JP2012217271A - 電源供給装置および電源供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減し低コストで実現可能な過電流保護回路を備えた電源供給装置および電源供給方法を提供する。
【解決手段】タイマ回路６は、比較回路５から出力される過電流信号Ｓｃを所定時間連続して受信した時、遮断信号Ｓを出力する。制御回路７は、タイマ回路６から出力される遮断信号Ｓを入力すると、チャージポンプ回路８への制御信号の出力を停止する。これにより、スイッチング素子１のゲート端子への電圧印加がなくなり、スイッチング素子１が遮断される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源供給装置および電源供給方法に関し、特にワイヤーハーネスや車両に搭載されている電装品を過電流から保護する機能を備える電源供給装置および電源供給方法に関するものである。

車両に搭載されている電装品にワイヤーハーネスを介して電力を供給する電源供給装置には、ワイヤーハーネスや電装品を過電流による焼損等から保護するために、ヒューズが設けられている。ヒューズを用いた過電流保護回路では、過電流が発生した場合、ヒューズ溶断によって回路保護をするため、溶断したヒューズの交換等の整備（メンテナンス）を行う必要がある。このため、ヒューズを用いた過電流保護回路の設置場所が限定され、ヒューズを交換しやすい場所に設置する必要がある。しいてはワイヤーハーネスレイアウトの設計自由度が低くなる（たとえば、最適なハーネス設計ができない。また、ハーネス引き回しが増大する）。また、従来の電源供給装置には、スイッチング素子としてリレーが多く用いられているが、サイズや部品発熱が大きく装置の大型化に繋がるといった課題があった。また、電線線径は、過電流保護回路の保護特性を考慮した、適正な線径が選択されるが、ヒューズの経年劣化やばらつき等が大きいため、電線の線径が増大するといった課題があった。

そこで、近年、ヒューズやリレーの代わりにトランジスタ素子を用いた過電流保護回路が提案されている（特許文献１参照）。この過電流保護回路は、電源と電装品との間に接続されたトランジスタ素子を備え、トランジスタ素子のソース電極とドレイン電極との間の電圧変化に基づいて過電流が発生したか否かを判定する。そして、過電流保護回路は、過電流が発生したと判定した場合、トランジスタ素子をオフすることによって電源と電装品との間の接続を遮断することにより、電装品を過電流から非破壊で保護する。このような過電流保護回路によれば、過電流が発生した場合であってもトランジスタ素子の整備を行う必要がない。従って、トランジスタ素子を用いた過電流保護回路を備えた電源供給装置は、設置場所が限定されることなく、ワイヤーハーネスレイアウトの自由度が高くなる。また、ヒューズの削減、トランジスタ素子の小型・低損失化によって装置の小型化が可能になる。さらに、ヒューズに比べて経年劣化やばらつき等を抑制することで、より小さな線径の電線を選択すること（電線細径化）が可能となる。

ところで、電線の発煙特性示す曲線（過電流限界特性ともいう。）は、たとえば図５に示されるようなグラフで表される。図５において、横軸は電線に電流を流す時間を示し、縦軸は電線に流す電流を示している。実線は、電線の被覆材が発煙するときの時間と電流との関係を示す。電流を流してから被覆材に熱が伝わるまでに時間が掛かるため、電流を流した当初は電流が大きくても発煙に到らない。ここで、図５に示す平衡時限界電流Ｉ１は、電流が流れることによる発熱と、放熱とのバランスがとれた熱平衡状態で電流を流すことができる値である。この平衡時限界電流Ｉ１は、電線の材料および線径（電線サイズ）、等によって決まるものである。過電流限界特性曲線において、平衡時限界電流Ｉ１に対応する時刻ｔ１より時間が小さい側かつ特性曲線より電流が小さい側の領域を過渡領域と言う。また、時刻ｔ１より時間が大きい側かつ特性曲線より電流が小さい側の領域を熱飽和領域と呼ぶ。この熱飽和領域においては、発煙に到らずに電流を流し続けられるような電流Ｉ２が存在する。この電流Ｉ２は、その電流値を示す破線が、時間が経過しても特性曲線と交差しないような電流である。

特開２００９−１４２１４６号公報

ここで、過電流保護回路を備える電源供給装置は、保護対象が焼損等しないように過電流を判定し、電流を遮断する必要がある。この過電流の判定はより高精度のものが要求される。また、過電流発生の判定精度が高いことが要求される。判定精度が低いと、保護対象の設計において、過電流発生の判定誤差を含めた設計マージンを設定しなければならない。その結果、たとえば電線の場合はその径を余分に太くしなければならないなどの設計上の制約が生じ、たとえば小型化が困難になるなどの問題が生じるからである。

特許文献１には、ＣＲ時定数回路を用いて、過電流限界特性（特に過渡領域）を模擬することで、判定精度を向上させている。しかしながら、過電流保護回路により保護すべき電線は数が多く、ＣＲ時定数回路の部品数が多くなってしまい、実装スペースの増大を招いていた。また、特に細径電線に関しては、熱容量が少ないため、ＣＲ時定数回路による過電流限界特性（特に過渡領域）を模擬した過電流保護回路までは必要なかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、部品点数を削減し低コストで実現可能な過電流保護回路を備えた電源供給装置および電源供給方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源供給装置の第１の態様は、電源から負荷に供給される電流を遮断可能なスイッチング素子と、前記負荷に供給される電流を検出してセンス電流を出力する電流検出回路と、前記センス電流が所定の過電流判定閾値以上のときに過電流信号を出力する比較回路と、前記過電流信号を入力してこれが所定時間連続して入力されたときに遮断信号を出力するタイマ回路と、外部から負荷制御信号を入力すると所定の電源供給信号を出力する一方、前記タイマ回路から前記遮断信号を入力すると前記電源供給信号を遮断する制御回路と、を具備する過電流保護回路を1以上備え、前記スイッチング素子は、前記電源供給信号が入力されると前記負荷に供給される電流を導通させる一方、前記タイマ回路で前記過電流信号を前記所定時間以上連続して入力したときには前記負荷に供給される電流を遮断することを特徴とする。

本発明に係る電源供給装置の他の態様は、前記所定時間は、前記スイッチング素子から前記負荷に接続される電線の過電流限界特性に基づいて決定されていることを特徴とする。

本発明に係る電源供給装置の他の態様は、前記スイッチング素子と前記電流検出回路とが一つのＩＰＳ（インテリジェント・パワー・スイッチ）素子で構成されており、前記電源の電圧を監視してこれが所定の遮断閾値以下に低下すると前記１以上の過電流保護回路のそれぞれの前記制御回路に前記遮断信号を出力する電圧監視部をさらに備えていることを特徴とする。

本発明に係る電源供給装置の他の態様は、前記１以上の過電流保護回路のそれぞれに具備された前記ＩＰＳ素子は、前記電源の電圧を監視してこれがそれぞれに個別に設定された遮断閾値以下に低下すると該ＩＰＳ素子内の前記スイッチング素子を停止させる電圧監視手段を有しており、前記監視装置で用いられる前記遮断閾値には、前記ＩＰＳ素子に個別に設定された遮断閾値の最大値が設定されていることを特徴とする。

本発明に係る電源供給方法の第１の態様は、電源から負荷に供給される電流を遮断可能なスイッチング素子と、前記負荷に供給される電流を検出してセンス電流を出力する電流検出回路と、前記センス電流が所定の過電流判定閾値以上のときに過電流信号を出力する比較回路と、前記過電流信号を入力してこれが所定時間連続して入力されたときに遮断信号を出力するタイマ回路と、外部から負荷制御信号を入力すると所定の電源供給信号を出力する一方、前記タイマ回路から前記遮断信号を入力すると前記電源供給信号を遮断する制御回路と、を具備する過電流保護回路を1以上備えた電源供給装置による電源供給方法であって、前記タイマ回路は、前記過電流信号を前記所定時間以上連続して入力すると、前記制御回路に遮断信号を出力することで前記制御回路から出力する前記電源供給信号を遮断させて前記スイッチング素子を導通する電流を遮断させることを特徴とする。

本発明に係る電源供給方法の他の態様は、前記スイッチング素子と前記電流検出回路とが一つのＩＰＳ（インテリジェント・パワー・スイッチ）素子で構成されており、前記電源の電圧を監視してこれが所定の遮断閾値以下に低下すると前記１以上の過電流保護回路のそれぞれの前記制御回路に前記遮断信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、部品点数を削減して簡単な構成で低コストな過電流保護回路を備えた電源供給装置および電源供給方法を実現することが可能となる。特に、熱容量が少ない細径電線に関して、過電流限界特性における過渡領域が小さいため、有効性が大きくなる。

図１は、本発明の第1の実施の形態に係る電源供給装置の構成を示すブロック図である。 図２は、第1実施形態のタイマ回路を用いて実現される遮断特性を示す図である。 図３は、ＩＰＳ素子を搭載した過電流保護回路の動作特性を示した模式図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態に係る電源供給装置の構成を示すブロック図である。 図５は、電線の過電流限界特性の一例を示す図である

以下に、図面を参照して本発明に係る電源供給装置および電源供給方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。

（第1実施形態）
図１は、本発明の第1の実施の形態に係る電源供給装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、電源供給装置１００は、スイッチング素子１と、電流検出回路２と、Ｉ／Ｖ変換回路３と、分圧抵抗回路４（４ａ、４ｂ）と、比較回路５と、タイマ回路６と、制御回路７と、チャージポンプ回路８と、を具備する過電流保護回路１０１（１０１−１〜１０１−Ｎ）を1以上備えている。

スイッチング素子１は、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子１は、ドレイン端子側が電圧＋Ｂの電源（バッテリ）に接続され、ソース端子側がモータなどのＤＣ負荷１０に、電線Ｗを介して接続されている。また、スイッチング素子１のゲート端子はチャージポンプ回路８に接続されている。

電流検出回路２は、スイッチング素子１のドレイン端子とソース端子との間の電圧を測定することで、スイッチング素子１を介して、ＤＣ負荷１０に流れ込む負荷電流ＩＬを検出する。さらに、電流検出回路２は、検出した負荷電流ＩＬに対し、一定比率（例えば１／１０００）のセンス電流Ｉｓを出力する。そして、出力されたセンス電流ＩｓはＩ／Ｖ変換回路３により、センス電圧Ｖｓに変換される。

比較回路５は、オペアンプからなる比較器であり、２つの入力端子を備えており、一方の入力端子にＩ／Ｖ変換回路３により変換されたセンス電圧Ｖｓが入力され、他方の入力端子に遮断閾値に相当する過電流判定電圧（過電流判定閾値）Ｖｒｅｆが入力される。過電流判定電圧Ｖｒｅｆは、分圧抵抗回路４の抵抗４ａ、４ｂにて分圧することで、所定の電圧に設定されている。そして、センス電圧Ｖｓと過電流判定電圧Ｖｒｅｆを比較し、センス電圧Ｖｓが過電流判定電圧Ｖｒｅｆより大きくなると、過電流信号Ｓｃを出力する。

タイマ回路６は、比較回路５から出力される過電流信号Ｓｃを所定時間連続して受信した時、遮断信号Ｓを出力する。また、上記の所定時間は、電線Ｗの電線径に依存し、電線径が太くなるに従って、所定時間は長く設定されることになる。

制御回路７は、タイマ回路６から出力される遮断信号Ｓを入力する。また、外部からＤＣ負荷１０を駆動させるための、負荷制御信号（電源供給信号）Ｃも入力する。
そして、ＤＣ負荷１０を駆動する場合には、チャージポンプ回路８に制御信号を出力する。チャージポンプ回路８は、制御回路７からの制御信号（５Ｖ程度）を昇圧し、スイッチング素子１のゲート端子に昇圧された電圧（１０〜１２Ｖ程度）を出力することで、スイッチング素子１を導通させる。

また、遮断信号Ｓが制御回路７に入力された場合、負荷制御信号Ｃが受信されていても、遮断信号Ｓが優先されることとなり、チャージポンプ回路８への制御信号の出力を停止することとなる。制御信号が停止されると、スイッチング素子１のゲート端子への電圧印加がなくなり、スイッチング素子１は遮断されることとなる。
なお、比較回路５、タイマ回路６、制御回路７はデジタル回路により構成することが好ましい。このようにデジタル回路で構成することで、様々な電源供給装置に柔軟に対応することが可能となる

本実施形態のタイマ回路６を用いて実現される遮断特性を、各種電線の過電流限界特性と比較して図２に示す。図２の横軸は電線Ｗに電流を流す時間を示し、縦軸は電線に流す電流を示している。また、点線が各種電線の発煙特性（Ｗ１〜Ｗ３）を示しており、実線が本実施の形態の遮断特性Ｓｄを示している。なお、Ｗ１〜Ｗ３の発煙特性は、線種として電線径３ｓｑ、０．５ｓｑ、０．２ｓｑ相当をそれぞれ模擬している。

図２に示すように、タイマ回路６を用いることで、ＣＲ時定数回路を用いない簡単な構成で、過電流保護回路１０１を実現することが可能となる。特に、熱容量が少ない細径電線に関しては、Ｗ３に示すように過電流限界特性における過渡領域が小さいため、タイマ回路6を用いて実現される遮断特性Ｓｄで代替させることができ、部品点数が多く高コストとなるＣＲ時定数回路は必要がなくなる。また、さらに、タイマ回路はその設定次第で、所定時間の変更が容易に可能なため、様々な電源供給装置に対応させることが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第2の実施形態に係る電源供給装置及び電源供給方法を以下に説明する。
近年、スイッチング素子１、電流検出回路２、チャージポンプ回路８の機能をまとめてＩＣ化したＩＰＳ（インテリジェント・パワー・スイッチ）素子が開発されている。ＩＰＳ素子は、通常、素子が高温になり過ぎないように、自己保護機能を備えている。この自己保護機能の一部にＩＰＳ素子に供給されている供給電圧を監視する電圧監視機能があり、ＩＰＳ素子への供給電圧が低下すると、スイッチング素子１をシャットダウン（遮断）させることで、ＩＰＳ素子を保護している。電圧監視機能の遮断閾値（Ｖｔｈ）は、過電流保護回路の用途や仕様によって変わることとなる。

本実施形態では、スイッチング素子１等をまとめてＩＣ化したＩＰＳ素子を用いるものとする。車両に搭載される過電流保護回路は、様々な用途、仕様のものが複数配置され、複数の過電流保護回路が、一つのバッテリから電源が供給されている。ここで、複数の過電流保護回路のそれぞれに設けられているＩＰＳ素子の遮断閾値（Ｖｔｈ）が異なる場合、図３のような動作となり、問題が発生してしまうことがあった。

図３は、ＩＰＳ素子を搭載した過電流保護回路の動作特性を示したものである。図３の横軸は経過時間を示し、縦軸はバッテリの供給電圧＋Ｂを示している。
バッテリの劣化等によりバッテリからの供給電圧＋Ｂが低下すると、ＩＰＳ素子の遮断閾値（Ｖｔｈ）が高めに設定（例えば、５Ｖ）されている過電流保護回路は、ＩＰＳ素子の電圧監視機能によりシャットダウンする（図３の点ａでの動作）。一方、遮断閾値が低めに設定（例えば、３．５Ｖ）されているＩＰＳ素子を搭載したその他の過電流保護回路は、シャットダウンすることなく動作を維持することとなる。一部の過電流保護回路がシャットダウンすることでバッテリの負荷が大きく減少するため、一時的に、バッテリの供給電圧が戻る（上昇する）ことになる（図３の点ｂでの動作）。そして、バッテリの供給電圧がヒステリシスを加味した遮断閾値まで戻る（上昇）と、シャットダウンしていた過電流保護回路は、通常状態に戻ることが可能になるため、そのシャットダウン動作を解除する（図３の点ｃでの動作）。シャットダウンしていた過電流保護回路が通常状態に戻ることで、バッテリから電圧の供給を受ける負荷が再度増加するため、バッテリの供給電圧が再度下がってしまう。以下、点ａから点ｃまでの動作を繰りかえしてしまう恐れがある。

この点ａから点ｃまでを繰りかえす動作が一般的にハンチング動作と呼ばれ、電線が繰り返し加熱され、繰り返し加熱された熱が蓄積され、電線の断線にいたるため、過電流保護回路をＩＰＳ素子で構成した場合は、大きな問題になる。

本実施形態の電源供給装置及び電源供給方法は、これを解決するためになされたものであり、図４に示すような構成を有している。図４は、第２実施形態に係る電源供給装置２００の構成を示すブロック図である。図１では複数の過電流保護回路１０１を重ねて表示していたが、図4では複数の過電流保護回路２０１（２０１−１〜２０１−Ｎ）を縦列させて表示している。図4は、複数の過電流保護回路２０１−１〜２０１−Ｎが一つのバッテリから電圧＋Ｂを供給されている状態を示したものである。なお、過電流保護回路２０１のそれぞれの動作は、図１に示したとおりである。

本実施形態の電源供給装置２００では、過電流保護回路２０１のそれぞれにＩＰＳ素子２０が搭載されており、ＩＰＳ素子２０にスイッチング素子１、電流検出回路２、及びチャージポンプ回路８が集積化されている。ＩＰＳ素子２０は、さらに電圧監視手段２１を有しており、ここでバッテリからの供給電圧＋Ｂの低下を監視している。すなわち、電圧監視手段２１は、バッテリからの供給電圧＋Ｂを監視してこれが遮断閾値Ｖｔｈ以下に低下すると当該のＩＰＳ素子２０をシャットダウンさせる。遮断閾値Ｖｔｈの値は、過電流保護回路２０１のそれぞれのＩＰＳ素子２０で異なっていてよく、一例として図４では、過電流保護回路２０１−１のＩＰＳ素子２０の遮断閾値Ｖｔｈを３．５Ｖ、過電流保護回路２０１−２のＩＰＳ素子２０の遮断閾値Ｖｔｈを５Ｖ、過電流保護回路２０１−ＮのＩＰＳ素子２０の遮断閾値Ｖｔｈを４Ｖ、等としている。

本実施形態の電源供給装置２００は、Ｎ個の過電流保護回路２０１−１〜２０１−Ｎに対し１つの電圧監視部２０２を設けている。電圧監視部２０２は、各ＩＰＳ素子２０に供給される電源の電圧＋Ｂを入力して監視しており、電圧＋Ｂが所定の遮断閾値Ｖｔｈ０以下に低下したことを検出すると、Ｎ個の過電流保護回路２０１−１〜２０１−Ｎのそれぞれの制御回路７にＩＰＳ素子２０を遮断させるための遮断信号Ｓ’を出力する。遮断信号Ｓ’が制御回路７に入力されると、制御回路７はチャージポンプ回路８への制御信号の出力を停止させる。これにより、スイッチング素子１のゲート端子への電圧印加がなくなり、スイッチング素子１は遮断されることになる。

電圧監視部２０２で用いられる遮断閾値Ｖｔｈ０は、過電流保護回路２０１−１〜２０１−ＮのそれぞれのＩＰＳ素子２０で用いられている遮断閾値Ｖｔｈのうち最も高い電圧のものに合わせるのがよい。これにより、最も高い遮断閾値Ｖｔｈを有するＩＰＳ素子２０がシャットダウンされる条件に達したときに、当該ＩＰＳ素子２０だけでなくその他の過電流保護回路２０１に搭載されたＩＰＳ素子２０も同時にシャットダウンされる。なお、Ｎ個の過電流保護回路２０１−１〜２０１−Ｎのそれぞれに設けられる分圧抵抗回路４、比較回路５、タイマ回路６、及び制御回路は１つのＡＳＩＣで構成することができ、さらに電圧監視部２０２も同じＡＳＩＣで形成することができる。

本実施形態の電源供給装置２００によれば、最初にシャットダウンされる条件に達したＩＰＳ素子２０と同時に他のＩＰＳ素子２０もすべてシャットダウンされることから、図３で例示したようなハンチングを起こすおそれはなくなる。その結果、電線が加熱されることなく安全に保護することが可能となる。本実施形態では、１つの監視部２０２で電圧＋Ｂの電源に接続されているすべての過電流保護回路２０１のＩＰＳ素子２０をシャットダウンさせるように構成することが可能である。あるいは、用途別等に分類されたブロック単位毎に監視部２０２を設け、各監視部２０２が当該のブロック内の過電流保護回路２０１のＩＰＳ素子２０をシャットダウンさせるように構成することも可能である。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る電源供給装置及び電源供給方法の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における電源供給装置及び電源供給方法の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ スイッチング素子
２ 電流検出回路
３ Ｉ／Ｖ変換回路
４ 分圧抵抗回路
５ 比較回路
６ タイマ回路
７ 制御回路
８ チャージポンプ回路
１０ ＤＣ負荷
２０ ＩＰＳ素子
２１ 電圧監視手段
１００、２００ 電源供給装置
１０１、２０１ 過電流保護回路
２０２ 電圧監視部

Claims (6)

1. 電源から負荷に供給される電流を遮断可能なスイッチング素子と、
   前記負荷に供給される電流を検出してセンス電流を出力する電流検出回路と、
   前記センス電流が所定の過電流判定閾値以上のときに過電流信号を出力する比較回路と、
   前記過電流信号を入力してこれが所定時間連続して入力されたときに遮断信号を出力するタイマ回路と、
   外部から負荷制御信号を入力すると所定の電源供給信号を出力する一方、前記タイマ回路から前記遮断信号を入力すると前記電源供給信号を遮断する制御回路と、を具備する過電流保護回路を1以上備え、
   前記スイッチング素子は、前記電源供給信号が入力されると前記負荷に供給される電流を供給させる一方、前記タイマ回路で前記過電流信号を前記所定時間以上連続して入力したときには前記負荷に供給される電流を遮断する
   ことを特徴とする電源供給装置。
2. 前記所定時間は、前記スイッチング素子から前記負荷に接続される電線の過電流限界特性に基づいて決定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源供給装置。
3. 前記スイッチング素子と前記電流検出回路とが一つのＩＰＳ（インテリジェント・パワー・スイッチ）素子で構成されており、前記電源の電圧を監視してこれが所定の遮断閾値以下に低下すると前記１以上の過電流保護回路のそれぞれの前記制御回路に前記遮断信号を出力する電圧監視部をさらに備えている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電源供給装置。
4. 前記１以上の過電流保護回路のそれぞれに具備された前記ＩＰＳ素子は、前記電源の電圧を監視してこれがそれぞれに個別に設定された遮断閾値以下に低下すると該ＩＰＳ素子内の前記スイッチング素子を停止させる電圧監視手段を有しており、
   前記監視装置で用いられる前記遮断閾値には、前記ＩＰＳ素子に個別に設定された遮断閾値の最大値が設定されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の電源供給装置。
5. 電源から負荷に供給される電流を遮断可能なスイッチング素子と、前記負荷に供給される電流を検出してセンス電流を出力する電流検出回路と、前記センス電流が所定の過電流判定閾値以上のときに過電流信号を出力する比較回路と、前記過電流信号を入力してこれが所定時間連続して入力されたときに遮断信号を出力するタイマ回路と、外部から負荷制御信号を入力すると所定の電源供給信号を出力する一方、前記タイマ回路から前記遮断信号を入力すると前記電源供給信号を遮断する制御回路と、を具備する過電流保護回路を1以上備えた電源供給装置による電源供給方法であって、
   前記タイマ回路は、前記過電流信号を前記所定時間以上連続して入力すると、前記制御回路に遮断信号を出力することで前記制御回路から出力する前記電源供給信号を遮断させて前記スイッチング素子を導通する電流を遮断させる
   ことを特徴とする電源供給方法。
6. 前記スイッチング素子と前記電流検出回路とが一つのＩＰＳ（インテリジェント・パワー・スイッチ）素子で構成されており、
   前記電源の電圧を監視してこれが所定の遮断閾値以下に低下すると前記１以上の過電流保護回路のそれぞれの前記制御回路に前記遮断信号を出力する
   ことを特徴とする請求項５に記載の電源供給方法。

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