CN213402826U - 一种复合功率开关及开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合功率开关及开关电源。所述复合功率开关通过使用小功耗的上拉晶体管来驱动大功耗的主功率器件，以驱动复合功率开关的导通，可以降低驱动损耗。通过增加小功耗的下拉晶体管，可以在需要关断复合功率开关的时候，快速下拉主功率器件的控制端电压，加快主功率器件的关断速度，降低开关损耗。本实施例所述的复合功率开关可以兼顾实现低驱动损耗和低成本的目的。

Description

一种复合功率开关及开关电源

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种可以实现低驱动损耗和低成本的复合功率开关及开关电源。

背景技术

开关电源又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。开关电源的输入一般为交流电源(例如市电)或是直流电源，其输出一般为需要直流电源的设备，例如手机，笔记本电脑等，开关电源即用于实现进行两者之间电压及电流的转换。开关电源利用半导体功率开关器件在全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)之间切换，这两个模式都有低耗散的特点；模式切换之间的转换会有较高的耗散，但时间很短，因此比较节省能源，生成废热较少。理想上，开关电源本身是不会消耗电能的。但实际上，在电流较大的情况下，功率开关器件的导通阻抗引起的损耗不可忽略。尤其在小型化便携电源中，功率开关器件的导通电阻的选用成为电源设计中的重点。

常用的功率开关器件有双极型NPN晶体管以及N型金属-氧化物-半导体晶体管(NMOS 管)。双极型NPN晶体管具有价格低和导通阻抗小的特点，被广泛应用于小功率开关电源中。但是双极型NPN晶体管是电流驱动型开关器件，需要在其基极输入较大电流才能使其导通，增加了驱动功耗和驱动难度，该缺点在中大功率开关电源应用中尤为明显。NMOS管是一种电压驱动型开关器件，只需在其栅极施加一个高于其开启阈值的电压，就可以使其导通，驱动方便。通过增大NMOS管的大小可以线性降低导通电阻，故NMOS管在中大功率开关电源应用中被广泛应用。但NMOS管的制造工艺较复杂，如果要得到相接近的导通效果，NMOS管的成本要比双极型NPN的成本高，且随着导通电阻的进一步减小，两者之间的成本差异会越来越大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对现有技术中存在的技术问题，提供一种复合功率开关及开关电源，可以实现低驱动损耗和低成本的目的。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种复合功率开关，具有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口以及第五端口；所述复合功率开关包括：上拉晶体管，其第一端连接所述第一端口，其第二端连接一内部节点，其控制端连接所述第三端口，所述上拉晶体管被配置为响应第一驱动信号而导通，以在所述内部节点生成一导通驱动信号；下拉晶体管，其第一端连接所述内部节点，其第二端连接所述第五端口，其控制端连接所述第四端口，所述下拉晶体管被配置为响应第二驱动信号而导通，以拉低所述内部节点的电压；主功率器件，其第一端连接所述第一端口，其第二端连接所述第二端口，其控制端连接所述内部节点，所述主功率器件被配置为响应所述导通驱动信号而导通，或在所述内部节点的电压被拉低后关断；其中，同一时间，所述上拉晶体管与所述下拉晶体管仅其中之一处于导通状态，所述上拉晶体管以及所述下拉晶体管的驱动功耗均小于所述主功率器件的驱动功耗。

为实现上述目的，本实用新型还提供了一种开关电源，包括接收输入电压的电磁感应元件，以及连接所述电磁感应元件的开关；所述开关采用本实用新型所述的复合功率开关；所述复合功率开关的第一端口连接所述电磁感应元件，所述复合功率开关的第二端口接地或通过一电流检测电阻接地，所述复合功率开关的第五端口接地或连接至所述第二端口，所述复合功率开关的第三端口接收一第一驱动信号，所述复合功率开关的第四端口接收一第二驱动信号；其中，所述复合功率开关的主功率器件导通时，所述电磁感应元件的感应电流上升。

本实用新型的优点在于：本实用新型提供了一种复合功率开关，通过使用小功耗的 NMOS管来驱动大功耗的NPN型三极管，以驱动复合功率开关的导通，可以降低驱动损耗；通过增加小功耗的NMOS管，可以在需要关断复合功率开关的时候，快速下拉NPN型三极管的基极电压，加快NPN型三极管的关断速度，降低开关损耗。采用本实用新型复合功率开关的开关电源，可以兼顾实现低驱动损耗和低成本的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍。

图1为本实用新型复合功率开关一实施例的架构示意图；

图2为本实用新型开关电源一实施例的架构示意图；

图3为本实用新型开关电源另一实施例的架构示意图；

图4为图3所示开关电源的工作波形示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。本实用新型的说明书和权利要求书以及附图中的术语“第一”“第二”“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”“连接”应做广义理解。例如，可以是电连接或相互通讯，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1，本实用新型复合功率开关一实施例的架构示意图。本实施例所述的复合功率开关10具有第一端口C、第二端口E、第三端口G1、第四端口G2以及第五端口S。所述复合功率开关10包括：上拉晶体管11、下拉晶体管12以及主功率器件13。

所述上拉晶体管11的第一端连接所述第一端口C，其第二端连接一内部节点N，其控制端连接所述第三端口G1。所述上拉晶体管11被配置为响应第一驱动信号而导通，以在所述内部节点N生成一导通驱动信号。

所述下拉晶体管12的第一端连接所述内部节点N，其第二端连接所述第五端口S，其控制端连接所述第四端口G2。所述下拉晶体管12被配置为响应第二驱动信号而导通，以拉低所述内部节点N的电压。其中，同一时间，所述上拉晶体管11与所述下拉晶体管12仅其中之一处于导通状态。

所述主功率器件13的第一端连接所述第一端口C，其第二端连接所述第二端口E，其控制端连接所述内部节点N。所述主功率器件被配置为响应所述导通驱动信号而导通，或在所述内部节点N的电压被拉低后关断。其中，所述上拉晶体管11以及所述下拉晶体管12的驱动功耗均小于所述主功率器件13的驱动功耗。

本实施例所述的复合功率开关10通过使用小功耗的上拉晶体管11来驱动大功耗的主功率器件13，以驱动复合功率开关10的导通，可以降低驱动损耗。通过增加小功耗的下拉晶体管12，可以在需要关断复合功率开关10的时候，快速下拉主功率器件13的控制端电压，加快主功率器件13的关断速度，降低开关损耗。本实施例所述的复合功率开关10可以兼顾实现低驱动损耗和低成本的目的。

进一步的实施例中，所述上拉晶体管11为一第一NMOS管M1。所述第一NMOS管M1的漏极连接所述第一端口C，其源极连接所述内部节点N，其栅极连接所述第三端口G1。所述第一驱动信号为施加在所述第一NMOS管M1的栅极的第一高电平；其中，所述第一高电平高于所述第一NMOS管M1的阈值电平。即，当所述第一NMOS管M1的栅极被施加所述第一驱动信号后，所述第一NMOS管M1导通。

进一步的实施例中，所述下拉晶体管12为一第二NMOS管M2。所述第二NMOS管 M2的漏极连接所述内部节点N，其源极连接所述第五端口S，其栅极连接所述第四端口G2。所述第二驱动信号为施加在所述第二NMOS管M2的栅极的第二高电平；其中，所述第二高电平高于所述第二NMOS管M2的阈值电平。即，当所述第二NMOS管M2的栅极被施加所述第二驱动信号后，所述第二NMOS管M2导通。

进一步的实施例中，所述主功率器件13为一NPN型三极管Q0。所述NPN型三极管 Q0的集电极连接所述第一端口C，其发射极连接所述第二端口E，其基极连接所述内部节点N。所述导通驱动信号为驱动所述NPN型三极管Q0导通的驱动电流。即，当所述第一 NMOS管M1导通后，所述第一端口C通过导通的所述第一NMOS管M1在所述内部节点 N生成驱动电流，驱动所述NPN型三极管Q0导通。当所述第一NMOS管M1关断后，通过导通的所述第二NMOS管M2，可以快速下拉所述NPN型三极管Q0的基极电压(即所述内部节点N出的电压)，加快所述NPN型三极管Q0的关断速度，减小开关损耗。

基于同一发明构思，本实用新型还提供了一种采用本实用新型复合功率开关的开关电源。请参阅图2，本实用新型开关电源一实施例的架构示意图。在本实施例中，所述开关电源20包括接收输入电压Vin的电磁感应元件21，以及连接所述电磁感应元件21的复合功率开关10。具体地，在本实施例中，所述电磁感应元件为一电感L_M。

在所述开关电源20的应用中，所述复合功率开关10的第一端口C连接所述电感L_M，所述复合功率开关10的第二端口E接地(在其它实施例中，所述第二端口E也可以通过一电流检测电阻接地)，所述复合功率开关10的第五端口S接地(在其它实施例中，所述第五端口S也可以连接至所述第二端口E)，所述复合功率开关10的第三端口G1接收一第一驱动信号V_G1，所述复合功率开关10的第四端口G2接收一第二驱动信号V_G2。

在所述复合功率开关10的主功率器件(所述NPN型三极管Q0)导通时，所述电感L_M的感应电流I_L上升并存储电能。在所述复合功率开关10的主功率器件关断时，所述电感L_M的感应电流I_L的电能转换到输出电路(未图示)。

所述复合功率开关10的导通控制原理为：在所述第四端口G2施加第二电平的第二驱动信号V_G2(第二电平为低电平，例如此时V_G2＝0V)，关断所述第二NMOS管M2；在所述第三端口G1施加第一电平的第一驱动信号V_G1(第一电平为高电平，且高于M1的阈值电平，例如此时V_G1＝10V)，导通所述第一NMOS管M1；所述第一端口C处的电压Vc通过导通的所述第一NMOS管M1产生一驱动电流I_D驱动所述NPN型三极管Q0导通。所述第一端口C处的电压Vc对应的电流Ic流经导通的所述NPN型三极管Q0，所述NPN型三极管Q0流出的的第一电流I_E流入地端。电感电流I_L与所述复合功率开关10的第二端口E 流出的第一电流I_E相等。

所述复合功率开关10的关断控制原理为：在所述第三端口G1施加第二电平的第一驱动信号V_G1(第二电平为低电平，例如此时V_G1＝0V)，关断所述第一NMOS管M1，进而驱动所述NPN型三极管Q0关断；为了加快所述NPN型三极管Q0的关断速度，在所述第四端口G2施加第一电平的第二驱动信号V_G2(第一电平为高电平，且高于M2的阈值电平，例如此时V_G2＝5V)，导通所述第二NMOS管M2，从而快速下拉所述NPN型三极管Q0的基极电压，加快所述NPN型三极管Q0的关断速度，减小开关损耗。

本实施例所述的开关电源，通过使用小功耗的NMOS管来驱动大功耗的NPN型三极管，以驱动复合功率开关的导通，可以降低驱动损耗；通过增加小功耗的NMOS管，可以在需要关断复合功率开关的时候，快速下拉NPN型三极管的基极电压，加快NPN型三极管的关断速度，降低开关损耗。采用本实用新型复合功率开关的开关电源，可以兼顾实现低驱动损耗和低成本的目的。

请一并参阅图3-图4，其中，图3为本实用新型开关电源另一实施例的架构示意图，图 4为图3所示开关电源的工作波形示意图。

如图3所示，在本实施例中，所述开关电源30包括输入电路31、输出电路32、电磁感应元件33、复合功率开关10以及开关控制电路34。所述电磁感应元件33连接在所述输入电路31与所述输出电路32之间；所述电磁感应元件33用于在所述复合功率开关10的控制下，将所述输入电路31的电能转换到所述输出电路32中。具体地，在本实施例中，所述电磁感应元件33为一变压器T1；所述变压器T1的主绕组分别连接所述输入电路31和所述复合功率开关10，所述变压器T1的副绕组连接所述输出电路32。

在所述开关电源30的应用中，所述复合功率开关10的第一端口C连接所述变压器T1 的主绕组，所述复合功率开关10的第二端口E通过一电流检测电阻Rcs接地(在其它实施例中，所述第二端口E也可以直接接地)，所述复合功率开关10的第五端口S接地(在其它实施例中，所述第五端口S也可以连接至所述第二端口E)，所述复合功率开关10的第三端口G1接收一第一驱动信号V_G1，所述复合功率开关10的第四端口G2接收一第二驱动信号V_G2。

在所述复合功率开关10的主功率器件(所述NPN型三极管Q0)导通时，所述变压器T1的主绕组的感应电流I_L上升并存储电能。电感电流I_L与所述复合功率开关10的第二端口E流出的第一电流I_E相等；第一电流I_E通过连接在所述第二端口E和地端之间的电流检测电阻Rcs流入地端。在所述复合功率开关10的主功率器件关断时，存储在所述变压器T1 的主绕组的电能就可以通过所述变压器T1转换到所述输出电路32。周而复始地导通所述复合功率开关10的主功率器件给所述变压器T1的主绕组充电，当电感电流I_L到达到预定值后快速关断所述复合功率开关10的主功率器件，从而可以源源不断的把所述输入电路31中的电能转换到所述输出电路32中。

具体地，所述开关电源30的开关控制电路34包括：导通控制模块341、逻辑处理模块 342、第一驱动模块343以及第二驱动模块344。

所述导通控制模块341用于生成周期性的脉冲信号VSet。所述逻辑处理模块342用于根据所述脉冲信号VSet输出第一电平(例如高电平)的第一控制信号V_Q1至所述第一驱动模块343，以及输出第二电平(例如低电平)的第二控制信号V_Q2至所述第二驱动模块344。所述第一驱动模块343用于根据第一电平的所述第一控制信号V_Q1生成第一电平的所述第一驱动信号V_G1，并输出至所述第三端口G1，以驱动所述复合功率开关10的上拉晶体管(即所述第一NMOS管M1)导通，从而导通所述复合功率开关10的主功率器件(即所述NPN 型三极管Q0)。所述第二驱动模块344用于根据第二电平的所述第二控制信号V_Q2生成第二电平的所述第二驱动信号V_G2，并输出至所述第四端口G2，以驱动所述复合功率开关10 的下拉晶体管(即所述第二NMOS管M2)关断。

进一步的实施例中，所述开关电源30的开关控制电路34还包括：关断比较器345。所述关断比较器345的正向输入端连接至所述第二端口E、并通过一电流检测电阻Rcs接地以接收一检测电压Vcs，其负向输入端接收一参考电压Vref，其输出端连接至所述逻辑处理模块342。所述关断比较器345被配置为当所述检测电压Vcs高于所述参考电压Vref时，输出关断控制信号V_R至所述逻辑处理模块342。所述逻辑处理模块342进一步用于根据所述关断控制信号V_R输出第二电平的所述第一控制信号V_Q1至所述第一驱动模块343，以及输出第一电平的所述第二控制信号V_Q2至所述第二驱动模块344。所述第一驱动模块343进一步用于根据所述第二电平的所述第一控制信号V_Q1生成第二电平的所述第一驱动信号V_G1，并输出至所述第三端口G1，以驱动所述上拉晶体管(即所述第一NMOS管M1)关断。所述第二驱动模块344进一步用于根据所述第一电平的所述第二控制信号V_Q2生成第一电平的所述第二驱动信号V_G2，并输出至所述第四端口G2，以驱动所述下拉晶体管(即所述第二NMOS 管M2)导通，从而关断所述主功率器件(即所述NPN型三极管Q0)。

进一步的实施例中，所述逻辑处理模块342包括触发器RS1以及反相器INV1。所述触发器RS1的置位端S接收所述脉冲信号VSet，其复位端R接收所述关断控制信号V_R，其输出端Q连接至所述第一驱动模块343。所述反相器INV1连接在所述触发器RS1的输出端Q 与所述第二驱动模块344之间，用于对所述触发器RS1的输出端Q输出的控制信号进行反相后输出。

所述开关电源30的工作原理为：

1)导通控制模块341产生周期性的脉冲信号VSet，使得触发器RS1输出端输出高电平的第一控制信号V_Q1，并输入到第一驱动模块343；高电平的第一控制信号V_Q1经反相器INV1 反相后，获取低电平的第二控制信号V_Q2，并输入到第二驱动模块344。第二驱动模块344 输出低电平的第二驱动信号V_G2以关断第二NMOS管M2；第一驱动模块343输出高电平的第一驱动信号V_G1以导通第一NMOS管M1，从而驱动NPN型三极管Q0导通。复合功率开关10的第一端口C处的电压Vc下降，变压器T1的主绕组上的电感电流I_L开始上升并存储电能。电感电流I_L与第二端口E流出的第一电流I_E相等；第一电流I_E通过连接在第二端口 E和地端之间的电流检测电阻Rcs流入地端。

2)当电感电流I_L增大到使得电流检测电阻Rcs检测到的检测电压Vcs高于参考电压Vref 时，关断比较器34输出端输出高电平的关断控制信号V_R，使得触发器RS1复位；触发器 RS1输出端输出低电平的第一控制信号V_Q1，并输入到第一驱动模块343；低电平的第一控制信号V_Q1经反相器INV1反相后，获取高电平的第二控制信号V_Q2，并输入到第二驱动模块344。第一驱动模块343输出低电平的第一驱动信号V_G1以关断第一NMOS管M1，从而驱动NPN型三极管Q0关断。第二驱动模块344输出高电平的第二驱动信号V_G2以导通第二 NMOS管M2，从而迅速下拉NPN型三极管Q0的基极电压，实现快速关断NPN型三极管 Q0的目的。存储在变压器T1的主绕组上的电能通过变压器T1转换到输出电路32。

周而复始地导通所述复合功率开关10的主功率器件给所述变压器T1的主绕组充电，当电感电流I_L到达到预定值后快速关断所述复合功率开关10的主功率器件，从而可以源源不断的把所述输入电路31中的电能转换到所述输出电路32中。其工作波形如图4所示。

本实施例所述的开关电源，通过使用小功耗的NMOS管来驱动大功耗的NPN型三极管，以驱动复合功率开关的导通，可以降低驱动损耗；通过增加小功耗的NMOS管，可以在需要关断复合功率开关的时候，快速下拉NPN型三极管的基极电压，加快NPN型三极管的关断速度，降低开关损耗。采用本实用新型复合功率开关的开关电源，可以兼顾实现低驱动损耗和低成本的目的。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合功率开关，其特征在于，具有第一端口、第二端口、第三端口、第四端口以及第五端口；所述复合功率开关包括：

上拉晶体管，其第一端连接所述第一端口，其第二端连接一内部节点，其控制端连接所述第三端口，所述上拉晶体管被配置为响应第一驱动信号而导通，以在所述内部节点生成一导通驱动信号；

下拉晶体管，其第一端连接所述内部节点，其第二端连接所述第五端口，其控制端连接所述第四端口，所述下拉晶体管被配置为响应第二驱动信号而导通，以拉低所述内部节点的电压；

主功率器件，其第一端连接所述第一端口，其第二端连接所述第二端口，其控制端连接所述内部节点，所述主功率器件被配置为响应所述导通驱动信号而导通，或在所述内部节点的电压被拉低后关断；

其中，同一时间，所述上拉晶体管与所述下拉晶体管仅其中之一处于导通状态，所述上拉晶体管以及所述下拉晶体管的驱动功耗均小于所述主功率器件的驱动功耗。

2.如权利要求1所述的复合功率开关，其特征在于，所述上拉晶体管为一第一NMOS管；所述第一NMOS管的漏极连接所述第一端口，其源极连接所述内部节点，其栅极连接所述第三端口；所述第一驱动信号为施加在所述第一NMOS管的栅极的第一高电平；其中，所述第一高电平高于所述第一NMOS管的阈值电平。

3.如权利要求1所述的复合功率开关，其特征在于，所述下拉晶体管为一第二NMOS管；所述第二NMOS管的漏极连接所述内部节点，其源极连接所述第五端口，其栅极连接所述第四端口；所述第二驱动信号为施加在所述第二NMOS管的栅极的第二高电平；其中，所述第二高电平高于所述第二NMOS管的阈值电平。

4.如权利要求1所述的复合功率开关，其特征在于，所述主功率器件为一NPN型三极管；所述NPN型三极管的集电极连接所述第一端口，其发射极连接所述第二端口，其基极连接所述内部节点；所述导通驱动信号为驱动所述NPN型三极管导通的驱动电流。

5.一种开关电源，包括接收输入电压的电磁感应元件，以及连接所述电磁感应元件的开关；

其特征在于，所述开关采用权利要求1～4任一项所述的复合功率开关；

所述复合功率开关的第一端口连接所述电磁感应元件，所述复合功率开关的第二端口接地或通过一电流检测电阻接地，所述复合功率开关的第五端口接地或连接至所述第二端口，所述复合功率开关的第三端口接收一第一驱动信号，所述复合功率开关的第四端口接收一第二驱动信号；

其中，所述复合功率开关的主功率器件导通时，所述电磁感应元件的感应电流上升。

6.如权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括：导通控制模块、逻辑处理模块、第一驱动模块以及第二驱动模块；

所述导通控制模块，用于生成周期性的脉冲信号；

所述逻辑处理模块，用于根据所述脉冲信号输出第一电平的第一控制信号至所述第一驱动模块，以及输出第二电平的第二控制信号至所述第二驱动模块；

所述第一驱动模块，用于根据第一电平的所述第一控制信号生成第一电平的所述第一驱动信号，并输出至所述第三端口，以驱动所述复合功率开关的上拉晶体管导通，从而导通所述复合功率开关的主功率器件；

所述第二驱动模块，用于根据第二电平的所述第二控制信号生成第二电平的所述第二驱动信号，并输出至所述第四端口，以驱动所述复合功率开关的下拉晶体管关断。

7.如权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括：关断比较器；

所述关断比较器的正向输入端连接至所述第二端口、并通过一电流检测电阻接地以接收一检测电压，其负向输入端接收一参考电压，其输出端连接至所述逻辑处理模块；所述关断比较器被配置为当所述检测电压高于所述参考电压时，输出关断控制信号至所述逻辑处理模块；

所述逻辑处理模块进一步用于根据所述关断控制信号输出第二电平的所述第一控制信号至所述第一驱动模块，以及输出第一电平的所述第二控制信号至所述第二驱动模块；

所述第一驱动模块进一步用于根据所述第二电平的所述第一控制信号生成第二电平的所述第一驱动信号，并输出至所述第三端口，以驱动所述上拉晶体管关断；

所述第二驱动模块进一步用于根据所述第一电平的所述第二控制信号生成第一电平的所述第二驱动信号，并输出至所述第四端口，以驱动所述下拉晶体管导通，从而关断所述主功率器件。

8.如权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述逻辑处理模块包括触发器以及反相器；所述触发器的置位端接收所述脉冲信号，其复位端接收所述关断控制信号，其输出端连接至所述第一驱动模块；

所述反相器连接在所述触发器的输出端与所述第二驱动模块之间，用于对所述触发器的输出端输出的控制信号进行反相后输出。

9.如权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括输入电路、输出电路，所述电磁感应元件连接在所述输入电路与所述输出电路之间；所述电磁感应元件用于在所述复合功率开关的控制下，将所述输入电路的电能转换到所述输出电路中。

10.如权利要求9所述的开关电源，其特征在于，所述电磁感应元件为变压器。

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