CN109510484A - 一种用于芯片的高压供电控制***及方法 - Google Patents

一种用于芯片的高压供电控制***及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种用于芯片的高压供电控制***及方法。该高压供电控制***包括：供电电压获取模块，被配置为获取用于为芯片供电的高压供电电压的实时电压值；供电电压比较模块，被配置为将供电电压的实时电压值与预定的供电电压阈值进行比较；以及供电开关管，被配置为控制对芯片的高压供电，其中：当供电电压比较模块的比较结果指示供电电压的实时电压值高于供电电压阈值时，供电开关管在满足芯片正常工作的情况下关断或者降低供电电流，以控制中断或降低对芯片的供电；并且当供电电压比较模块的比较结果指示供电电压的实时电压值低于供电电压阈值时，供电开关管开通或提高供电电流，以控制启动或加强对芯片的供电。

Description

一种用于芯片的高压供电控制***及方法
技术领域
本发明涉及芯片领域，更具体地涉及一种用于芯片的高压供电控制***及方法。
背景技术
高压供电技术已广泛应用于不同***来为芯片提供稳定的电源电压。图1示出了一种应用高压供电的示例性***的示意图。如图所示，该示例性***是应用高压供电电源为一种Buck结构的开关电源进行供电。输入高压交流电源连接到由四个二极管构成的整流桥的两个输入端，通过整流桥整流之后再经电容器C1滤波，然后被输入到由虚线框指示的开关电源控制芯片来为开关电源控制芯片提供稳定的电源电压VDD。
在上述示例性***中，用于控制开关电源控制芯片的高压供电的VDD控制模块被集成在开关电源控制芯片中。图2示出了典型的高压供电***的简化示意图，其中用虚线框指示典型的高压供电控制模块，并且该***中的其他模块或电路已被省略。如图2所示，典型的高压供电控制模块可以由供电开关管(例如结型场效应管JFET)和电压比较器构成，通过JFET的开通和关断来控制对开关电源控制芯片的供电。当芯片电源电压VDD低于芯片电源参考电压VREF时，JFET开通，从而通过输入电压VIN为芯片充电；当芯片电源电压VDD高于芯片电源参考电压VREF时，JFET关断，芯片电源电压VDD通过稳压电容器进行维持，从而可以将芯片电源电压VDD稳定在芯片电源参考电压VREF处。
图3示出了应用上述典型的高压供电控制模块时芯片电源电压VDD、供电开关管JFET的电流IJFET和漏极电压VHV的波形的示意图。如图所示，芯片电源电压VDD稳定在芯片电源参考电压VREF处；JFET的漏极电压VHV等于输入电压VIN，其按一定的频率(例如电网工频的两倍)在最低输入电压和最高输入电压之间变化；IJFET为流过供电开关管JFET的电流，其平均电流等于芯片工作电流IIC，IJFET_MAX为能够流过JFET的最大电流。
由于供电开关管JFET的漏极与输入电压VIN耦合，该JFET在工作时漏极与源极之间存在较大压降，所以在该JFET上存在较大损耗。由高压供电带来的损耗可以近似为：
尤其是随着输入电压VIN的升高，JFET上的损耗也随之增大。高压带来的损耗转化为热量，会导致开关电源控制芯片的温度升高，***效率降低。
发明内容
鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了一种用于芯片的高压供电控制***及方法。
根据本发明的一方面，提供了一种用于芯片的高压供电控制***。该高压供电控制***包括：供电电压获取模块，被配置为获取用于为芯片供电的高压供电电压的实时电压值；供电电压比较模块，被配置为将供电电压的实时电压值与预定的供电电压阈值进行比较；以及供电开关管，被配置为控制对芯片的高压供电，其中：当供电电压比较模块的比较结果指示供电电压的实时电压值高于供电电压阈值时，供电开关管在满足芯片正常工作的情况下关断或降低供电电流，以控制中断或降低对芯片的供电；并且当供电电压比较模块的比较结果指示供电电压的实时电压值低于供电电压阈值时，供电开关管开通或提高供电电流，以控制启动或加强对芯片的供电。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于芯片的高压供电控制方法。该高压供电控制方法包括：获取用于为芯片供电的高压供电电压的实时电压值；将供电电压的实时电压值与预定的供电电压阈值进行比较；当供电电压的实时电压值高于供电电压阈值时，用于控制高压供电的供电开关管在满足芯片正常工作的情况下关断或降低供电电流，以控制中断或降低对芯片的供电；并且当供电电压的实时电压值低于供电电压阈值时，供电开关管开通或提高供电电流，以控制启动或加强对芯片的供电。
根据本发明的各个方面的高压供电控制***和方法可以实现仅利用较低的供电电压对芯片进行分段式供电，从而可以避免供电开关管在过大的供电电压下进行工作，降低高压供电带来的损耗，降低芯片的温度，提高***效率。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
图1示出了一种应用高压供电的示例性***的示意图；
图2示出了应用典型的高压供电控制模块的高压供电***的简化示意图；
图3示出了应用图2中的典型的高压供电控制模块时芯片电源电压VDD、供电开关管JFET的电流IJFET和漏极电压VHV的波形的示意图；
图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于芯片的高压供电***的示意性框图；
图5示出了应用根据本发明的另一示例性实施例的高压供电控制***的高压供电***的示意性框图；
图6示出了图5的示例性高压供电***的简化电路示意图；
图7A至7C示出了应用图5或图6中所示的高压供电控制***时芯片电源电压VDD、供电开关管JFET的电流IJFET和漏极电压VHV的波形的示意图；
图8示出了根据本发明的一个实施例的用于芯片的高压供电控制方法的示意流程图；
图9示出了根据本发明的另一实施例的用于芯片的高压供电控制方法的示意流程图；以及
图10示出了可应用根据本发明的高压供电控制***的一种高压供电***的示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
高压供电技术已被广泛应用于不同***来为芯片提供稳定的电源电压。利用典型的高压供电控制方式，输入高压信号始终施加在供电开关管上，不断地对芯片进行充电，导致供电开关管在工作时大部分时间都存在较大的压降，因而造成较大的损耗。
鉴于此问题，本发明提供了一种新的高压供电控制***。该高压供电控制***可以在供电电压的实时电压值升高至高于预定阈值时中断对芯片的供电，而在供电电压的实时电压值降低至低于预定阈值时再启动对芯片的供电，从而实现仅利用较低的供电电压对芯片进行分段式供电。这样可以避免供电开关管在过大的供电电压下进行工作，从而降低高压供电带来的损耗，降低芯片的温度，提高***效率。
图4示出了根据本发明的一个实施例的用于芯片的高压供电***400的示意性框图。该高压供电***400包括高压供电电源410、高压供电控制***420以及芯片430。高压供电电源410例如接收来自电网的输入交流电压，对该输入交流电压进行整流和滤波，以提供经整流和滤波的供电电压来为芯片430供电。高压供电控制***420包括供电电压获取模块421，被配置为获取用于为芯片430供电的高压供电电压的实时电压值VHV；供电电压比较模块422，被配置为将供电电压的实时电压值VHV与预定的供电电压阈值VHV_TH进行比较；以及供电开关管423，被配置为基于供电电压比较模块422的比较结果控制对芯片430的高压供电。根据本发明的示例性实施例，在高压供电控制***420中，当供电电压比较模块422的比较结果指示供电电压的实时电压值VHV高于供电电压阈值VHV_TH时，供电开关管423在满足芯片正常工作的情况下关断或降低供电电流以控制中断或降低对芯片430的供电；并且当供电电压比较模块422的比较结果指示供电电压的实时电压值VHV低于供电电压阈值VHV_TH时，供电开关管423开通或提高供电电流以控制启动或加强对芯片430的供电。
如图4所示，高压供电控制***420可以被设置在芯片430的外部，然而根据本发明的另一实施例，高压供电控制***420也可以被集成在芯片430中，从而可以降低控制芯片的***成本，缩小***体积。
如上所述，利用根据本发明的实施例的高压供电控制***420，供电开关管423仅在供电电压的实时电压值VHV低于预定的供电电压阈值VHV_TH时才开通或者具有较大的供电电流，而在供电电压的实时电压值VHV高于预定的供电电压阈值VHV_TH时是关断的或者具有较低的供电电流。因此，在供电开关管423开通时，其源极和漏极之间的压降始终保持在较低的电压水平，在应用供电电压对芯片进行充电时造成的损耗也就比较小。
供电开关管423的开通和关断或者供电电流的降低和增加可以基于供电电压的实时电压值由多种控制方式进行控制。例如，图5示出了应用根据本发明的另一示例性实施例的高压供电控制***的高压供电***的示意性框图，并且图6示出了该示例性高压供电***的简化电路示意图。
在图6中，用虚线框指示根据该示例性实施例的高压供电控制***，而高压供电***中的其他模块或电路(例如图1中所示的开关电源控制芯片和Buck电路)已被省略。根据本发明的高压供电控制***可以用于控制对各种芯片的高压供电，并且本发明对要控制供电的芯片的内部结构不做限制。如图6所示，用于控制高压供电的供电开关管可以例如是结型场效应晶体管JFET，该JFET的漏极与供电电压VHV相耦合，其源极与芯片电源电压VDD相耦合，并且其栅极与用于比较芯片电源电压VDD和芯片电源参考电压VREF的比较器的输出相耦合。
如图5所示，根据该示例性实施例的高压供电控制***420还包括：参考电压设置模块424，用于设置芯片电源参考电压VREF；以及芯片电源电压比较模块425，用于将芯片电源电压VDD与芯片电源参考电压VREF进行比较。与图2所示的典型的高压供电***类似，在该高压供电控制***420中，当芯片电源电压比较模块425的比较结果指示芯片电源电压VDD低于芯片电源参考电压VREF时，供电开关管423开通以允许通过供电电压对芯片430进行充电；并且当芯片电源电压比较模块425的比较结果指示芯片电源电压VDD高于芯片电源参考电压VREF时，供电开关管423关断以暂停对芯片的充电，从而使得芯片电源电压VDD稳定在芯片电源参考电压VREF处。
根据该示例性实施例，参考电压设置模块424还被配置为设置第一芯片电源参考电压VREF1和第二芯片电源参考电压VREF2，其中VREF1高于VREF2；当供电电压比较模块422的比较结果指示供电电压的实时电压值VHV升高至高于供电电压阈值VHV_TH时，参考电压设置模块424选择第二芯片电源参考电压VREF2以将其设置为芯片电源参考电压VREF；并且当供电电压比较模块422的比较结果指示供电电压的实时电压值VHV降低至低于供电电压阈值时，参考电压设置模块424选择第一芯片电源参考电压VREF1以将其设置为芯片电源参考电压VREF。
与典型的高压供电控制***相比，在图5和图6所示的示例性高压供电控制***中，增加了对供电电压的电压值VHV的实时采集，以及根据所采集的供电电压的实时电压值VHV对芯片电源参考电压VREF的控制。
供电电压的实时电压值VHV可以通过多种方式被芯片430获取。例如，芯片430可以获取能够表征供电电压的实时电压值VHV的某一信号的实时信号值，并且基于所获取的该信号的实时信号值来计算得到供电电压的实时电压值VHV。例如，可以通过获取关于输入电压电阻分压、芯片电流采样脚电压、辅助绕组电压、驱动开关控制信号的占空比等的信息来间接得到供电电压的实时电压值VHV。
图7A-7C示出了应用图5或图6中所示的高压供电控制***时芯片电源电压VDD、供电开关管JFET的电流IJFET和漏极电压VHV的波形的示意图。在图6中所示的高压供电控制***中，供电电压的实时电压值VHV即为输入电压VIN的实时电压值，也就是供电开关管JFET的漏极电压VHV的实时电压值。
如图7A所示，当供电电压的实时电压值VHV升高至高于VHV_TH时，芯片电源参考电压VREF被设置为较低的VREF2。此时芯片电源电压VDD高于芯片电源参考电压VREF2，导致供电开关管JFET关断，从而中断对芯片的高压供电。然后，芯片电源电压VDD通过稳压电容C2维持，直至芯片电源电压VDD降低至VREF2后JFET再次工作。另一方面，当供电电压的实时电压值VHV降低至低于VHV_TH时，芯片电源参考电压VREF被设置为较高的VREF1。此时芯片电源电压VDD低于芯片电源参考电压VREF1，导致供电开关管JFET开通，从而再次启动对芯片的供电。
从图7A中的波形图中可以看出，利用根据本发明的示例性实施例的高压供电控制***，在供电电压的实时电压值过大时将中断或降低对芯片的供电，而在供电电压的实时电压值降低至较低值时再启动或加强对芯片的供电，从而实现仅利用较低的供电电压对芯片进行分段式供电。这样，供电开关管JFET在开通时仅被施加较小的电压，避免了供电开关管JFET在过大的供电电压下进行工作，从而降低高压供电带来的损耗，降低芯片的温度，提高***效率。
在本发明的各种示例性实施例中，可以根据实际需要设置不同的供电电压阈值VHV_TH、第一芯片电源参考电压VREF1和第二芯片电源参考电压VREF2。例如，可以基于供电电压的有效值调节供电电压阈值VHV_TH，并且可以基于芯片的实际工作条件来设置适当的第一芯片电源参考电压VREF1和第二芯片电源参考电压VREF2。
鉴于实际设置的VHV_TH、VREF1、VREF2可能不同，JFET供电电流能力可能不同，以及芯片电源的VDD稳压电容大小也可能不同，芯片电源电压VDD也会出现常高于VREF2或常低于VREF1的情况，如图7B和图7C所示。这些情况同属于根据本发明的高压供电控制***工作的正常情况。
图8示出了根据本发明的一个实施例的用于芯片的高压供电控制方法800的示意流程图。该高压供电控制方法800可以包括步骤S810至S840。
在S810处，可以获取用于为芯片供电的高压供电电压的实时电压值。
供电电压的实时电压值可以通过多种方式被获取。例如，可以获取能够表征供电电压的实时电压值的某一信号的实时信号值，并且基于所获取的该信号的实时信号值来计算得到供电电压的实时电压值。例如，可以通过获取关于输入电压电阻分压、芯片电流采样脚电压、辅助绕组电压、驱动开关控制信号的占空比等的信息来间接得到供电电压的实时电压值。
在S820处，将供电电压的实时电压值与预定的供电电压阈值进行比较。
可以根据实际需要设置不同的供电电压阈值。例如，可以基于供电电压的有效值调节供电电压阈值。
当供电电压的实时电压值高于供电电压阈值时，在S830处，用于控制高压供电的供电开关管在满足芯片正常工作的情况下关断或降低供电电流，以控制中断或降低对芯片的供电。
当供电电压的实时电压值低于供电电压阈值时，在S840处，用于控制高压供电的供电开关管开通或提高供电电流，以控制启动或加强对芯片的供电。
根据本发明的高压供电控制方法800可以实现仅利用较低的供电电压对芯片进行分段式供电，从而避免了供电开关管JFET在过大的供电电压下进行工作，可以降低高压供电带来的损耗，降低芯片的温度，提高***效率。
图9示出了根据本发明的另一实施例的用于芯片的高压供电控制方法900的示意流程图。根据本发明，用于控制高压供电的供电开关管的开通和关断或者供电电流的降低和提高可以基于供电电压的实时电压值由多种控制方式进行控制。例如，在图9示出的高压供电控制方法900中，通过基于供电电压的实时电压值来设置不同的芯片电源参考电压的方式来实现对供电开关管的开通和关断的控制。
该高压供电控制方法900包括步骤S910至S980，其中步骤S920和S930分别对应于图8中所示的高压供电控制方法800中的步骤S810和S820。
在S910处，设置第一芯片电源参考电压和第二芯片电源参考电压，其中第一芯片电源参考电压高于第二芯片电源参考电压。
在S920处，获取用于为芯片供电的高压供电电压的实时电压值。
在S930处，将供电电压的实时电压值与预定的供电电压阈值进行比较。
当供电电压的实时电压值高于供电电压阈值时，在S940处，选择第二芯片电源参考电压作为芯片电源参考电压。
当供电电压的实时电压值低于供电电压阈值时，在S950处，选择第一芯片电源参考电压作为芯片电源参考电压。
在S960处，将芯片电源电压与芯片电源参考电压进行比较。
当芯片电源电压低于芯片电源参考电压时，在S970处，用于控制高压供电的供电开关管开通，以允许通过供电电压对芯片进行充电。
当芯片电源电压高于芯片电源参考电压时，在S980处，用于控制高压供电的供电开关管关断，以暂停对芯片的充电。
根据本发明的高压供电控制方法900可以将芯片电源电压稳定在第一芯片电源参考电压和第二芯片电源参考电压之间，并且可以实现仅利用较低的供电电压对芯片进行分段式供电，从而降低高压供电带来的损耗。
应注意的是，上述高压供电控制方法800和900中的各个步骤仅表示高压供电控制***中的模块要执行的相应动作，这些步骤不需要按图中所示的顺序执行，也可以按照其他合适的顺序执行或者并行地执行，并且可以根据实际情况进行删减或合并。
此外，在之前的示例性实施例中，芯片的供电电压均为经整流和滤波的输入高压AC电源电压，但是根据本发明的高压供电控制***和方法不局限于供电开关管连接到芯片的输入电压的情况，同样适用于供电开关管连接其他高压节点处的供电电压的情况。例如，在如图10所示的用于Buck-boost结构的开关电源控制芯片的高压供电***中，高压供电控制模块可以连接到Buck-boost电路中的输出电容CO的正端节点处的电压。在这种情况下，输出电容CO的正端节点处的电压即为根据本发明的各种示例性实施例的上述供电电压。
上文中提到了“一个实施例”、“另一实施例”、“又一实施例”，然而应理解，在各个实施例中提及的特征并不一定只能应用于该实施例，而是可能用于其他实施例。一个实施例中的特征可以应用于另一实施例，或者可以被包括在另一实施例中。
上文中提到了“第一”、“第二”….等序数词。然而应理解这些表述仅仅是为了叙述和引用的方便，所限定的对象并不存在次序上的先后关系。
本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而***体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (16)

1.一种用于芯片的高压供电控制***，包括：
供电电压获取模块，被配置为获取用于为所述芯片供电的高压供电电压的实时电压值；
供电电压比较模块，被配置为将所述供电电压的实时电压值与预定的供电电压阈值进行比较；以及
供电开关管，被配置为控制对所述芯片的高压供电，其中：
当所述供电电压比较模块的比较结果指示所述供电电压的实时电压值高于所述供电电压阈值时，所述供电开关管在满足所述芯片的正常工作的情况下关断或降低供电电流，以控制中断或降低对所述芯片的供电；并且
当所述供电电压比较模块的比较结果指示所述供电电压的实时电压值低于所述供电电压阈值时，所述供电开关管开通或提高供电电流，以控制启动或加强对所述芯片的供电。
2.根据权利要求1所述的高压供电控制***，还包括：
参考电压设置模块，被配置为设置芯片电源参考电压；以及
芯片电源电压比较模块，被配置为将芯片电源电压与所述芯片电源参考电压进行比较，
其中，当所述芯片电源电压比较模块的比较结果指示所述芯片电源电压低于所述芯片电源参考电压时，所述供电开关管开通以允许通过所述供电电压对所述芯片进行充电；并且
当所述芯片电源电压比较模块的比较结果指示所述芯片电源电压高于所述芯片电源参考电压时，所述供电开关管关断以暂停对所述芯片的充电。
3.根据权利要求2所述的高压供电控制***，其中所述参考电压设置模块还被配置为：
设置第一芯片电源参考电压和第二芯片电源参考电压，其中所述第一芯片电源参考电压高于所述第二芯片电源参考电压；
当所述供电电压比较模块的比较结果指示所述供电电压的实时电压值高于所述供电电压阈值时，选择所述第二芯片电源参考电压作为所述芯片电源参考电压；并且
当所述供电电压比较模块的比较结果指示所述供电电压的实时电压值低于所述供电电压阈值时，选择所述第一芯片电源参考电压作为所述芯片电源参考电压。
4.根据权利要求1所述的高压供电控制***，其中所述供电电压获取模块还被配置为获取表征所述供电电压的实时电压值的信号的实时信号值，并且基于所述获取的信号的实时信号值来得到所述供电电压的实时电压值。
5.根据权利要求1所述的高压供电控制***，其中所述供电电压包括耦合到所述芯片的输入电压或者用于为所述芯片供电的高压节点处的供电电压。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的高压供电控制***，还包括供电电压阈值调节模块，被配置为基于所述供电电压的有效值调节所述预定的供电电压阈值。
7.根据权利要求1所述的高压供电控制***，其中所述供电开关管是结型场效应晶体管JFET，并且所述JFET的漏极与所述供电电压相耦合。
8.根据权利要求2或3所述的高压供电控制***，其中所述供电开关管是结型场效应晶体管JFET，所述JFET的漏极与所述供电电压相耦合，所述JFET的源极与所述芯片电源电压相耦合，并且所述JFET的栅极与所述芯片电源电压比较模块的输出相耦合。
9.一种用于芯片的高压供电控制方法，包括：
获取用于为所述芯片供电的高压供电电压的实时电压值；
将所述供电电压的实时电压值与预定的供电电压阈值进行比较；
当所述供电电压的实时电压值高于所述供电电压阈值时，用于控制高压供电的供电开关管在满足所述芯片的正常工作的情况下关断或降低供电电流，以控制中断或降低对所述芯片的供电；并且
当所述供电电压的实时电压值低于所述供电电压阈值时，所述供电开关管开通或提高供电电流，以控制启动或加强对所述芯片的供电。
10.根据权利要求9所述的高压供电控制方法，还包括：
设置芯片电源参考电压；
当芯片电源电压低于所述芯片电源参考电压时，所述供电开关管开通，以允许通过所述供电电压对所述芯片进行充电；并且
当所述芯片电源电压高于所述芯片电源参考电压时，所述供电开关管关断，以暂停对所述芯片的充电。
11.根据权利要求10所述的高压供电控制方法，还包括：
设置第一芯片电源参考电压和第二芯片电源参考电压，其中所述第一芯片电源参考电压高于所述第二芯片电源参考电压；
当所述供电电压的实时电压值高于所述供电电压阈值时，选择所述第二芯片电源参考电压作为所述芯片电源参考电压；并且
当所述供电电压的实时电压值低于所述供电电压阈值时，选择所述第一芯片电源参考电压作为所述芯片电源参考电压。
12.根据权利要求9所述的高压供电控制方法，其中获取用于为所述芯片供电的高压供电电压的实时电压值包括获取表征所述供电电压的实时电压值的信号的实时信号值，并且基于所述获取的信号的实时信号值来得到所述供电电压的实时电压值。
13.根据权利要求9所述的高压供电控制方法，其中所述供电电压包括耦合到所述芯片的输入电压或者用于为所述芯片供电的高压节点处的供电电压。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的高压供电控制方法，还包括：
基于所述供电电压的有效值调节所述预定的供电电压阈值。
15.根据权利要求9所述的高压供电控制方法，其中所述供电开关管是结型场效应晶体管JFET，并且所述JFET的漏极与所述供电电压相耦合。
16.根据权利要求10或11所述的高压供电控制方法，其中所述供电开关管是结型场效应晶体管JFET，所述JFET的漏极与所述供电电压相耦合，所述JFET的源极与所述芯片电源电压相耦合，并且所述JFET的栅极与用于比较所述芯片电源电压和所述芯片电源参考电压的比较器的输出相耦合。
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