kāi)關(guān)模式電壓，在輸入電壓和地電壓之間交替。LC濾波器在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上獲取該脈沖電壓，生成一個(gè)直流輸出電壓。根據(jù)控制高端開(kāi)關(guān)的PWM信號(hào)的占空比，生成不同電平的直流輸出電壓。這種DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器具有很高的功效，相對(duì)容易構(gòu)建，并且需要的組件很少。 ? ?
? 圖3. 簡(jiǎn)單降壓轉(zhuǎn)換器的概念。除了降壓拓?fù)?，第二個(gè)基本拓?fù)涫巧龎和負(fù)?。升壓拓?fù)涫褂门c降壓拓?fù)湎嗤奈鍌€(gè)基本功率元件，但經(jīng)過(guò)了重新排列，將電感放在輸入端，高端開(kāi)關(guān)放在輸出端。升壓拓?fù)溆糜趯⒁粋€(gè)輸入電壓升高到高于該輸入電壓的輸出電壓。
圖4. 簡(jiǎn)單升壓轉(zhuǎn)換器的概念。升壓轉(zhuǎn)換器在輸入端的噪聲很低，因?yàn)榕c輸入連接一致的電感可防止電流快速變化。但是，在輸出端，這種拓?fù)涞脑肼暰秃艽?。我們只看到脈沖電流流過(guò)外部開(kāi)關(guān)，因此相比降壓拓?fù)?，更關(guān)注輸出紋波。
第三個(gè)基本拓?fù)涫欠聪嘟祲?升壓轉(zhuǎn)換器，僅由五個(gè)基本元件組成。該轉(zhuǎn)換器獲取正輸入電壓，并將其轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓，名稱由此而來(lái)。除此之外，輸入電壓還可能高于或低于反相輸出電壓的絕對(duì)值。例如，–12 V輸出電壓可能從輸入端的5 V或24 V中產(chǎn)生。不進(jìn)行任何特殊電路修改也可能會(huì)發(fā)生這種情況。圖5顯示了反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電路概念。 ? ?
? 圖5. 簡(jiǎn)單反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的概念。反相降壓-升壓拓?fù)涞囊粋€(gè)有利方面是任何降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC都可用于這種轉(zhuǎn)換器。只要將降壓電路的輸出電壓連接到系統(tǒng)接地即可。降壓IC電路接地將成為經(jīng)過(guò)調(diào)整的負(fù)電壓。這一特性使得市場(chǎng)上的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC的選擇范圍很大。
專門的拓?fù)?/span>
除了前面討論的三種基本非隔離開(kāi)關(guān)模式電源拓?fù)渫?，還有很多拓?fù)淇捎?。但是，它們都需要額外的電源組件。這通常會(huì)增加成本，并降低電源轉(zhuǎn)換效率。雖然存在某些例外情況，但在電源路徑中添加額外的組件通常會(huì)增加損耗。一些常用拓?fù)浒⊿EPIC、Zeta、?uk和4開(kāi)關(guān)降壓-升壓。它們都有三種基本拓?fù)渌痪邆涞墓δ?。下面是每種拓?fù)涞闹匾δ芰斜恚?/span>
- SEPIC：SEPIC可從高于或低于輸出電壓的正輸入電壓產(chǎn)生正輸出電壓。升壓穩(wěn)壓器IC可用于設(shè)計(jì)SEPIC電源。此拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是需要第二個(gè)電感或一個(gè)耦合電感以及一個(gè)SEPIC電容。
- Zeta：這Zeta轉(zhuǎn)換器類似于SEPIC，但能夠產(chǎn)生正或負(fù)輸出電壓。而且，它沒(méi)有右半平面零點(diǎn)(RHPZ)，由此簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)環(huán)路。降壓轉(zhuǎn)換器IC可用于此類拓?fù)洹?/span>
- ?uk：?uk轉(zhuǎn)換器可將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出電壓。它使用兩個(gè)電感，一個(gè)在輸入端，一個(gè)在輸出端，因此輸入和輸出端的噪聲都很低。缺點(diǎn)是沒(méi)有很多開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換IC支持這種拓?fù)洌驗(yàn)檎{(diào)節(jié)環(huán)路需要負(fù)電壓反饋引腳。
- 4開(kāi)關(guān)降壓-升壓：這種轉(zhuǎn)換器類型近年來(lái)變得非常流行。它從正輸入電壓提供正輸出電壓。輸入電壓可能高于或低于經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的輸出電壓。這種轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換效率更高，并且只需要一個(gè)電感，因此取代了很多SEPIC設(shè)計(jì)。
常用隔離拓?fù)?/span>
除了非隔離拓?fù)渫?，一些?yīng)用需要電氣隔離電源轉(zhuǎn)換器。原因可能是出于安全考慮，在不同電路相互連接的大型系統(tǒng)中需要有浮動(dòng)接地，或者在噪聲敏感應(yīng)用中需要防止接地電流環(huán)路。常見(jiàn)的隔離轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫欠醇まD(zhuǎn)換器和正激轉(zhuǎn)換器。
反激轉(zhuǎn)換器通常用于高達(dá)60 W的功率電平。電路的工作方式是，在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，電能存儲(chǔ)在變壓器中。在斷開(kāi)時(shí)，該電能釋放到轉(zhuǎn)換器的副邊，為輸出供電。這種轉(zhuǎn)換器容易構(gòu)建，但需要相對(duì)較大的變壓器來(lái)存儲(chǔ)正常操作所需的所有電能。這一方面使得該拓?fù)鋬H限于較低的功率電平。圖6的頂部顯示了反激轉(zhuǎn)換器，底部顯示了正激轉(zhuǎn)換器。
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?圖7顯示了使用 ADP1074 的有源鉗位正激設(shè)計(jì)的LTspice仿真環(huán)境原理圖。在正激轉(zhuǎn)換器中，輸出路徑中有一個(gè)反激轉(zhuǎn)換器中所沒(méi)有的額外電感，如圖6所示。盡管這個(gè)額外的組件具有相關(guān)的空間和成本影響，但與反激轉(zhuǎn)換器相比，它有助于產(chǎn)生較低噪聲的輸出電壓。此外，在與反激轉(zhuǎn)換器相同的功率電平下，正激轉(zhuǎn)換器所需的變壓器尺寸可能要小得多。 ? ?
圖7. 使用ADP1074產(chǎn)生隔離輸出電壓的有源鉗位正激電路，如LTspice中仿真所示。除反激和正激拓?fù)渫?，還有很多基于不同變壓器的電氣隔離轉(zhuǎn)換器概念。以下列表對(duì)常用轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了一些基本解釋：
- 推挽：推挽拓?fù)漕愃朴谡まD(zhuǎn)換器拓?fù)?。但是，該拓?fù)湫枰獌蓚€(gè)有源低邊開(kāi)關(guān)，而不是一個(gè)低邊開(kāi)關(guān)。還需要一個(gè)帶中心抽頭的初級(jí)變壓器。與正激轉(zhuǎn)換器相比，推挽轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)的噪聲通常更低，而且需要的變壓器更小。變壓器的BH曲線的滯回在兩個(gè)象限而非一個(gè)象限中使用。
- 半橋/全橋：這兩種拓?fù)渫ǔＳ糜诟吖β实脑O(shè)計(jì)，從幾百瓦開(kāi)始一直到幾千瓦。除了低端開(kāi)關(guān)，它們還需要高端開(kāi)關(guān)，但可通過(guò)相對(duì)較小的變壓器實(shí)現(xiàn)很高的電能傳輸。
- ZVS：討論高功率隔離轉(zhuǎn)換器時(shí)，通常會(huì)提到這個(gè)術(shù)語(yǔ)。它代表零電壓開(kāi)關(guān)。此類轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)術(shù)語(yǔ)是LLC（電感-電感-電容）轉(zhuǎn)換器。這些架構(gòu)的目的是實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換。它們會(huì)產(chǎn)生諧振電路，并在開(kāi)關(guān)上的電壓或電流接近零時(shí)開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)。這樣，開(kāi)關(guān)損耗便降至最低。但是，此類設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)頻率也不固定，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生EMI問(wèn)題。
除了線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)模式電源，還有第三組電源轉(zhuǎn)換器：開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。也稱為電荷泵。它們使用開(kāi)關(guān)和電容倍增或逆變電壓。一大優(yōu)點(diǎn)是不需要任何電感。此類轉(zhuǎn)換器通常用于低于5 W的低功率電平。但是，最近取得的重大進(jìn)展允許功率更大的開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。圖8顯示了采用120 W設(shè)計(jì)、效率達(dá)98.5%的 LTC7820?，將48 V轉(zhuǎn)換為24 V。??
??圖8. LTC7820固定比率高功率電荷泵DC-DC控制器。本文中討論的所有電源都可作為模擬或數(shù)字電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。到底什么是數(shù)字電源？電源必須始終通過(guò)開(kāi)關(guān)、電感、變壓器和電容的模擬功率級(jí)。數(shù)字方面由兩個(gè)數(shù)字構(gòu)建模塊引入。第一個(gè)是數(shù)字接口，通過(guò)該接口，電子系統(tǒng)可以與電源通信?？梢约磿r(shí)設(shè)置不同的參數(shù)，以針對(duì)不同的工作條件優(yōu)化電源。此外，電源還可與主處理器通信，并引發(fā)警告或故障標(biāo)志。例如，系統(tǒng)可以輕松監(jiān)控負(fù)載電流、超過(guò)預(yù)設(shè)閾值或電池溫度過(guò)高的情況。
第二個(gè)數(shù)字構(gòu)建模塊使用數(shù)字環(huán)路代替模擬調(diào)節(jié)環(huán)路。這樣做的效果很好，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，最好采用對(duì)一些參數(shù)有一定數(shù)字影響的標(biāo)準(zhǔn)模擬反饋環(huán)路，例如即時(shí)調(diào)節(jié)誤差放大器的增益或動(dòng)態(tài)設(shè)置環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定但快速的反饋環(huán)路。具有純數(shù)字控制環(huán)路的設(shè)備的一個(gè)示例是ADI公司的 ADP1046A 。通過(guò)數(shù)字影響優(yōu)化并具有模擬控制環(huán)路的數(shù)字接口降壓穩(wěn)壓器的一個(gè)示例是 LTC3883。
EMI考量
電磁干擾(EMI)一直是設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)模式電源時(shí)需要注意的問(wèn)題。原因是開(kāi)關(guān)模式電源會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)高電流。開(kāi)關(guān)速度越快，系統(tǒng)總效率就越好。更快的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度可減少部分接通開(kāi)關(guān)的時(shí)間。在這個(gè)部分接通時(shí)間內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生大部分開(kāi)關(guān)損耗。圖9所示為開(kāi)關(guān)模式電源在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的波形。以降壓穩(wěn)壓器為例。高電壓由通過(guò)高端開(kāi)關(guān)的電流定義，而低電壓通過(guò)沒(méi)有電流流過(guò)高端開(kāi)關(guān)來(lái)定義。 ? ?
? 圖9. 開(kāi)關(guān)模式電源的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度和開(kāi)關(guān)頻率。降低EMI有兩個(gè)原因。第一個(gè)原因是保護(hù)特定電源供電的電子系統(tǒng)的功能。例如，系統(tǒng)信號(hào)路徑中使用的16位ADC不應(yīng)拾取來(lái)自電源的開(kāi)關(guān)噪聲。第二個(gè)原因是滿足世界各國(guó)政府為同時(shí)保護(hù)不同電子系統(tǒng)的可靠功能而制定的某些EMI法規(guī)。
EMI有兩種形式，輻射EMI和傳導(dǎo)EMI。降低輻射EMI的有效方式是優(yōu)化PCB布局，并采用諸如ADI公司Silent Switcher?這樣的技術(shù)。當(dāng)然，把電路放在一個(gè)屏蔽的金屬盒中也有效。但是，這可能不實(shí)用，而且在大多數(shù)情況下成本很高。
濾波
RC濾波器是基本低通濾波器。但是，在電源設(shè)計(jì)中，每個(gè)濾波器都是一個(gè)LC濾波器。通常，只要串聯(lián)添加一些電感就夠了，因?yàn)樗鼘⑴c開(kāi)關(guān)模式電源的輸入或輸出電容一起形成一個(gè)LC或CLC濾波器。有時(shí)只使用電容作為濾波器，但是考慮到電源線或走線上的寄生電感，我們結(jié)合電容形成一個(gè)LC濾波器。電感L可能是一個(gè)帶有線圈的電感或是一個(gè)鐵氧體磁珠。LC濾波器的目的實(shí)際上是一種低通效應(yīng)，使直流電源可以通過(guò)，并在很大程度上衰減較高的頻率干擾。LC濾波器有一個(gè)雙極點(diǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)40 dB/十倍頻程的高頻率衰減。該濾波器可實(shí)現(xiàn)相對(duì)急劇的頻降。設(shè)計(jì)濾波器并非易事；但是，由于電路的寄生組件（如走線電感）會(huì)產(chǎn)生效應(yīng)，因此對(duì)濾波器建模也需要對(duì)主要寄生效應(yīng)進(jìn)行建模。這使得模擬濾波器相當(dāng)耗時(shí)。很多有濾波器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員知道哪些濾波器好用，可能會(huì)迭代地優(yōu)化某個(gè)濾波器以獲得新的設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)所有濾波器時(shí)，不僅需要考慮小信號(hào)行為，如波特圖中濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)，而且需要注意大信號(hào)效應(yīng)。在任何LC濾波器中，電源都會(huì)通過(guò)電感。如果輸出端不再需要該電源，由于突然負(fù)載瞬態(tài)，存儲(chǔ)在電感中的電能需要釋放到某個(gè)地方。它會(huì)對(duì)濾波器的電容充電。如果濾波器不是針對(duì)這種最壞的情況而設(shè)計(jì)的，存儲(chǔ)的電能就可能會(huì)導(dǎo)致電壓過(guò)沖，可能損壞電路。
最后，濾波器具有一定的阻抗。該阻抗與附加在濾波器上的電源轉(zhuǎn)換器的阻抗相互作用。這種相互作用可能導(dǎo)致不穩(wěn)定和振蕩。ADI公司的LTspice和LTpowerCAD等仿真工具對(duì)于回答所有這些問(wèn)題和設(shè)計(jì)出色濾波器很有幫助。圖10所示為L(zhǎng)TpowerCAD設(shè)計(jì)環(huán)境中濾波器設(shè)計(jì)人員的圖形用戶界面。使用該工具設(shè)計(jì)濾波器非常簡(jiǎn)單。 ? ?
??圖10. 使用LTpowerCAD設(shè)計(jì)降壓穩(wěn)壓器的輸入濾波器。電磁輻射騷擾很難阻擋。需要采用某種金屬材料制成的特殊屏蔽。這樣做的成本很高。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，工程師一直在尋找減少開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生的電磁輻射騷擾的方式。幾年前，Silent Switcher技術(shù)取得了重大突破。通過(guò)減少開(kāi)關(guān)模式電源的熱回路中的寄生電感，并將熱回路分為兩個(gè)回路，以高度對(duì)稱的方式設(shè)置，電磁輻射騷擾大多相互抵消。今天的許多Silent Switcher設(shè)備所提供的電磁輻射騷擾比傳統(tǒng)產(chǎn)品低得多。減少電磁輻射騷擾可提高開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度，而不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI。提高開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度可減少開(kāi)關(guān)損耗，由此提高開(kāi)關(guān)頻率。這種創(chuàng)新的一個(gè)示例是 LTC3310S，其開(kāi)關(guān)頻率為5 MHz，使用低成本的外部組件實(shí)現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計(jì)。
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在本教程中，我們討論了電源設(shè)計(jì)的許多方面，包括不同的電源拓?fù)浼捌鋬?yōu)缺點(diǎn)。這些信息對(duì)于電源工程師來(lái)說(shuō)非?；A(chǔ)，但是對(duì)于專家和非專業(yè)人士而言，在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用LTpowerCAD和LTspice等軟件工具很有幫助。借助這些工具，可在很短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)和優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器。希望本教程有助于您迎接下一次電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
Where what if becomes what is！
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