CN107785968A - 充电电源的电池短路保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种充电电源的电池短路保护电路，包括电流采样电路、逻辑控制电路和开关控制电路，其中，逻辑控制电路，接收电流采样电路的采样电流，并向开关控制电路输出开关控制信号，电流采样电路，由电阻Rcs构成，电阻Rcs的一端分别与负载负端及逻辑控制电路的输入端连接，电阻Rcs的另一端分别与电源输出负端及电池负极连接；开关控制电路，包括MOS管TR1和电阻R1，MOS管栅极连接逻辑控制电路的输出端，MOS管TR1漏极分别连接负载正端和电源输出正端，MOS管TR1源极连接电池放电端。相对于现有技术，本发明能有效规避首次接入电池时因滤波电容所造成的误触发过流保护，反应速度快，可靠性高，设计灵活，可调节保护电流阀值、打嗝时间、反应速度。
Description
技术领域
本发明涉及馈电网自动化行业的充电电源***，尤其涉及一种用于实现蓄电或超级电容接入时，发生电源输出端的负载短路时，能迅速断开电池端，防止电池短路过流损坏的充电电源的电池短路保护电路。
背景技术
在馈电网自动化行业的充电电源中，一般都有两路输出，一路输出给负载供电，一路输出给电池(或超级电容)充电。当出现输入交流异常断电或输出负载需要短时大电流输出时，电源会自动切换到电池或超级电容向输出负载供电。电池或超级电容供电时，若输出负载出现异常短路情况，则电池或超级电容的放电回路也被短路，会流过很大电流，不仅充电电源可能损坏，严重时还会导致电池损坏起火，甚至***，造成严重安全事故。因此，充电电源的电池放电回路的短路保护功能逐渐被重视，某些应用行业和领域已被强制要求。
如今市面上只有少数充电电源具备电池放电回路的短路保护功能，其电路原理框图基本都与图1类似，主要由电池(或超级电容)的开关控制电路、电流采样电路、逻辑控制电路组成。电池供电时，电池输出电流主要分为两个部分，分别是流过输出负载Ro的电流Ir和流过输出滤波电容Co的电流Ic。电流采样电路会实时采集Ir+Ic的电流大小并传输给逻辑控制电路，当电池输出电流超过逻辑控制电路设定值时，逻辑控制电路向开关控制电路发出开关控制信号，控制开关控制电路中的开关器件断开，防止电池或超级电容短路损坏。
此电路有缺陷，即当电池首次接入产品开关开通时，电池或超级电容会瞬间给输出滤波电容Co充电形成冲击电流，导致滤波电容Co的电流Ic出现瞬间大电流，误触发短路保护引发开关控制电路中的开关器件关断，导致电池无法正常投入使用。为解决这个问题，可以在逻辑控制电路中增加延时，但会导致电池短路保护反应过慢，断开电池前可能充电电源或电池就已经损坏了。
因此，有必要对现有技术进行改进。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述技术问题，本发明提供一种在蓄电池或超级电容接入时，发生电源输出端负载短路，能快速有效地反应的充电电源的电池短路保护电路，以解决现有电池短路保护误触发和反应慢的问题。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的，一种充电电源的电池短路保护电路，包括电流采样电路、逻辑控制电路和开关控制电路，其中，逻辑控制电路，接收电流采样电路的采样电流，并向开关控制电路输出开关控制信号，电流采样电路，由电阻Rcs构成，电阻Rcs的一端分别与负载负端及逻辑控制电路的输入端连接，电阻Rcs的另一端分别与电源输出负端及电池负极连接；开关控制电路，包括MOS管TR1和电阻R1，MOS管栅极连接逻辑控制电路的输出端，MOS管TR1漏极分别连接负载正端和电源输出正端，MOS管TR1源极连接电池放电端。
优选的，所述逻辑控制电路，包括运放供电电路、运算放大电路和比较输出电路，运放供电电路，包括二极管D21和电容C21，二极管D21的阳极连接电池正极(VB+)，二极管D21的阴极连接电容C21的一端，电容C21另一端连接电池负极(VB-)；运算放大电路，包括运放U1A和电阻R21、R22、R23、R24、R25，运放U1A输入正端连接电阻R21一端，电阻R21另一端作为逻辑控制电路的输入端，连接电流采样电路的输出端；运放U1A输入负端分别连接电阻R22的一端和电阻R23的一端，电阻R22另一端连接电池负极(VB-)，电阻R23另一端分别连接运放U1A的输出端和电阻R24一端，电阻R24另一端连接电阻 R25一端，电阻R25另一端连接电池负极(VB-)；比较输出电路，包括运放U1B、稳压芯片U2、二极管D22、电容C22和电阻R27、R28，运放U1B输入正端分别连接电阻R24的另一端、电阻R25的一端和电阻R27的一端，运放U1B输入负端分别连接稳压器U2的采样端和输入端，运放U1B的输出端分别连接电阻R27的另一端、二极管D22的阳极和电容 C22一端，电容C22另一端连接电池负极(VB-)，二极管D22阴极连接电阻R28的一端，二极管D22的阴极还作为逻辑控制电路的输出端，连接开关控制电路的控制端。
优选的，所述运算放大电路，通过调节电阻R21、R22、R23、R24和电阻R25的阻值可调节电池输出关断电流点的大小；所述比较输出电路，通过调节电容C22的容值可调节短路时关断MOS管TR1的延时；通过调节电阻R28的阻值可调节断开电池时间，防止短路打嗝过快导致MOS管TR1过热损坏。
本发明还提供一种充电电源的电池短路保护电路，包括电流采样电路、逻辑控制电路和开关控制电路，其中，电流采样电路，用于与负载串联连接形成串联支路，该串联支路并联在电源输出正端与电源输出负端之间，以采样负载的电流形成采样电流，且采样电流不包含输出滤波电容的电流；采样电流输出至逻辑控制电路的输入端；逻辑控制电路的输出端与开关控制电路的控制端连接；开关控制电路的输入端分别与负载正端及电源输出正端连接；开关控制电路的输出端与电池正极连接。
优选的，所述电流采样电路，由电阻Rcs构成；所述开关控制电路，包括MOS管TR1及电阻R1；其中，电阻Rcs的一端分别与负载负端及逻辑控制电路的输入端连接，电阻Rcs的另一端分别与电源输出负端及电池负极连接；MOS管栅极作为开关控制电路的控制端，连接逻辑控制电路的输出端；MOS管TR1漏极作为开关控制电路的输入端，分别连接负载正端和电源输出正端；MOS管TR1源极作为开关控制电路的输出端，连接电池放电端。
优选的，所述逻辑控制电路，包括运放供电电路、运算放大电路和比较输出电路，运放供电电路，包括二极管D21和电容C21，二极管D21的阳极连接电池正极(VB+)，二极管D21的阴极连接电容C21的一端，电容C21另一端连接电池负极(VB-)；运算放大电路，包括运放U1A和电阻R21、R22、R23、R24、R25，运放U1A输入正端连接电阻R21一端，电阻R21另一端作为逻辑控制电路的输入端，连接电流采样电路的输出端；运放U1A输入负端分别连接电阻R22的一端和电阻R23的一端，电阻R22另一端连接电池负极(VB-)，电阻R23另一端分别连接运放U1A的输出端和电阻R24一端，电阻R24另一端连接电阻 R25一端，电阻R25另一端连接电池负极(VB-)；比较输出电路，包括运放U1B、稳压器 U2、二极管D22、电容C22和电阻R27、R28，运放U1B输入正端分别连接电阻R24的另一端、电阻R25的一端和电阻R27的一端，运放U1B输入负端分别连接稳压器U2的采样端和输入端，运放U1B的输出端分别连接电阻R27的另一端、二极管D22的阳极和电容 C22一端，电容C22另一端连接电池负极(VB-)，二极管D22阴极连接电阻R28的一端，二极管D22的阴极还作为逻辑控制电路的输出端，连接开关控制电路的控制端。
优选的，所述电流采样电路，由耦合线圈或变压器构成。
本发明还提供一种充电电源的电池短路保护电路，包括电流采样电路、逻辑控制电路和开关控制电路，电流采样电路的第一输入端与负载负端连接，第二输入端与电源输出负端连接；电流采样电路的输出端与逻辑控制电路的输入端连接；逻辑控制电路的输出端与开关控制电路的控制端连接；开关控制电路的输入端与电源输出负端连接；开关控制电路的输出端与电池负极连接。
本发明再提供一种充电电源的电池短路保护电路，用于电源输出端的负载和电池的短路保护控制，包括电流采样电路、逻辑控制电路和开关控制电路；逻辑控制电路，接收电流采样电路的采样电流，并向开关控制电路输出开关控制信号；开关控制电路，接收逻辑控制电路的开关控制信号，并根据开关控制信号来进行开关元件的导通/断开控制，其中，电流采样电路，用于与负载串联连接形成串联支路，该串联支路并联在电源输出正端与电源输出负端之间，以采样负载的电流形成采样电流，且采样电流不包含输出滤波电容的电流；采样电流输出给逻辑控制电路。
优选的，所述电流采样电路，由电阻Rcs构成，电阻Rcs用于与负载串联连接形成串联支路。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本方案解决现有电池短路保护电路误触发问题。
2)本方案反应更快，可靠性高；经对改善前与改善后的样品进行测试，所得测试数据显示，改善前反应时间大概需1mS，而且电池被拉低、保护时会产生火花；改善后的反应时间小于10uS，而且没有火花产生。
3)本发明设计灵活，过流点可调，打嗝时间可调。
附图说明
图1为现有充电电源的电池短路保护电路的原理框图；
图2为本发明第一实施例的充电电源的电池短路保护电路的原理框图，其中开关器件接电池正极；
图3为本发明第一实施例的充电电源的电池短路保护电路的原理图(除逻辑控制电路)；
图4为本发明第一实施例的充电电源的电池短路保护电路中逻辑控制电路的原理图；
图5为本发明第二实施例的充电电源的电池短路保护电路的原理框图，其中开关器件接电池负极。
具体实施方式
第一实施例
如图2所示，为本发明第一实施例的充电电源的电池短路保护电路的原理框图，一种充电电源的电池短路保护电路，包括：电流采样电路、开关控制电路和逻辑控制电路三部分电路。
电流采样电路只检测流过输出负载Ro的电流Ir，而不检测流过输出滤波电容Co的冲击电流Ic，可有效避免电池上电时对滤波电容Co充电形成的冲击电流误触发短路保护。
所述开关控制电路，一端连接电池(或超级电容)，另一端连接电源输出电路，控制信号端连接逻辑控制电路的输出端，以接收逻辑控制电路输出的开关控制信号。开关控制电路与电池的连接方式有两种，即可连接电池(或超级电容)正极(如图2所示)，也可连接电池负极(如图5所示)。此开关控制电路由开关器件及其***电路组成，在开关器件断开时能确保完全断开电池(或超级电容)与电源的连接。其中，开关器件可选用三极管、场效应管、继电器或程控开关等。
所述电流采样电路，一端连接输出负载负端，另一端分别连接电源输出负端和电池负极，电流采样电路的输出端连接逻辑控制电路的输入端，用以将采集到的采样电流信号输出给逻辑控制电路。图2所示为共负极接法(即电池正极与电源输出正端是直接相连的)，图5所示为共正极接法(即电池负极与电源输出负端是直接相连的。此电流采样电路可选用电阻或电流互感器等电流采样器件。
所述逻辑控制电路，输出端与开关控制电路的控制信号端相连，输入端与电流采样电路的输出端(即电流采样信号输出端)相连。此逻辑控制电路可选用运放、TL431或三极管等器件。
图3虚线框中示出了本发明第一实施例充电电源的电池短路保护电路的电流采样电路和开关控制电路的原理图，电流采样电路由电流采样电阻Rcs构成，开关控制电路包括：P 型沟道MOS管TR1及MOS管泄放电阻R1。
所述电流采样电阻Rcs连接输出负载电阻Ro的一端(即负载负端)和逻辑控制电路的输入端，另一端连接电池负极VB-与电源输出负端Vo-。MOS管TR1源极(1或S端)连接防反二极管D1阴极，二极管D1的阳极连接电池正极，或者说二极管D1的阴极即构成电池的放电端；MOS管TR1漏极(2或D端)连接输出负载Ro的另一端(即负载正端)和电源输出正端Vo+，MOS管栅极(G端)连接逻辑控制电路的输出端，逻辑控制电路的输出端用于向开关控制电路中的开关器件输出开关控制信号。
图4虚线框中示出了本发明第一实施例充电电源的电池短路保护电路的逻辑控制电路的原理图，逻辑控制电路包括：运放芯片U1(其中包括运放U1A和运放U1B两部分)、稳压芯片U2、二极管D21-D22、电阻R21-R28、电容C21-C22。其中，二极管D21和电容C21组成运放供电电路，运放U1A和电阻R21-R25组成运算放大电路，运放U1B、稳压芯片U2、二极管D22、电阻R27-R28和电容C22组成比较输出电路。
所述运放供电电路中，二极管D21的阳极连接电池正极VB+，阴极连接电容C21的一端，电容C21另一端连接电池负极VB-。电容C21的作用是为运放U1A、U1B和稳压芯片U2提供稳定供电电压，电容C21的容值适当增大可增加电压稳定性。二极管D21的作用是当电池短路时，电池电压会低于电容C21两端电压，增设二极管D21能防止电容C21电压被电池正极VB+拉低，提高电池给运放芯片U1和稳压芯片U2供电的稳定性。
所述运算放大电路中，运放U1A正端连接电阻R21的一端，电阻R21另一端引出作为逻辑控制电路的输入端，用于接收电流采样电路的采样电流；运放U1A负端连接电阻R22 和R23的一端，电阻R22另一端连接电池负极VB-，电阻R23另一端连接运放U1A输出端和电阻R24的一端，电阻R24另一端连接电阻R25的一端，电阻R25另一端连接电池负极VB-。运放U1A与电阻R21、R22、R23组成信号放大器，将自电流采样电路接收到的采样电流信号放大，放大倍数为(R22+R23)/R22。电阻R24和R25组成串联分压电路，可通过改变电阻 R22-R25的阻值来调节电池输出关断电流点大小。
所述比较输出电路中，运放U1B正端连接电阻R24、R25和R27，运放U1B负端连接稳压芯片U2采样端和输入端,运放U1B输出端分别连接电阻R27的一端、二极管D22的阳极和电阻R28的一端，电阻R28另一端分别连接二极管D22阴极及电容C22的一端，电阻R28 另一端还引出作为逻辑控制电路的输出端，用于向开关控制电路中的开关器件输出开关控制信号；电容C22另一端连接电池负极VB-。运放U1B作为比较器将运算放大电路中放大处理后的采样信号与2.5V比较，若高于2.5V则运放U1B输出高电平，若低于2.5V则运放U1B 输出低电平。
电路工作原理：电池供电时，在正常条件下，MOS管TR1应导通给后级负载Ro供电。当电源输出端负载Ro出现异常，导致短路或阻值非常小时，电池放电电流过大，流过电阻Rcs电流增大，电阻Rcs两端电压增大，通过运算放大电路后的电压高于2.5V，运放U1B 输出高电平，并通过逻辑控制电路的输出端输出开关控制信号到P型MOS管TR1的栅极，关断MOS管TR1，将电池与负载断开，防止电池因长时间短路过流过热损坏。电池与负载断开后，电池输出电流变得很小，几乎小到为零，通过电流检测电路的检测电流也会相应变小，从而控制运放U1B输出低电平，此时电容C22通过电阻R28慢慢放电，电容C22 两端电压慢慢降低。当电容C22两端电压放电低至MOS管的开通电压阈值时，MOS管TR1 重新导通，如此循环往复，进入短路打嗝保护状态，防止电池因放电电流过大过热损坏，直到电源输出端的负载短路异常恢复后退出短路保护模式，MOS管TR1导通将电池接入电路。其中，采样电阻Rcs由于有大电流流过，为减少发热量，应将阻值取小，一般为10-100 毫欧。电阻R27为正反馈，防止运放U1B工作在线性状态，加快MOS管TR1关断速度。其中，电流采样电阻Rcs可改为耦合线圈或变压器，以适用于流过电流较大的情况，降低损耗。
快关慢开原理：当MOS管TR1关断时，运放U1B输出高电平，此时二极管D22导通，通过二极管D22直接对电容C22充电，电流大速度快，MOS管TR1关断速度很快。当MOS管 TR1导通时，运放U1B输出低电平，二极管D22关断，电池C22放电只能通过电阻R28，放电速度较慢，以控制MOS管TR1的开通速度较慢。通过增大电容C22的容值可增加短路时关断MOS管TR1的延时，增大电阻R28的阻值可增加断开电池时间，防止短路打嗝过快导致MOS管TR1过热损坏。
防误触发原理：当电池接入产品，MOS管TR1首次开通时，电源输出滤波电容Co上虽有较大冲击电流Ic流过，但电流采样电路只检测流过负载电阻Ro的电流Ir，而不检测电源输出滤波电容Co的电流Ic，故不会误触发电池的短路或过流保护。
如上分析可知，本发明所提供的充电电源的电池短路保护电路，能通过电流采样电路实时监控流过输出负载的电流，并将电流信号传输给逻辑控制电路控制电池的接入和断开。当输出端负载出现异常短路情况时，流过输出端负载电流迅速增大，电流采样电路将过流信号迅速传输给逻辑控制电路控制电池开关电路断开，能快速有效地保护电池或超级电容，防止充电电源和电池短路损坏。
通过对改善前的现有技术样品与改善后的本发明的样品进行测试，所得测试数据显示，改善前反应时间大概需1mS，而且电池被拉低、保护时会产生火花。改善后的反应时间小于10uS，而且没有火花产生。由此可知，相对于现有技术，本发明充电电源的电池短路保护电路，能有效规避首次接入电池时因滤波电容所造成的误触发过流保护，反应速度快，可靠性高，设计灵活，可调节保护电流阀值、打嗝时间、反应速度。
在本文所称的“电池”为适用于充电电源的辅助动力源，可以是蓄电池或超级电容，也可以是实现此功能的其他装置。
第二实施例
如图5所示为本发明第二实施例充电电源的电池短路保护电路的原理框图，第二实施例与第一实施例的结构和工作原理基本相同，不同之处仅在于，将P型沟通的MOS管TR1改为N型，相应地连接位置改到电池负极，并调整逻辑控制电路逻辑极性。
调整后电路的工作原理与第一实施例一样，可实现同等功效。
Claims (10)
1.一种充电电源的电池短路保护电路，包括电流采样电路、逻辑控制电路和开关控制电路，其中，逻辑控制电路，接收电流采样电路的采样电流，并向开关控制电路输出开关控制信号，其特征在于：
电流采样电路，由电阻Rcs构成，电阻Rcs的一端分别与负载负端及逻辑控制电路的输入端连接，电阻Rcs的另一端分别与电源输出负端及电池负极连接；
开关控制电路，包括MOS管TR1和电阻R1，MOS管栅极连接逻辑控制电路的输出端，MOS管TR1漏极分别连接负载正端和电源输出正端，MOS管TR1源极连接电池放电端。
2.根据权利要求1所述充电电源的电池短路保护电路，其特征在于：所述逻辑控制电路，包括运放供电电路、运算放大电路和比较输出电路，
运放供电电路，包括二极管D21和电容C21，二极管D21的阳极连接电池正极，二极管D21的阴极连接电容C21的一端，电容C21另一端连接电池负极；
运算放大电路，包括运放U1A和电阻R21、R22、R23、R24、R25，运放U1A输入正端连接电阻R21一端，电阻R21另一端作为逻辑控制电路的输入端，连接电流采样电路的输出端；运放U1A输入负端分别连接电阻R22的一端和电阻R23的一端，电阻R22另一端连接电池负极，电阻R23另一端分别连接运放U1A的输出端和电阻R24一端，电阻R24另一端连接电阻R25一端，电阻R25另一端连接电池负极；
比较输出电路，包括运放U1B、稳压芯片U2、二极管D22、电容C22和电阻R27、R28，运放U1B输入正端分别连接电阻R24的另一端、电阻R25的一端和电阻R27的一端，运放U1B输入负端分别连接稳压器U2的采样端和输入端，运放U1B的输出端分别连接电阻R27的另一端、二极管D22的阳极和电容C22一端，电容C22另一端连接电池负极，二极管D22阴极连接电阻R28的一端，二极管D22的阴极还作为逻辑控制电路的输出端，连接开关控制电路的控制端。
3.根据权利要求2所述充电电源的电池短路保护电路，其特征在于：所述运算放大电路，通过调节电阻R21、R22、R23、R24和电阻R25的阻值可调节电池输出关断电流点的大小；所述比较输出电路，通过调节电容C22的容值可调节短路时关断MOS管TR1的延时；通过调节电阻R28的阻值可调节断开电池时间，防止短路打嗝过快导致MOS管TR1过热损坏。
4.一种充电电源的电池短路保护电路，包括电流采样电路、逻辑控制电路和开关控制电路，其特征在于：
电流采样电路，用于与负载串联连接形成串联支路，该串联支路并联在电源输出正端与电源输出负端之间，以采样负载的电流形成采样电流，且采样电流不包含输出滤波电容的电流；采样电流输出至逻辑控制电路的输入端；
逻辑控制电路的输出端与开关控制电路的控制端连接；
开关控制电路的输入端分别与负载正端及电源输出正端连接；开关控制电路的输出端与电池正极连接。
5.根据权利要求4所述充电电源的电池短路保护电路，其特征在于：所述电流采样电路，由电阻Rcs构成；所述开关控制电路，包括MOS管TR1及电阻R1；其中，电阻Rcs的一端分别与负载负端及逻辑控制电路的输入端连接，电阻Rcs的另一端分别与电源输出负端及电池负极连接；MOS管栅极作为开关控制电路的控制端，连接逻辑控制电路的输出端；MOS管TR1漏极作为开关控制电路的输入端，分别连接负载正端和电源输出正端；MOS管TR1源极作为开关控制电路的输出端，连接电池放电端。
6.根据权利要求4或5所述充电电源的电池短路保护电路，其特征在于：所述逻辑控制电路，包括运放供电电路、运算放大电路和比较输出电路，
运放供电电路，包括二极管D21和电容C21，二极管D21的阳极连接电池正极，二极管D21的阴极连接电容C21的一端，电容C21另一端连接电池负极；
运算放大电路，包括运放U1A和电阻R21、R22、R23、R24、R25，运放U1A输入正端连接电阻R21一端，电阻R21另一端作为逻辑控制电路的输入端，连接电流采样电路的输出端；运放U1A输入负端分别连接电阻R22的一端和电阻R23的一端，电阻R22另一端连接电池负极，电阻R23另一端分别连接运放U1A的输出端和电阻R24一端，电阻R24另一端连接电阻R25一端，电阻R25另一端连接电池负极；
比较输出电路，包括运放U1B、稳压器U2、二极管D22、电容C22和电阻R27、R28，运放U1B输入正端分别连接电阻R24的另一端、电阻R25的一端和电阻R27的一端，运放U1B输入负端分别连接稳压器U2的采样端和输入端，运放U1B的输出端分别连接电阻R27的另一端、二极管D22的阳极和电容C22一端，电容C22另一端连接电池负极，二极管D22阴极连接电阻R28的一端，二极管D22的阴极还作为逻辑控制电路的输出端，连接开关控制电路的控制端。
7.根据权利要求4所述充电电源的电池短路保护电路，其特征在于：所述电流采样电路，由耦合线圈或变压器构成。
8.一种充电电源的电池短路保护电路，包括电流采样电路、逻辑控制电路和开关控制电路，其特征在于：
电流采样电路的第一输入端与负载负端连接，第二输入端与电源输出负端连接；电流采样电路的输出端与逻辑控制电路的输入端连接；
逻辑控制电路的输出端与开关控制电路的控制端连接；
开关控制电路的输入端与电源输出负端连接；开关控制电路的输出端与电池负极连接。
9.一种充电电源的电池短路保护电路，包括电流采样电路、逻辑控制电路和开关控制电路；逻辑控制电路，接收电流采样电路的采样电流，并向开关控制电路输出开关控制信号；开关控制电路，接收逻辑控制电路的开关控制信号，并根据开关控制信号来进行开关元件的导通/断开控制，其特征在于：
电流采样电路，用于与负载串联连接形成串联支路，该串联支路并联在电源输出正端与电源输出负端之间，以采样负载的电流形成采样电流，且采样电流不包含输出滤波电容的电流；采样电流输出给逻辑控制电路。
10.根据权利要求9所述充电电源的电池短路保护电路，其特征在于：所述电流采样电路，由电阻Rcs构成，电阻Rcs用于与负载串联连接形成串联支路。
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