PC开关电源知识入门与进阶结构剖析.docx
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PC开关电源知识入门与进阶结构剖析
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原文链接：
原文属经典的PC开关电源教程，可以从中了解到很多基础知识。
但是因为刊登时间较早，有些内容与目前状况已所有偏离，请读者注意标蓝注解文字的解释。
PC上使用的电源供应器基于名为“开关模式（SwitchingMode）”的结构，因而也被称为SMPS（开关电源）即SwitchingModePowerSupplies（DC-DC变换器是对SMPS的另一种称呼）。
在这个文章里我们会解释开关电源如何工作，并带你一探PC电源的内部结构以及工作方式。
在之前的几篇文章中：
PC开关电源知识入门与进阶：
欧盟WEEE与RoHs环保指令 PC开关电源知识入门与进阶：
国际安规及EMC认证 PC开关电源知识入门与进阶：
转换效率与80Plus PC开关电源知识入门与进阶：
散热与静音 我们讨论了电源的一些基本常识。
在这部教程里我们讲得深一点，进一步解释电源“黑盒子”里面有什么、电源由哪些主要元件组成、如何识别它们以及它们有什么功能。
稳压电源有两种基本类型：
线性电源和开关电源。
先简要介绍线性电源的工作原理。
电源从市电取得127V或220V交流电压，通过变压器将其转换为低压交流电（例如12V）。
接着由一组二极管进行全桥整流，将低压交流电转换为脉动直流。
下一步是滤波，由一组电解电容将这个脉动直流波形滤成近似平滑的直流电。
经过电解电容滤波的直流波形仍然有小幅波动（这个波动称作纹波），所以还需要一级电压调节提供稳定的输出，使用齐纳二极管或者集成稳压器电路。
一台标准的线性电源的结构框图
注：
各国市电有100V左右（100~127V）和200V左右（220~240V）两种，上面写的110V和220V算两个典型值。
图2：
线性电源上各处的电压波形
虽然线性电源对于一些低功率应用很适合――例如手机充电器、游戏主机电源就是两个能立刻想到的典型应用――但当需要更大功率时，线性电源的体会变得很大。
注：
事实上小功率电源适配器常见的方案是Flyback、RCC等小功率开关电源结构，易做小尺寸和高效率，线性电源也有使用。
功率变压器和滤波电容的容量（同样地，体积）与输入交流电的频率成反比，也就是说，交流电频率越低，这些元件的尺寸就越大。
因为线性电源使用的市电频率是60Hz（或50Hz，在一些国家）――这是个非常低的频率――所以变压器和电容会非常大。
同样地，使用电力的设备电流需求越高，供应它们的电源就需要越大尺寸的变压器。
对于高频开关电源而言，在进入变压器之前输入电压的频率就要被提升（典型值为50~60KHz）。
由于输入电压的频率大幅提升，变压器和电解电容就可以非常小。
这类电源就被应用于PC和其它一些电子设备例如录像机上。
记住这里的“开关”是指代“高频开关元件”，而与电源外面是否有一个“开关按钮”无关。
PC电源使用一种更好的方法：
它是一个闭环系统。
负责控制开关管的电路从电源输出端取得反馈，依照PC的功耗增加或减少变压器初级电压的占空比（这个方法称作PWM，脉冲宽度调制）。
这样电源根据负载设备的功耗对自身进行再调节。
当你的PC不消耗很多能量时，电源调节自身提供较少的电流，这使得变压器和其它元件的能量耗散更少――也散发出更少热量。
对于线性电源而言，电源被设定为输出最大功率，即便负载电路并不需要很大电流。
这样的后果是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下，结果产生高很多的热量。
在下面两个图中可以看到一台带PWM反馈的PC用开关电源的结构框图（点击查看清晰原图）。
第一个没有PFC电路――通常这是便宜电源――而下一张的电源配备了有源PFC电路，这个电路一般用于高端电源。
比较这两个图，可以发现配备与不配备有源PFC电路的电源的结构差别。
配备了有源PFC的电源不需要切换110V/220V市电输入的开关以及输入倍压器。
上面只是非常简化的框图。
为简洁起见我们并没有加入各种附加电路，比如短路保护电路、待机电源、PG信号（PowerGood）发生器等。
如果读者需要更详细的电路图，请看下图。
.如果你不懂电子也没关系，这张图只是为希望更深入了解的读者准备的。
一台典型的低端ATX电源供应器的原理图，半桥结构无PFC，控制方案采用典型的TL494芯片，配合LM393比较器、TL431C基准电压源等附加电路
注：
现在TL494及其同型芯片是低端半桥开关电源上非常常见的一款控制方案，配合339电压比较器和431基准电压源等周边电路组成低端开关电源的方案非常成熟，可以上至最高500W。
与TL494同型的芯片常见的还有KA7500系列以及集成了494+339+431功能的SG6105等集成型控制器。
我们后面会讨论。
读者可能对上图中哪一级负责调节电压产生疑问，是PWM电路进行这一工作。
输入电压在开关晶体管之前经过了一次侧整流，经过开关管输出给变压器的波形是方波而非正弦波。
因为是方波所以很容易转换成直线。
经过变压器后的二次侧整流，输出电压已经是接近直线了。
这就是为何有时开关电源也被称作DC-DC变换器。
注：
PC上的开关电源也被称作隔离式DC-DC变换器。
实际上它做的就是将输入整流电路提供的高压直流转换成低压直流的工作，这一点和典型的DC-DC变换器非常相似，不同之处在于中间要加入变压器隔离初级和次级，另外就是PC电源有多组电压输出。
连接PWM控制电路的反馈环负责所有必需的调节功能。
如果输出电压过高或过低，PWM控制电路就变换开关管控制信号的占空比以修正输出电压。
这一情形典型地发生在PC功耗升高的时候，此时输出电压有下降的趋势；或者PC功耗下降的时候，此时输出电压有上升的趋势。
在看下一页之前你需要了解以下知识（这些知识你可以从研究上面的结构图获得）：
变压器之前的全部电路称作初级（或者一次侧）而变压器之后的称作次级（或者二次侧）。
配备有源PFC的电源不需要110V/220V切换开关以及倍压电路。
在没有PFC的电源中，如果输入电压设置为110V，输入电压接入倍压器电路，使输入整流桥的交流电压保持在220V左右。
PC电源上的高速开关由一对功率MOSFET管（或者BJT双极型晶体管）构成，实际上逆变级还有几种不同的组成方式，我们稍后会讨论到这一点。
加在变压器一次侧的电压是方波，因而变压器二次侧输出电压是方波而非正弦波。
PWM控制电路――通常是一颗集成电路芯片――与一次侧通过一个小变压器（驱动变压器）隔离开。
有时不使用变压器而使用光耦（一个很小的带有LED和光敏二极管的IC）进行隔离。
前面我们提到，PWM控制电路参考电源的输出电压来确定如何控制开关管的开关。
如果输出电压有偏离，PWM控制电路改变驱动开关管的波形（改变占空比）来修正输出电压。
下一页我们将通过图片来研究电源的每一级电路，告诉你在电源中何处能找到它们
当你第一次打开电源外壳（此时不要将电源线连接在上面，否则你会被电到）是，你可能对电源内什么电路在哪里毫无头绪。
但你至少可以一眼注意到两个很容易识别的东西：
电源风扇以及一些散热片。
一台（低端）PC电源的内部
但你应该很容易识别出哪些元件是一次侧，哪些是二次侧。
你会看到一个（在配备有源PFC的电源上）或两个（在无PFC的电源上）大号的电解电容，找到它，就找到了一次侧。
注：
关于输入端电解电容的配置方式有几种常见情况。
对于无PFC或无源PFC电源而言，由于需要倍压输入电路，一般使用两个200V左右的大电容串联的接法。
对于有源PFC电源，由于不需要倍压输入电路，一般就使用一颗400V左右的电容。
但是对于有源PFC电源而言，虽然不需要两颗电容组成倍压输入电路，也有可能使用两颗200V电容串联的方案，比如航嘉和Topower的一些电源（宽幅王二代之类），可能是基于与低端型号共用一套方案的考虑。
定位一次侧与二次侧
像这张所显示的，通常PC电源在两个大号散热片之间会有三个变压器。
主开关变压器是最大的那个。
中等体积的变压器（待机变压器）用来产生+5Vsb输出（属于线性电源），而最小的变压器（驱动变压器）用于PWM控制电路，用来隔离二次侧和一次侧电路（这也就是为什么在图3和图4上这一变压器被标为“隔离器”）。
在一些电源里不使用变压器作为隔离器，而使用一个或几个光耦（它们看上去就像小IC），所以在这些电源里你可能只找到两个变压器。
关于这一点我们后面会更深入讨论。
一个散热片属于一次侧，而另一个散热片属于二次侧。
在一次侧散热片上你能找到主开关管，如果电源配备了有源PFC电路，还包括PFC开关管和配套的快恢复二极管。
一些厂商会将有源PFC元件放在一个独立的散热片上，在这些电源里你在一次侧找到两个散热片。
在二次侧散热片上你能找到若干个整流管。
它们看上去像三极管但事实上它们内部是两个封装在一起的整流用功率二极管。
你还会发现一些属于输出滤波级的小号的电解电容与线圈――找到它们你就找到了二次侧。
一个确定一次侧与二次侧更简单的办法是沿着电源的输入输出接线寻找。
输出的接线组连接在二次侧而输入接线连接在一次侧。
下面我们就开始讨论在每一级电路里能找到的元件。
PC电源的第一级电路是瞬变滤波电路（也称为EMI滤波器）。
下图是一个推荐的瞬变滤波电路原理图。
注：
瞬变滤波电路不仅能保护电源及设备不受市电突波的侵害，也能抑制开关电源产生的传导骚扰窜入市电。
在交流输入端的这一组电路实际上是两级，一级负责交流滤波而一级负责抑制电压突波。
因为交流滤波电路的元件同样对电压瞬变有抑制作用，所以也可以视为瞬变抑制电路的一部分。
下面这张电路图当中，两个电感采用不同接法分别起到共模与差模干扰抑制作用，C3和C1、C2的作用下面会讲到。
推荐的二级LC瞬变滤波电路
这里我们说“推荐的”是因为很多电源――尤其是廉价电源――不会做上图中的全部元件。
所以一个区分电源优劣的简便方法就是检查它的瞬变滤波电路是否完整地做上了全部推荐的元件。
一个主要元件叫做MOV（MetalOxideVaristor，金属氧化物压敏电阻）或压敏电阻，在电路图上标为RV1，负责抑制市电的电压尖峰（瞬变）。
这个元件同样被用在浪涌抑制器上。
问题在于，廉价电源为了节省成本不会搭载这一元件。
对于搭载了MOV的电源，市电接入的浪涌抑制器就不是必需了，因为电源内部已经有一个瞬变抑制器件。
注：
瞬变抑制器件除了压敏电阻以外，还有输出瞬态抑制二极管（Transientprotectiondiode）和充气式电涌放电器（Gas-filledsurgearrester）。
它们各有优缺点，没有一个瞬变抑制器件能接近理想要求，实际使用当中是严格地设计使其相互配合，尽可能涵盖所有应用场合的。
L1和L2是铁氧体线圈。
C1和C2是扁平形状的电容，通常为蓝色，也被称作“Y电容”。
C3是金属化聚酯膜电容，通常容量为100nF（纳法）、470nF或680nF，也称作“X电容”。
有的电源配备了第二颗X电容，并联在交流输入火线和零线之间，位于图中RV1的位置。
注：
Y电容负责滤除共模干扰，X电容负责滤除差模干扰。
它们都属于安规电容。
下面引用一篇来自的介绍X电容与Y电容的文章――在交流电源输入端,一般需要增加3个安全电容来抑制EMI传导干扰。
交流电源输入分为3个端子：
火线（L）/零线（N）/地线（G）。
在火线和地线之间以及在零线和地线之间并接的电容,一般统称为Y电容。
这两个Y电容连接的位置比较关键,必须需要符合相关安全标准,以防引起电子设备漏电或机壳带电,容易危及人身安全及生命。
它们都属于安全电容,从而要求电容值不能偏大,而耐压必须较高。
一般情况下,工作在亚热带的机器,要求对地漏电电流不能超过0.7mA;工作在温带机器,要求对地漏电电流不能超过0.35mA。
因此,Y电容的总容量一般都不能超过4700PF（472）。
特别指出：
作为安全电容的Y电容,要求必须取得安全检测机构的认证。
Y电容外观多为橙色或蓝色,一般都标有安全认证标志（如UL、CSA等标识）和耐压AC250V或AC275V字样。
然而,其真正的直流耐压高达5000V以上。
必须强调,Y电容不得随意使用标称耐压AC250V或者DC400V之类的普通电容来代用。
在火线和零线之间并联的电容,一般称之为X电容。
由于这个电容连接的位置也比较关键,同样需要符合相关安全标准。
X电容同样也属于安全电容之一。
根据实际需要,X电容的容值允许比Y电容的容值大,但此时必须在X电容的两端并联一个安全电阻,用于防止电源线拔插时,由于该电容的充放电过程而致电源线插头长时间带电。
安全标准规定,当正在工作之中的机器电源线被拔掉时,在两秒钟内,电源线插头两端带电的电压（或对地电位）必须小于原来额定工作电压的30%。
作为安全电容之一的X电容,也要求必须取得安全检测机构的认证。
X电容一般都标有安全认证标志和耐压AC250V或AC275V字样,但其真正的直流耐压高达2000V以上,使用的时候不要随意使用标称耐压AC250V或者DC400V之类的的普通电容来代用。
通常,X电容多选用纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容。
这种类型的电容,体积较大,但其允许瞬间充放电的电流也很大,而其内阻相应较小。
普通电容纹波电流的指标都很低,动态内阻较高。
用普通电容代替X电容,除了电容耐压无法满足标准之外,纹波电流指标也难以符合要求。
X电容是并联在市电输入火、零之间的任何电容，Y电容是成对出现的，需要串联连接到火、零之间并将两个电容的中点接地，也就是连接到电源外壳上，因而对于市电输入而言它们是并联的。
瞬变滤波电路不止滤除市电当中的电压瞬变，也防止开关管产生的噪音传导到市电当中对其它用电设备造成干扰。
让我们来看一些实际的例子。
注意下图，看到什么奇怪的东西么？
这个电源根本没有瞬变滤波电路！
这是一个廉价的所谓“普通”电源。
如果注意看你会看到电源PCB上印刷着滤波器件的安装位置，那里本该有元件但现在空着。
这个廉价的“普通电源”根本没有瞬变滤波级
下面这个图中你可以看到一个廉价电源的瞬变滤波电路。
可以看出，MOV不见了，而线圈只有一个（L2线圈缺失）。
另一方面这个电源市电端有一个额外的X电容（对应图8中RV1的位置）。
廉价电源的瞬变滤波电路
在一些电源当中瞬变滤波电路分成两部分，一部分焊在市电输入插座上而另一部分在主PCB上，你可以在图11和12中看到一个例子。
在这个电源当中你可以看到一个X电容和第一级铁氧体线圈（L1）焊在一小块PCB上，连接到市电交流输入插座。
瞬态滤波电路第一部分
在这个电源的主PCB上你可以找到余下的元件。
可以看出这个电源有一颗MOV，尽管放在一个不常见的位置也就是第二级线圈后面。
如果你仔细看你会发现这个电源的滤波元件数量比推荐数量还要多，除了图8所示的元件外还有一个额外的X电容。
瞬态滤波电路第二部分
这个电源的MOV是黄颜色的，但最常见的MOV颜色是深蓝色。
你应该还能在瞬态滤波电路旁边找到一颗保险丝。
如果这颗保险丝烧了就要当心了。
保险丝自己一般不烧毁，保险丝烧毁通常意味着一个或多个元件失效了。
如果你替换了保险丝，替换上的那颗很可能在你下一次开机时立刻烧毁。
在没有有源PFC电路的电源当中你会找到一个输入倍压器。
输入备压电路使用两颗大号的电解电容。
在开关电源中找到的大号电容便属于这一级电路。
前面我们已经提到，只有当市电输入是127V时才使用倍压电路。
注：
在输入电压为110V时，通过连通110V输入开关，整流桥中的两个二极管处于反偏状态，另两个二极管在正负半个周期内轮流为电容充电，电容上的电压就是火线零线之间的电压绝对值。
因为输出电压是两颗电容串联的电压，所以就起到了倍压整流的效果。
当输入电压为220V时一定不能将开关扳到倍压整流模式，否则一次侧整流输出电压过高会烧电源。
倍压输入电路的电容容量随不同结构有不同的需求。
对于半桥拓扑的电源，一次侧的两颗大电容的容量要求比较高。
无PFC或无源PFC的电源需要倍压输入电路，因而一次侧大电容是两颗200V左右串联的规格；而配备有源PFC的电源，PFC电路本身就能完成升压功能，经过有源PFC电路输出的直流电压在300~415V左右，因而不需要倍压电路，电容是耐压值400V左右的规格。
倍压电路里的大电解电容
倍压电路的大电解电容由电源中取出的样子
在两个大电解电容旁边你可以找到一个全桥整流器。
这个桥式整流器可以由分立的四颗二极管或单一封装的元件组成，见下图。
在高瓦数电源里这个整流桥要安装散热片辅助散热。
整流桥
在一次侧你还能找到一个NTC热敏电阻，这是一个能随着电源温度升高而降低自身阻值的电阻。
它用来在电源工作少许时间、温度上升到一定程度时重置电力供应。
“NTC”代表负温度系数（NegativeTemperatureCoefficient）。
这个元件长得像一片圆片型陶瓷电容，通常是橄榄绿色。
注：
NTC热敏电阻的工作原理如下。
在计算机冷启动时会产生一个很大的浪涌电流，可能烧毁电源和主机内部，而NTC热敏电阻具有负的温度系数，阻值对温度呈负指数关系，零功率下有一个较高的阻值而工作温度下阻值接近零。
因而在冷启动初始时NTC电阻串入电路可以将浪涌电流大部分抑制掉。
当计算机工作少许时间后，NTC电阻温度上升到工作区间，自身阻值下降到很低的数值可以忽略不计，不会对输出电流产生影响，可以避免过多功耗。
采用热敏电阻抑制浪涌的一个缺点是，当第一次通电时需要花一些时间让其电阻下降到工作阻值。
如果此时交流输入过小，调整也就无法形成足够的升温期。
再者，当关断电源后快速地重新接通时，热敏电阻还未完全冷却，将部分丧失浪涌抑制功能。
这也就是为何短暂地关掉又开启电源是有害操作的原因，除非有针对这种情况的专门设计。
电源的防浪涌电流设计还有其它几种方式。
串联普通电阻而非热敏电阻是小功率应用中的一种简单做法，但是在电流增大时显然导通损耗会比较大。
对于大功率变换器可采用有源抑制电路，在启动之后使用双向三极晶闸管或继电器将抑制电阻旁路掉，对晶闸管或继电器的工作方式需要合适的电路来控制。
显然这个电路只有在配备了有源PFC的电源上才能找到，下图是一个典型的有源PFC电路框图。
有源PFC电路
有源PFC电路通常使用两个功率MOSFET开关管。
这两个开关管固定在电源一次侧的散热片上。
为方便记忆，我们用字母标记每个MOSFET的三个引脚，S表示源极，D表示漏极而G表示栅极。
PFC二极管是一颗通常封装的很像功率晶体管（但只有两根针脚）的功率二极管，它也固定在电源一次侧的散热片上。
上图中所示的PFC线圈是电源中个头最大的线圈绕组。
而搭配的滤波电容也是带有此类电路的电源中个头最大的电容。
PFC二极管后串联的电阻是NTC热敏电阻，和前一页提到的NTC热敏电阻起相同作用。
有源PFC电路通常由一个集成电路控制。
有时这个电路还负责控制PWM开关电路（用来控制主开关管的开关），此类集成电路称作“PFC/PWMCombo”。
我们来看一些实际的例子。
在下图当中去掉了一次侧散热片以便读者看清元件。
图片右方你可以看到前面讨论过的瞬态滤波电路元件。
左方是有源PFC部分的元件。
因为一次侧散热片被摘下，PFC开关管和PFC二极管（事实上还有主开关管）在这里是看不到的。
如果仔细观察你会发现在整流桥和有源PFC电路之间有一颗X电容（整流桥散热片下方露出一角的棕色方块）。
那个长得像圆片陶瓷电容且呈深绿色的热敏电阻，正如你所看到的，通常外面包着热缩管。
我们刚刚提到，这个电源当中能找到的最大个的线圈通常是有源PFC的线圈。
有源PFC部件一览
在下图当中你能看到一次侧散热片上固定的若干管子。
左边是PFC电路的一对功率MOSFET和功率二极管。
一次侧散热片上的元件
右侧还能看到这台电源的两个主开关管（这里是MOSFET），我们下面就要讨论到它们。
SMPS的开关逆变级可以有若干种组态。
我们在下表中总结了最常见的几个组态。
当然我们只是在分析“需要的元件数目”，在决定使用哪个电路结构的时候工程师需要将很多其它因素考虑在内。
对于PC电源最常见的两种组态是双管正激拓扑和半桥拓扑（原文为push-pull，估计是有出入），它们都使用两颗晶体管作为主开关管。
这些开关管――功率MOSFET管――的形态可以在前一页看到，它们固定在电源一次侧的散热片上。
注：
双管正激式拓扑，有的地方译作“双晶顺向式”，一个比较正规的叫法是“对角半桥式正激变换器”，实际上是单端正激拓扑的变体，是现在常用的结构。
半桥式（Half-bridge）拓扑，在实际产品中使用的都是BJT双极型晶体管作为开关元件。
500W以下小功率PC电源用半桥式拓扑成本低廉且比较方便，缺点是性能和效率很难再提升。
全桥式（Full-bridge）拓扑多用于1000W以上大功率型号。
单端反激式，或称反驰式变换器多用于小功率电源适配器或待机电源电路。
下面我们给出以上五种组态每一种的原理图。
单端正激式拓扑
双管正激式拓扑
半桥式拓扑
全桥式拓扑
推挽式拓扑
前面我们提到，一台典型PC电源具有三个变压器。
最大的一个是我们在结构框图和原理图上画出来的主变压器，其一次侧与开关管相连，而二次侧与次级整流与滤波电路相连，提供电源的各组直流输出（+12V，+5V，+3.3V，-12V，-5V）。
第二个变压器用来产生+5Vsb输出，一个独立的称作“待机电源”的电路产生这一路输出。
这么做的原因是这组输出要一直开着，即便你的主机电源“已经关闭”（也就是说处于待机状态）。
第三个变压器是隔离变压器（在我们前面的框图里称为“隔离级”），将PWM控制信号耦合到开关管上。
这个第三组变压器可能不会存在，而是被一组或多组看起来像是集成电路的光耦取代。
电源内的变压器
这台电源使用光耦而非变压器来隔离开关管与PWM控制电路
PWM控制电路的核心是一颗集成电路。
没有有源PFC电路的电源通常使用一颗TL494集成电路（在图26所示的电源中使用了一颗兼容的芯片，DBL494）。
在具备有源PFC电路的电源当中，有时会使用一颗集成了PWM和PFC控制功能的集成电路。
CM6800是这种PWM/PFCCombo芯片的一个典型例子。
电源上通常还会用另一颗集成电路来产生PG信号，我们后面再讨论这个电路。
PWM控制电路
终于我们来到了二次侧。
在这一级电路，主变压器的各组输出被整流并滤波然后提供给PC。
负电压输出（-5V和-12V）的各组的整流由普通二极管完成，因为它们不需要输出很高功率和电流。
但各组正电压（+3.3V，+5V和+12V）的输出就要由大功率肖特基整流管完成。
这种管有三个脚，长得像功率晶体管但实际上内部封装了两个功率二极管。
二次侧整流工作的方式由电源电路结构决定，可能有两种整流电路结构，见下图。
两种不同的整流电路结构
注：
上图实际上就是全波整流和半波整流电路的分别。
这里作者的说法有点问题。
选择全波整流还是半波整流是由逆变级的工作方式所决定的，而较少考虑到这两种方式本身的“高档”与“低档”差别。
单端式的正激和反激电路是非对称工作，因为变换器只有半个周期内输出能量，所以只能用半波整流电路。
而对称工作的半桥、桥式和推挽式电路，因为逆变器在两个半周中都输出能量，所以整流电路应该用全波整流或桥式整流。
结构“A”多用于低端电源。
可以看到，这种组态需要从变压器次级引出三根针脚。
结构“B”多用于高端电源。
这种组态只要用两根变压器针脚，但输出线圈需要更大尺寸因而更贵，而这是低端电源不
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