TWI716554B - 切換調節器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供具備消耗電流少的過熱保護電路的切換調節器。設為如下構成,僅在基於使輸出控制電路所輸出的切換元件導通的信號的規定的期間內,使過熱保護電路間歇地動作。

Description

切換調節器
本發明是有關於一種輸出定電壓的切換調節器,更詳細而言,是有關於一種具備檢測溫度而使切換動作停止的過熱保護電路的切換調節器。
近年來,對於搭載電池的電子裝置而言,正推進低消耗電力化。尤其在智慧型手機(smart phone)、行動裝置、可穿戴式(wearable)裝置等中,為了延長電池驅動時間,而更進一步強烈要求電子裝置的低消耗電力化。因此,內置於該電子裝置的半導體積體電路中消耗電力的削減要求亦顯著。
另一方面,關於所述人所直接操作的電子裝置,特別要求如避免***、觸電等對人體造成不良影響這樣的安全性。關於例如內置於電池驅動的電子裝置且將電池電壓作為輸入電壓的切換調節器,已知有如下者,即,具備在半導體積體電路內的晶片溫度上升而到達規定溫度以上的溫度的情況下停止動作的過熱保護電路。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平06-244414號公報 [發明所欲解決之課題]
然而,若追加用以確保安全性的保護電路,則用以使該保護電路動作的電力成為必需,會妨礙電子裝置所要求的低消耗電力化。例如,在附加過熱保護電路的習知的切換調節器中,為了監視溫度而溫度檢測電路要一直動作。因此,存在如下課題:在切換調節器中流過的電流小且發熱可能性低的動作狀態下亦會持續消耗規定的電力,而使電力效率劣化。
本發明中,針對所述習知技術的課題,提出如下方法,即,藉由使過熱保護電路間歇地動作,實現消耗電力的降低的同時,確實地保護切換調節器。 [解決課題之手段]
為了解決習知的課題,本發明的切換調節器設為以下的構成。 本發明的切換調節器包括:錯誤比較器,對輸出電壓進行監視;輸出控制電路,基於錯誤比較器的輸出信號,對切換元件的閘極輸出控制信號;以及過熱保護電路,當達到規定的溫度以上時對輸出控制電路輸出信號,使切換元件斷開,過熱保護電路設為如下構成,即,被輸入基於輸出控制電路的輸出信號的信號,進行僅在規定的期間動作的間歇動作。 [發明的效果]
本發明的切換調節器設為如下構成,即,僅在基於使輸出控制電路輸出的切換元件導通的信號的規定的期間,使過熱保護電路間歇地動作,因而具有可削減過熱保護電路的尤其輕負載時的消耗電流的效果。
圖1是表示第一實施形態的切換調節器的一例的電路圖。圖1的電路為非同步整流型的切換調節器100,將輸入至電源端子1的輸入電壓Vin轉換為定電壓,並作為輸出電壓Vout而輸出至輸出端子7。
本實施形態的切換調節器100具備:作為切換元件的PMOS(P-channel metal oxide semiconductor,P型金氧半導體)電晶體3,二極體4,電感器5,輸出電容器6,錯誤比較器10,導通時間控制電路11,基準電壓電路12,RS-FF(Reset-Set Flip Flop,RS正反器)電路13,計時器電路14,輸出控制電路15,緩衝電路16,分壓電阻17及分壓電阻18,及過熱保護電路20。
分壓電阻17及分壓電阻18將與輸出電壓Vout相應的反饋電壓VFB自反饋端子19輸出。基準電壓電路12輸出基準電壓VREF。錯誤比較器10將反饋電壓VFB與基準電壓VREF比較,當反饋電壓VFB降低至基準電壓VREF以下時,對RS-FF電路13輸出設置(set)信號。導通時間控制電路11基於RS-FF電路13的輸出端子Q的輸出信號對RS-FF電路13輸出重置(reset)信號。RS-FF電路13根據供給至設置端子S的設置信號及供給至重置端子R的重置信號自輸出端子Q將輸出信號輸出。輸出控制電路15接收RS-FF電路13的信號,經由緩衝電路16控制PMOS電晶體3,而產生輸出電壓Vout。
過熱保護電路20對切換調節器的溫度進行監視,當切換調節器發熱而判定為過熱狀態時,對輸出控制電路15輸出信號。切換調節器中,溫度最高者為對輸出端子7供給輸出電壓及輸出電流的PMOS電晶體3。因此,接收了過熱保護電路20的信號的輸出控制電路15經由緩衝電路16使PMOS電晶體3斷開,由此保護切換調節器免於過熱。
計時器電路14在接收自輸出控制電路15輸出的信號而PMOS電晶體3導通時,開始過熱保護電路20的動作,經過固定時間後(稱作計數時間),輸出使過熱保護電路20的消耗電流為零或降低的信號。
圖2是表示第一實施形態的計時器電路14的一例的電路圖。 脈衝產生電路41在輸入至IN端子的輸出控制電路15的信號為L位準時,輸出規定的期間的L信號。RS-FF電路61在脈衝產生電路41的信號為H位準時自輸出端子Q輸出H信號。偏壓電路42、偏壓電路43、偏壓電路44、偏壓電路45接收RS-FF電路61的H信號而導通。電容器46連接於偏壓電路42的輸出,藉由偏壓電路42的電流而充電。電容器48連接於偏壓電路44的輸出,藉由偏壓電路44的電流而充電。
此處,例如,電容器48為大於電容器46的電容,以到達規定的電壓為止的充電時間較電容器46長的方式設定。NMOS(N-channel metal oxide semiconductor,N型金氧半導體)電晶體50在電容器46的充電電壓達到閾值電壓以上時導通。NMOS電晶體51在電容器48的充電電壓達到閾值電壓以上時導通。
反相器56將使NMOS電晶體50的輸出的H/L信號反轉所得的信號,輸出至RS-FF電路60的設置端子S與NMOS電晶體53的閘極。反相器57將使NMOS電晶體51的輸出的H/L信號反轉所得的信號輸出至RS-FF電路60的重置端子R、及NMOS電晶體52、NMOS電晶體54的閘極。
NMOS電晶體52、NMOS電晶體53與電容器46並聯連接,在閘極被輸入H信號時導通,將電容器46的電荷放電。NMOS電晶體54與電容器48並聯連接,在閘極被輸入H信號時導通,將電容器48的電荷放電。開關47、開關49接收RS-FF電路61輸出的Q信號而斷開,以電容器46與電容器48被充電的方式進行控制。
RS-FF電路60基於以上的輸入至設置端子S與重置端子R的信號,自Q端子輸出信號,並生成時脈信號CLK。RS-FF電路61中,設置端子S被輸入脈衝產生電路41的輸出信號,重置端子R被輸入自RS-FF電路60輸出的時脈信號CLK,且自輸出端子Q輸出信號。
接下來,基於圖3的表示第一實施形態的計時器電路14的動作例的時序圖,對計時器電路14的動作進行說明。 在時刻t0,在輸入至計時器電路14的IN端子的輸出控制電路15的輸出信號為L位準時,脈衝產生電路41在由內部的延遲電路決定的規定的短期間內輸出L信號脈衝。此時,電容器46、電容器48被放電,充電電壓為L。
在時刻t1,因脈衝產生電路41的信號為H位準,故自RS-FF電路61的輸出端子Q輸出H信號。開關47、開關49斷開,偏壓電路42、偏壓電路43、偏壓電路44、偏壓電路45導通,因而電容器46、電容器48開始充電。
在時刻t2,藉由自偏壓電路42供給的電流而電容器46的充電電壓上升,在達到NMOS電晶體50的閾值電壓Vth1時,NMOS電晶體50導通。因此,RS-FF電路60的設置端子S中被輸入反相器56輸出的H信號,因而自輸出端子Q輸出H信號。自反相器56輸出的H信號使NMOS電晶體53導通,將電容器46放電。此時,電容值大於電容器46的電容器48中,充電電壓未達到NMOS電晶體51的閾值電壓Vth2,從而充電繼續進行。
在時刻t3,在電容器48的充電電壓達到NMOS電晶體51的閾值電壓Vth2時,NMOS電晶體51導通。因此,RS-FF電路60的重置端子R被輸入反相器57輸出的H信號,因而自輸出端子Q輸出L信號。自反相器57輸出的H信號使NMOS電晶體52、NMOS電晶體54導通,將電容器46、電容器48放電。此時,因NMOS電晶體50斷開,故RS-FF電路60的設置端子S中經由反相器56而輸入有L信號,因而自輸出端子Q輸出L信號。因此,由於RS-FF電路61的重置端子R中輸入有L信號,故自輸出端子Q輸出L信號。
重複進行如以上說明般的動作,計時器電路14使過熱保護電路20間歇動作。 再者,計時器電路14為如下構成即可,即,與以PMOS電晶體3導通為觸發(trigger)而輸出H信號同時地開始計時,在規定的時間後輸出L信號,但不限定於該電路例。例如,亦可具備接收反相器54的信號而產生單發(one-shot)脈衝的脈衝產生電路。 而且,藉由調整計數時間與切換週期的關係,可視狀況選擇間歇輸出或固定輸出。
圖4是表示本發明的過熱保護電路的一例的電路圖。過熱保護電路20包括:感溫元件21,基準電壓電路22,藉由將感溫元件21的電壓與基準電壓電路22的輸出電壓比較而進行溫度檢測的比較器23,對感溫元件21供給電流的偏壓電路24,對比較器23供給電流的偏壓電路25,控制自偏壓電路24向感溫元件21供給電流的開關26,以及控制自偏壓電路25向比較器23供給電流的開關27。開關26設置於感溫元件21與偏壓電路24之間。開關27設置於比較器23與偏壓電路25之間。
接收自輸出控制電路15輸出的信號,若PMOS電晶體3導通,則同時地基於相同的信號自計時器電路14接收H信號,開關26與開關27變為導通,對感溫元件21及比較器23供給電流。被供給電流,而感溫元件21的電壓及比較器23穩定為能夠比較的狀態後,比較器23藉由將基準電壓電路22的輸出電壓與感溫元件21的電壓比較而進行溫度判定。在判定為過熱狀態的情況下,繼續對感溫元件21與比較器23供給電流,繼續進行溫度檢測。在判定為非過熱狀態的情況下,在PMOS電晶體3導通後的固定時間後,開關26及開關27變為斷開,從而停止對感溫元件21與比較器23供給電流。
關於感溫元件,亦能夠使用能隙參考(bandgap reference)電路中使用的雙極性元件。能隙參考電路中使用的雙極性元件的順向電壓Vf根據溫度而變化,因而利用比較器23而與基準電壓電路22的基準電壓進行比較,其中所述基準電壓電路22的基準電壓以不會根據溫度而變化的方式進行了調整,由此可進行溫度檢測。
圖5(a)、圖5(b)是表示第一實施形態的切換調節器的第一動作例的時序圖。而且,圖5(a)表示重負載連接於輸出端子7的情況下、圖5(b)表示輕負載連接於輸出端子7的情況下的PMOS電晶體3、計時器電路14、過熱保護電路20的各自的動作狀態的時序圖。圖5(a)、圖5(b)的第一動作中,將計時器電路14的計數時間設定得較切換週期長。
圖5(a)中,為連接於輸出端子7的負載重,且PMOS電晶體3以規定的切換週期進行振盪動作的連續模式動作狀態。 首先,在PMOS電晶體3導通的時刻t0,接收自輸出控制電路15輸出的信號,計時器電路14導通而開始計時。與此同時,使過熱保護電路20的動作導通。
在自時刻t0起的切換週期後的時刻t1,因未達到規定的計數時間,故計時器電路14持續導通,使過熱保護電路20的導通動作繼續。然而,在時刻t1再次接收自輸出控制電路15輸出的信號,並自此重新開始計時。
即便達到自時刻t0起的計數時間後的時刻tc,因自時刻t1開始的計時繼續,故計時器電路14持續導通,使過熱保護電路20的導通動作繼續。
如以上般將計時器電路14的計數時間設定得較切換週期長的第一動作例中,因計時器電路14持續導通,故過熱保護電路20並未成為間歇動作狀態,繼續一直動作。
過熱保護電路20藉由PMOS電晶體3導通且同時開關26、開關27導通而開始溫度檢測動作,當切換調節器發熱而判斷為過熱狀態時對輸出控制電路15輸出信號。然後,輸出控制電路15接收過熱保護電路20的信號而輸出信號,經由緩衝電路16使PMOS電晶體3停止,而抑制發熱。
在負載減輕的圖5(b)中,轉變為輸出電壓Vout的變動減小,且PMOS電晶體3的動作並非規定週期的振盪動作的不連續模式動作狀態,切換頻率減少。此時在輸出固定時間導通的信號的COT(Constant On Time,恆定導通時間)控制的切換調節器中,因導通時間固定,故藉由切換頻率的減少而斷開時間延長。
若切換週期延長,而高於計時器電路14的計數時間,則如圖5(b)般,比起自時刻t0起經過了切換週期的時間的時刻t1,到達計數時間的時刻tc更早到來,因而計時器電路14輸出使過熱保護電路20斷開的信號。接收該信號而過熱保護電路20斷開,在下一時刻t1再次隨PMOS電晶體3導通而導通。即,過熱保護電路20間歇地動作。因此,當負載減輕,而切換頻率為某固定值以下時,過熱保護電路20間歇地動作,可降低過熱保護電路20的消耗電力。
第一實施形態的第一動作例中,可期待兼具如下效果,即,一方面在最擔心溫度上升的連續模式動作狀態下藉由使過熱保護電路20一直動作而提高半導體積體電路的安全性,一方面在溫度上升頻度低的不連續模式動作狀態下使過熱保護電路20間歇動作,而消耗電力降低。
第一實施形態的切換調節器的第二動作例為將計時器電路14的計數時間設定得較切換週期短的情況。第二動作例中,即便在成為重負載連接於輸出端子7,以規定的切換週期進行振盪動作的連續模式動作狀態的情況下,因與第一動作例不同而計時器電路14在每個計數時間內對過熱保護電路20持續反覆發送停止信號,故過熱保護電路20成為間歇動作狀態,與第一動作例相比,可降低過熱保護電路20的消耗電力。
另一方面,在轉變為輕負載連接於輸出端子7,輸出電壓Vout的變動減小,且PMOS電晶體3的動作並非規定週期的振盪動作的不連續模式動作狀態,而切換頻率減少的情況下,亦與第一動作例同樣地,過熱保護電路20間歇地動作。
第一實施形態的第二動作例中,藉由在連續模式動作狀態、不連續模式動作狀態下使過熱保護電路20間歇動作,可期待較第一動作例高的消耗電力降低效果。因此,對於連續動作模式下不需要大電流且不用太擔心過熱狀態的切換調節器而言,可以說是較佳的動作例。
圖6(a)、圖6(b)是表示第一實施形態的切換調節器的第三動作例的時序圖。該例中,使計時器電路14的計時開始與PMOS電晶體3斷開同時開始進行。然後,圖6(a)表示重負載連接於輸出端子7的情況下、圖6(b)表示輕負載連接於輸出端子7的情況下的PMOS電晶體3、計時器電路14、過熱保護電路20的各自的動作狀態的時序圖。
圖6(a)中,成為連接於輸出端子7的負載重,PMOS電晶體3以規定的切換週期進行振盪動作的連續模式動作狀態。 首先,在PMOS電晶體3導通的時刻t0,自輸出控制電路15輸出的信號被輸入至計時器電路14。然而,此處計時器電路14未開始計時,過熱保護電路20亦不起動。
在PMOS電晶體3斷開的時刻t1,自輸出控制電路15輸出的使PMOS電晶體3斷開的控制信號同時被輸入至計時器電路14。接收該信號,計時器電路14導通而開始計時。此時計時器電路14對過熱保護電路20輸出控制信號,而使過熱保護電路20導通。 當達到自時刻t1起的計數時間後的時刻tc時,計時器電路14對過熱保護電路20輸出信號,使過熱保護電路20斷開。
當達到自時刻t0起的切換週期後的時刻t2時,利用自輸出控制電路15輸出的控制信號使PMOS電晶體3導通,但計時器電路14未開始計時,過熱保護電路20亦不起動。
如以上般第三動作例中,與第二動作例同樣地計時器電路14持續反覆導通與斷開,因而過熱保護電路20成為間歇動作狀態,比起第一動作例,可降低過熱保護電路20的消耗電力。
在負載減輕的圖6(b)中,轉變為輸出電壓Vout的變動減小,且PMOS電晶體3的動作並非規定週期的振盪動作的不連續模式動作狀態,切換頻率減少。
該動作狀態下亦與連續模式動作狀態同樣地,在PMOS電晶體3導通的時刻t0,計時器電路14未開始計時,過熱保護電路20亦不起動。在PMOS電晶體3斷開的時刻t1計時器電路14開始計時,使過熱保護電路20導通。在計時器時間後的時刻tc使過熱保護電路20斷開。如此,過熱保護電路20間歇地動作。
第一實施形態的第三動作例中,與第二動作例同樣地,在連續模式動作狀態、不連續模式動作狀態中的任一動作狀態下,均藉由使過熱保護電路20間歇動作,而可期待較第一動作例高的消耗電力降低的效果。因此,對於連續動作模式下不需要大電流且不用太擔心過熱狀態的切換調節器而言,可以說是較佳的動作例。
圖7是用以實現第一實施形態的切換調節器的第三動作例的計時器電路14的時序圖。 脈衝產生電路41以PMOS電晶體3的斷開動作為觸發而產生L脈衝。據此,能夠在PMOS電晶體3斷開的時刻t0使電容器46、電容器48放電,自此開始計時。
圖8是表示第二實施形態的切換調節器的電路例的圖。第二實施形態中,相對於第一實施形態,未使用計時器電路14,而使過熱保護電路20的動作與PMOS電晶體3導通的時機同步。該例中,在輸出控制電路15輸出了使作為切換元件的PMOS電晶體3動作的L信號的情況下,使該L信號由反相器59反轉而作為H信號,輸入至過熱保護電路20。
在進行如PMOS電晶體3斷開時使過熱保護電路20動作、導通時使其停止般的間歇動作的情況下,藉由卸除反相器59便可實現。 而且,亦考慮在PMOS電晶體3斷開的時間內的經限定的時間內,使過熱保護電路20動作的情況。
第二實施形態的切換調節器在如以上般的連續模式動作狀態、不連續模式動作狀態中的任一動作狀態下,均一直為過熱保護電路20僅在PMOS電晶體3導通狀態時或斷開狀態時發揮作用,因而比起至此所敘述的實施形態、動作例,更能夠提高消耗電力降低效果。而且,因不需要計時器電路故可縮小電路面積,亦可獲得成本降低效果。
另一方面,第一實施形態中,藉由利用計時器電路14亦能夠判定不依存於切換元件動作導通、斷開狀態時的過熱狀態。因此,適合提供如下的切換調節器,即,作為大發熱源的切換元件與過熱保護電路20的距離因布局的限制等而隔開,可感知各種狀態時的半導體積體電路的溫度上升的自由度高,且安全性高的切換調節器。關於使過熱保護電路20以哪一時間點為觸發且至哪一時機為止而進行動作,可利用自脈衝產生電路輸出脈衝的觸發或脈衝寬度來調整。而且,計時器電路14的計數時間當然可藉由變更電容器或Vth、偏壓電路的電流值而任意設定。
圖9是表示第三實施形態的同步整流切換調節器的電路例的圖。取代在PMOS電晶體3斷開時電流流過電感器5的二極體4,而使用進行與PMOS電晶體3相反的切換動作的切換元件即NMOS電晶體31,且具備驅動NMOS電晶體31的緩衝電路33。
而且,輸出控制電路15除具備用以經由緩衝電路16控制PMOS電晶體3的輸出端子外,亦具備用以經由緩衝電路33控制NMOS電晶體31的輸出端子。
進而具備逆流檢測電路32,該逆流檢測電路32在檢測到自輸出端子7向NMOS電晶體31的方向流動的逆電流的產生或逆電流產生的徵兆時,對輸出控制電路15輸出強制地斷開NMOS電晶體31的信號。該逆流檢測電路32僅在NMOS電晶體31導通的期間導通而開始檢測動作,與NMOS電晶體31斷開時同步地斷開而停止檢測。為了實現此種一連串的動作,設為輸出控制電路15的NMOS電晶體31側的輸出信號被輸入至逆流檢測電路32的構成,基於該輸出信號來切換逆流檢測電路32的導通與斷開。
RS-FF電路62在設置端子S中輸入H信號時,輸出H信號,該H信號是將輸出控制電路15的PMOS電晶體3側導通的L信號利用反相器63反轉所得。而且,在重置端子R中輸入有逆流檢測電路32的H信號時,輸出L信號。
過熱保護電路20藉由接收所述RS-FF電路62的輸出信號,在PMOS電晶體3及NMOS電晶體31中的任一者導通的情況下,或PMOS電晶體3導通而NMOS電晶體31斷開為止的時間內進行動作,在PMOS電晶體3及NMOS電晶體31中的任一者均斷開時停止。當然,過熱保護電路20可藉由適當變更連接於RS-FF電路62的設置端子S與重置端子的輸入的反相器,而設定各種時機下的動作。
1:電源端子
3:PMOS電晶體
4:二極體
5:電感器
6:輸出電容器
7:輸出端子
10:錯誤比較器
11:導通時間控制電路
12、22:基準電壓電路
13、60、61、62:RS-FF電路
14:計時器電路
15:輸出控制電路
16、33:緩衝電路
17、18:分壓電阻
19:反饋端子
20:過熱保護電路
21:感溫元件
23:比較器
24、25、42、43、44、45:偏壓電路
26、27、47、49:開關
31、50、51、52、53:NMOS電晶體
32:逆流檢測電路
41:脈衝產生電路
46、48:電容器
54、56、57、59、63:反相器
CLK:時脈信號
H、L:信號
IN:端子
Q:輸出端子、信號
100:非同步整流型的切換調節器
200、300:切換調節器
R:重置端子
S:設置端子
t0~t3、tc:時刻
Vf:順向電壓
VFB:反饋電壓
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓
VREF:基準電壓
Vth1、Vth2:閾值電壓
圖1是表示本發明的第一實施形態的切換調節器的一例的電路圖。 圖2是表示第一實施形態的計時器電路的電路例的圖。 圖3是表示第一實施形態的計時器電路的動作例的時序圖。 圖4是表示第一實施形態的過熱保護電路的電路例的圖。 圖5(a)是表示第一實施形態的切換調節器的第一動作例中的連續模式動作狀態的時序圖。圖5(b)是表示第一實施形態的切換調節器的第一動作例中的不連續模式動作狀態的時序圖。 圖6(a)是表示第一實施形態的切換調節器的第三動作例中的連續模式動作狀態的時序圖。圖6(b)是表示第一實施形態的切換調節器的第三動作例中的不連續模式動作狀態的時序圖。 圖7是表示第一實施形態的計時器電路的第三動作例的時序圖。 圖8是表示本發明的第二實施形態的切換調節器的一例的電路圖。 圖9是表示本發明的第三實施形態的切換調節器的一例的電路圖。
1‧‧‧電源端子
3‧‧‧PMOS電晶體
4‧‧‧二極體
5‧‧‧電感器
6‧‧‧輸出電容器
7、Q‧‧‧輸出端子
10‧‧‧錯誤比較器
11‧‧‧導通時間控制電路
12‧‧‧基準電壓電路
13‧‧‧RS-FF電路
14‧‧‧計時器電路
15‧‧‧輸出控制電路
16‧‧‧緩衝電路
17、18‧‧‧分壓電阻
19‧‧‧反饋端子
20‧‧‧過熱保護電路
100‧‧‧非同步整流型的切換調節器
R‧‧‧重置端子
S‧‧‧設置端子

Claims (3)

  1. 一種切換調節器,根據輸入至輸入端子的電源電壓並藉由切換元件對輸出端子輸出所需的輸出電壓,所述切換調節器的特徵在於包括:錯誤比較器,對所述輸出電壓進行監視;輸出控制電路,基於所述錯誤比較器的輸出信號,對所述切換元件的閘極輸出控制信號;以及過熱保護電路,當達到規定的溫度以上時對所述輸出控制電路輸出信號,使所述切換元件斷開,所述過熱保護電路被輸入基於所述輸出控制電路的輸出信號的信號,進行僅在規定的期間動作的間歇動作,所述規定的期間長於所述切換元件所規定的切換週期。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的切換調節器,其中所述規定的期間至少為所述切換元件導通的期間。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的切換調節器,其具備計時器電路,所述計時器電路輸出基於所述輸出控制電路的輸出信號用以使所述過熱保護電路間歇動作的信號。
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