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2011年全国大学生电子设计竞赛获奖论文初稿——并联直流供电电源






本系统设计了低功耗高效率的开关电源并联供电系统,以集成降压电压转换芯片 TPS5450 为 DC/DC 控制模块核心,以超低导通电压的新型二极管 LTC4352 作为保护二极 管,以超低功耗的高速单片机 MSP430F2816 为控制系统核心。采用数字和模拟两种反 馈调节的方法,实现了两路电流在 0.5A--1A 的范围内以任意比例分配,两路输出的相对 误差绝对值小于 1%,并且通过负反馈调节使输出电压稳定在 8V ± 0.1V,整体系统以低 功耗高效率为设计标准,供电系统的效率在 80%以上。

关键词
开关电源 DC/DC 模块 并联供电 反馈调节 电流均流 低功耗

I

目 录
绪 论 ............................................................................................. 错误!未定义书签。

第 1 章 方案论证与设计 ............................................... 错误!未定义书签。
1.1 1.2
DC/DC 控制模块.................................................................. 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。

电压电流控制及均流 ......................................................... 错误!未定义书签。 错误! 未定义书签。

第 2 章 电路设计与参数计算....................................... 错误!未定义书签。
2.1 2.2 2.3 系统主控电路 ..................................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。
DC/DC 控制模块电路.......................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。

电压电流控制及均流电路 ................................................. 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。

第 3 章 系统功能与软件设计....................................................................... 14
3.1 3.2 3.8 系统功能设计 ..................................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 主控软件结构 ..................................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 调试 ..................................................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。

第 4 章 系统测试与分析 ............................................... 错误!未定义书签。
4.1 4.2 4.3 系统参数测试 ..................................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 系统功能测试 ..................................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 测试结果分析 ..................................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。

第 5 章 技术总结与展望 ............................................... 错误!未定义书签。 参考资料 ............................................................................. 错误!未定义书签。 附录 ..................................................................................... 错误!未定义书签。
附录一 测试仪器清单 .................................................................. 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 附录二 元器件清单 ...................................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 附录三 原理电路图 ...................................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 附录五 源程序 .............................................................................. 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。

II


问题的提出



随着功率电子技术的发展,开关电源在各个领域得到了广泛的应用。开关电 源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出 电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制 PWM 控制和场效应管构成。在 大功率 DC/DC 开关电源中, 为了获得更大的功率, 特别是为了得到大电流时, 经常采用多个单元并联的方法。多个单元并联具有高可靠性,并能实现电路模块 标准化。然而在并联中遇到的主要问题就是电流不均,特别在加重负载时,会引 起较为严重的后果,因此采用均流就显得十分重要,它能把电流按一定的比例适 当非配到各个单元,既能增加供电的安全性,又能提高供电的效率。保证系统在 不断电的情况下更换系统的失效模块,提高了系统的可维护性。分布式的电源系 统具有很好的灵活性,可以将模块的开关频率进一步提高,从而提高模块的功率 密度,使电源的体积,重量下降。系统的单个模块的电流应力减小,提高了系统 的可靠性。另外,开关电源的效率高,功耗低,这为开关电源提供了广阔的发展 空间。 设计开关电源模块并联供电系统涉及到 DC/DC 稳压变换模块、电流电压检 测和均流等内容,下面简单介绍其基本原理。 DC/DC 稳压变换模块 是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压, 上述控制获得加速平稳、 快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约 电能(20~30)%。 直流斩波器不仅能起调压的作用, 同时还能起到有效地抑制电网 侧谐波电流噪声的作用。DC/DC 变换是将原直流电通过调整其 PWM(占空比) 来控制输出的有效电压的大小。 电流电压检测和均流 电流电压检测和均流 在大功率 DC/DC 开关电源中,为了获得更大的功率,特别是为了得到大 电流时,经常采用多个单元并联的方法。然而在并联中遇到的主要问题就是电流 不均,特别在加重负载时,会引起较为严重的后果,因此采用均流就显得十分重 要,它能把电流按一定的比例适当非配到各个单元,既能增加供电的安全性,又 能提高供电的效率。在本系统中我们采用两个开关电源单元并联的方案。

3

第1章

方案论证与原理设计

1.1 开关电源模块并联供电系统结构框图

要求设计制作一个有两路额定功率均为 16W 的 8V 的 DC/DC 模块构成的并联供 电系统,在本系统中我们采用两个开关电源单元并联的方案。保证输出电压为 8V,并且能按预置的比例在适当的范围内自动分配电流,达到均流的目的。
I IN
I1

IO =I1 +I 2

I2

负载电阻

U O = 8.0V

图 1-1 两个 DC/DC 模块并联供电系统结构示意图

1.2 DC/DC 控制模块方案
方案一 降压开关型集成稳压芯片 方案一:降压开关型集成稳压芯片 LM2596 LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路,具有很好的线 性和负载调节特性。输出电压可调范围是 1.2V--37V,误差范围为 4%,能够输 出最大 3A 的驱动电流。功耗低,关断电流仅为 80uA,具备过压保护和过热保 护功能。 方案二 方案二:降压转换器 TPS5450 由集成电压转换器芯片 TPS5450 作为电压转换芯片,TPS5450 是一款低功 耗的降压型集成稳压芯片,输出电压范围是 5.5V—36V,误差范围是百分比是 1.5%。 最大输出电流为 5A。 关断电流仅为 18uA, 具备过压保护和过热保护功能。 工作温度范围是-40—125。+24V 电源经过降压稳压后输出要求的电压 8V。 基于低功耗和简化设计的考虑, 题目要求发挥的输出电流范围为 1.5V—3.5V, 输出电压范围要求为 8.0V+0.4V,误差范围为 5%,而 TPS5450 最大输出电流为 5A,误差范围仅为 1.5%,而且关断电流 18uA 远远小于 LM2596 的 80uA 的关断 电流,所以我们选择以集成电压转换器芯片 TPS5450 为核心的 DC/DC 控制模块 方案。

4

1.3 电流反向保护模块方案
因为存在两路供电,有可能出现一路电流过大而另外一路电流很小的情况, 这时会造成电流反向流入另外一路损坏器件,因此需要加电流反向保护模块,防 止电流反向。 在本系统中我们选择真二极管 LTC4352, LTC4352 是一款低压差的二极管, 输入电压范围是 2.9-18V,的管压降只有 25mV, 远远小于普通二极管 0.7V 的压降, 因此用它来作为单向导通的保护二极管不会对整体的电压输出造成较大的影响。

1.4 电压电流检测单元方案
为了达到题目要求的输出稳定的+8V 电压和按比例分配的电流, 需要通过反 馈调节电压和电流,因此我们对输出的电流进行取样,以电压的形式输出。为了 不影响后级负载同时又要保证精度,我们选择用康铜丝制做精密小电阻,大小仅 为几十毫欧,通过约 1A 左右的电流后产生几十毫伏的电压,通过差分放大器后 得到取样电压,然后把得到的电压送入控制单元进行反馈控制。

?V

图 1-2

电压电流检测示意图

1.5 电流均匀分配方案
方案一 模拟方法控制 方案一:模拟方法控制 方法 题目要求使负载电流在1.5~3.5A之间变化时,两个模块的输出电流可在 (0.5~2.0)范围内按指定的比例自动分配,利用模拟电路进行控制简单可行,只 需要和采样的精密电阻并连上几个大电阻, 因为精密采样电阻只有几十毫欧的大 小,并连上一个几十千欧大小的电阻对采样电阻的采样电压几乎没有影响。通过 改变并联电阻大小就能改变电流的分配比例, 采用模拟控制时只需要对一路进行 采样,通过精密电阻对电压进行取样,分别经过查分运放后再和参考电压一起经 过减法器送入集成电压转换器芯片TPS5450的反馈端对输出电压和电流经行控制。

5

1

β

?Va
?Va

VFBa

VERFa

VFBb

VERFb

α ?Va β

图 1-3 模拟器件控制示意图 方案二 数字方法控制 方案二:数字方法控制 方法 直接采样数字控制, 对采样的电流和电压经行转换后送入单片机经过设计 的算法经行运算后输出反馈电压再送入集成电压转换器芯片 TPS5450 反馈端对 输出电压和电流经行控制,直接用数字器件控制在硬件电路上实现起来简单,电 路简单, 不需要额外增加运放。 只需要设计合适的算法就能输出合适的反馈电压, 而且通过算法设计用程序控制比例系数可以设置任意的比例,控制非常方便,而 且可以实时修正各个反馈参数, 及时调整反馈电压, 可以提高输出电压的精确度, 而且设计高效的算法可以减少电源电流的波动,使输出快速达到稳定。
VERFa

VDIGa
VFBa

?Va

?Vb
VDIGb
VFBb
V0

VERFb

图 1-4 方案三 方案三:模拟和数字结合控制

数字器件控制示意图

模拟电路进行控制简单可行,数字电路控制方便高效,可以吧两者有效的 结合起来使用,利用电位器来完成电流比例的分配,通过调节电位器改变送入差 分放大的采样电压,以此来反馈调节电流分配比例。用数字器件来实现任意比例 的分配。这样在一般情况下只需要拨动选择开关就能改变几种常用的比例分配, 在实现其它比例分配的时候,就可以通过数字器件来控制,通过与单片机相连的 控制键盘就能方便的改变比例分配系数。 通过一个开关就能选择是利用模拟器件 控制或者数字器件控制。示意图如图 1-5。

6

Vrefa

VFBa

Vrefb
VDIGa

Vrefa
VFBb

?Va ?Vb V0

α ?V β a
VDIGb

图 1-5

模拟和数字器件结合控制

在本系统中要求每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于 2%,精度要 求较高,因此肯定会用到数字器件控制,但模拟器件控制可以脱离控制系统独立 工作,工作的可靠性可以得到保障,在控制系统出现异常的情况下照样能够正常 工作。因此最终选择方案三。

1.6 系统供电方案
为了降低系统的功耗,提高系统的效率,本系统选用用降压型开关稳压电源 AS1117-3.3 与 AS1117-5 低压线性稳压电 控制器 LM2576 转换高电平 24V 输入, 源芯片输出供电给运放模块和单片机控制模块,且 AS1117 的特性适合开关电源 的后级稳压 。

图 1-6

稳压电路示意图

AS1117-3.3 输出 3.3V 电源为单片机供电, AS1117-5 输出+5V 电源为系统的 其它芯片供电。AS1117 是一款低压差的线性稳压器,当输出 1A 最大电流时, 输入输出的电压差典型值仅为 1.2V,而且多用于开关电源的后级稳压。输出电压 电压线性度为 0.2%,精度高达±1%,稳定度好,因此对本系统非常适用。

7

1.7 整机设计方案框图
通过上述方案论证,我们选择集成降压稳压芯片 TPS5450 作为 DC/DC 控制 模块方案,选择真二极管 LTC4352 作为反向保护,采取模拟和数字相结合的控 制方法。 开关电源模块并联供电系统整体结构框图如图 1-6 所示。
Ia
V0

VFBa

VERFa

1
VERFa

1

βI

?Va
?Vb

?Va

a

βI

b

?Vb
VDIGa
V0

VERFb

VDIGb

?Vb

VERFb
VFBb
Ib

图 1—7 整机设计方案框图

整体系统的反馈控制示意图如图 1-7

8

Vin

Vouta

Ia V0 Ra

VFBa

Verfa = Vouta β va

?Va= I a Ra β Ia

I 0= I a + I b

Rb

Voutb
Ib

VFBb

Verfb = Voutb β vb

?Vb = I b Rb β Ib

图 1-8 反馈控制示意图 设置四个变量分别为 变量: βVa βVb β Ia β Ib :

βV 为A支路电压反馈系数,βV B支路电压反馈系数,
a b

β I 为A支路电流反馈系数,β I 为B支路电流反馈系数
a b

由反馈电路控制关系得到:

Vouta β va ? I a Ra β Ia = Vra { Voutb β vb ? I b Rb β Ib = Vrb V ? I R = Vo { outa a a Voutb ? I b Rb = Vo
预设两路电流分配关系为 Ib : I a = α :1 ,则得到:V = o (1-1)
Vrb α Rb βVb + ( βVb ? β Ib ) 1 + α RL

α Rb ( βV ? β I ) 要R L调整时Vo 基于不变,则要使 1 + α 趋近于0 ,
b b

RL

得到 βVb ≈ β Ib 代入得到:V0 =

βV

Vra
a

所以β Ib =βVa =

Vra V ,同理可求出 β I a =βVa = ra , 所 Vo Vo

以只要对反馈系数加以控制,就能使输出达到稳定。而这些反馈系数既可以通过 模拟的方法来实现,也可以通过数字的方法来实现,模拟方法就是通过控制取样

9

比例系数和放大倍数来控制,数字部分直接利用单片机控制 A/D、D/A 利用算法 来实现。

用模拟控制方法时,因为本系统是单电源供电,因此在系统设计中,只要满 足两路反馈 VFB 2 > VFB1 ,就能完成减法运算。而节省了必须用双电源供电带来的 额外功耗和电路复杂度。

第2章

功能电路设计与参数计算

该程控滤波器电路由 DC/DC 降压稳压模块、 电流电压检测及均流电路模块、 系统控制电路以及系统供电电路等部分组成。

2.1 DC/DC 降压稳压模块
本模块以集成电压转换器芯片 TPS5450 为核心,+24V 电源由 POWER 端输 入,输出电压通过内部反馈调节稳定在+8V。 输入电压+24V 经 vin 端输入, TPS5450 内部参考电压为 1.221V, 误差为 1.5%, 反馈端由 vsense 端输入, 经过比较器和内部的产生的锯齿波 Vs 比较, VFB ? Vs 时, 当 产生高电平,当 VFB ? Vs 时,产生低电平,从而产生 PWM 信号,当反馈电压值 不同时通过比较器产生的 PWM 信号的占空比不同,信号有效值就不一样,经后 续变换后产生的电压有效值就不一样, 如此反复调节直到反馈电压稳定在 1.221V, 此时输出电压就能稳定在 8V。 该部分电路图如图 2-1 所示。

10

图 2—1

DC/DC 降压稳压模块

+24V 电压经 TPS5450 反馈调节后输出稳定的+8V,真二极管 LTC4352 作为 真二极管 保护二极管,防止电流分配失调时倒灌损坏器件 防止电流分配失调时倒灌损坏器件。图中电感 L2、L3 作为滤波电 L3 感,电容 C10、C11、C17 C17、C18 作为滤波退偶电容,去除输出电源的干扰 去除输出电源的干扰。

2.2 电流电压检测及均流电路设计
通过精密小电阻进行取样,该取样电阻大约为 50 毫欧左右, 通过精密小电阻进行取样 ,取样电压经过 差分放大器 INA210 进行放大后得到 ?V ,同时通过电阻 R19 和 R22 (另外一路是

R34 和 R36 ) 分压后得到参考电压 VERFa 和 VERFb , 得到参考电压 经集成运放后输出 VFBa 和 VFBb 反馈
到 TPS5450 的 VSENSE 端调节输出电压稳定到 8V,输出电流稳定在设定的比例 输出电流稳定在设定的比例。

11

图 2-2

电流电压检测及均流电路

反馈电压由 VSENSE 端引入,反馈电压取自两部分,一部分是电流取样后的 一部分是电流取样后的

β I ?Va = I a Ra β I ,另外一部分是 R19和R22 引入的反馈 βV Vouta 。两路反馈共同调节 另外一部分是 两路反馈共同调节
a a a

使输出稳定。 TPS5450 当系统稳定时应有 参数计算:TPS5450 内部参考电压为 1.221V,当系统稳定时应有 VFB =1.221V

Vrefa = Vrefb =

R22 Vo R19 + R22 R36 Vo R34 + R36

V0 =8V,

R34 = R19 =10K =10K:
? V0 ? ? 1? ? ? Vrefa ? ? ? R34 10 R36 = = = 1.8 K ? V0 ? ? 8 ? ? 1? ? 1? ? ? ?V ? ? 1.221 ? refb ? ? R22 = R19 = 10 = 1.8 K ? 8 ? ? 1? ? ? 1.221 ?

通过计算, R22 要取 1.8k R36 要取 1.8k。 k,

12

2.3 控制电路设计
MCU 选型 本系统的控制器我们选用 TI 公司的 MSP430F2816 单片机。MSP430 是一种 MSP430 低功耗、高性能的 16 位单片机 位单片机。它采用了精简指令集结构,具有丰富的寻址方 具有丰富的寻址方 式,还有高效的查表处理指令 这些特点保证了可编制出高效率的源程序。在 还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序 25MHz 晶体的驱动下,实现 40ns 的指令周期。除此之外 MSP430 单片机还具有 实现 超低的功耗, 电源电压仅为 3.3V 。 其电源电压 而且 MSP430F2816 单片机内部集成有 A/D, 内部集成有 因此减少了外围器件,精简了电路 精简了电路,提高了效率。 键盘与显示 因为题目要求的参数设置,我们可以通过五个自制的键来完成 因为题目要求的参数设置 我们可以通过五个自制的键来完成,分别控制电 流比例系数的增减和步进的大小 系数的增减和步进的大小。

2.4 系统供电电路设计
对于高精度的系统设计 设计,要求电源的稳定性精密度好。为了给整机提供稳定 为了给整机提供稳定 的工作电压,我们采用二次稳压 多级退耦的措施自行设计了一个精密的供电电 我们采用二次稳压、多级退耦的措施自行设计了一个精密的供电电 路。对于供电要求高的模拟电路我们采取稳压基准二次稳压的方法 对于供电要求高的模拟电路我们采取稳压基准二次稳压的方法。 对于供电要求高的模拟电路我们采取稳压基准二次稳压的方法 模拟系统取外部输入电压为+24V,第一级稳压 LM2576 输出为 模拟系统取外部输入电压为 输出为+6.5V,一路 引入到单片机系统板上经 REG1117-3.3 二级稳压后输出+3.3V 为单片机供电 另 为单片机供电, 外一路由 REG1117-5.0 二级稳压后输出 二级稳压后输出+5V,为系统的其它芯片供电 为系统的其它芯片供电。 整机系统主要供电电路如图 7 所示。

图 2—3 系统供电电路图

参数计算: LM2357 是通过反馈调节使输出稳定在 6.5V,LM2357 的内部参考电压是 1.23V。

13

R5 ≈ 1k 取R4 =2k Vo = 6.5V Vref =

5k

R4 Vo R1 + R4

? V ? ? 6.5 ? R1 = R4 ? 0 ? 1? = ? ? 1? = 8.6k ?V ? ? ? ref ? ? 1.23
LM324 构成跟随器,其稳定输出电压为 1.221V,其前级输入为 REG1117 的输出 5V

R3 =10k V0 = R5 = R5 Vin R3 + R5 R3 ? Vin ? ? 1? ? ? V0 ? = 10 = 3.23k ? 5 ? ? 1? ? 1.221 ? ?

通过计算, R1 要取 8.6k, R5 要取 3.23k。

2.5 过流保护方案
题目要求具有负载短路及自动恢复功能,阈值电流为 4.5A,因此我们为本 系统设计了过流保护,通过电流取样当大于阈值 4.5A 时,通过单片机输出一个 高电平对模块进行关断,从而起到负载保护及自动恢复功能。

第3章
3.1

系统功能与软件设计

程序设计思想 程序设计思 程序由主程序、 定时器中断程序、 A/D 中断程序、 键盘中断程序四部分组成。 各部分功能及流程图如下。

主程序 主程序的主要工作是进行初始化,扫描键盘,并响应键盘,设定反馈系 数初始值。

3.2

14

开始

A

B

初始化 No Yes 中断初始化 取A、B、C三个数

Count>>3

No A+B>Imax Yes 关DC/DC,关A/D,关 显示器中断

A/D、D/A初始化 启动A/D、开中断 D/A端口送初值 gADCDone=0

C

送显示,闪烁显示

启动DC/DC 与以前的值累加 延时100ms Count-1 重新计算、输出D/A 延时55ms

启动A/D、开中断 开DC/DC No 累加值置0 Yes B A 启动A/D、开A/D、 定时器中断 刷新显示、OV闪烁 延时100ms

A

图 3-1 主程序流程图

第4章
4.1 测试条件

性能测试与分析

测试环境 竞赛实验室,常温,常湿,常压。 测试仪器 表 4-1 主要测试仪器清单

序号 1 2 3





型号、 型号、规格 TDS1012 SS-5702A HP34401(2 个)

生产厂家 TEK 内蒙电子 Agilent
15

数字示波器 模拟示波器 数字万用表

4 5

直流稳压电源 自耦变压器

DF17432L 0~250V

中策电子 东风电器

4.2 系统调试
在电路板装配好后,进行整机调试。 1) 测试供电电源: VCC1 =5.000V, VCC 2 =3.300V 系统供电正常。 2) 供电电源正常工作后, 改变负载, 进行了过流, 过压试验均能正常工作。 3) 把电路各部分连为一体。对控制部分进行检测,观察显示部分能正常工 作和键盘按键功能能实现,且显示与测量值基本一致,所以电路能正常 工作。

4.3 电路静态工作点测试

4.4 系统功能测试
显示部分功能测试 用键盘随意编辑一个设定值,观察能否交替显示设置值和测量值,同时用电 流表测量负载电流值,比较这 3 个值大小,相差很小,达到了设计指标,负载输 出正常。重复上述操作后结果一致,显示功能实现。 键盘按键功能测试 1) 按“确认”键进入编辑状态,标志位显示”E” 2) 按盘上“左”“右”键可以设定要设置的位(在标志后显示) 3) 按“上”“下”键可以设定相应位数字大小 4) 若再按“取消”键,显示原来值; 若设定值按“确定”键显示设 定值;若按下复位键显示开机时初始值 5) 重复上述操作,结果一致所以实现了键盘的功能

4.5 系统性能参数测试

总电流 A

I0 = 0 A Ia Ib

I 0 = 1A Ia Ib

I0 = 2 A Ia Ib

I0 = 3A Ia Ib

I0 = 4 A Ia Ib

电流 mA 比例系数

1:1 1:2
16

2:1 1:3 3:1

第5章

设计总结与技术展望

本课题设计并实现了开关电源模块并联供电系统。 各部分的功能和性能达到 或超过了题目的基本要求与发挥要求,圆满地完成了竞赛题目的要求。 系统功能与性能比较结果如表 7 所示。 表 5 系统功能与性能总结
基本要求 发挥部分 实测性能

(1)调整负载电阻,保 持输出电压UO=8.0± 0.4V,使负载电流IO在 (1) 调整负载电阻至 1.5~3.5A间变化时, 两路 额定输出功率,供电 输出电流可在(0.5~2.0) 系统的直流输出电压 范围内按指定的比例自 UO=8.0±0.4V。 动分配, 各模块的输出电 流相对误差的绝对值不 大于2%。 (2) 使供电系统的效 (2)进一步提高供电系 率不低于 60% 。 (3) 调整负载, 保持 (3)调整负载,保持输 输出电压UO=8.0± 0.4V,输出总电流IO =1.0A 按I1:I2=1:1 模式自动分配电流, 模式自动分配电流, 各模 各模块的输出电流的 块的输出电流的相对误 相对误差绝对值不大 差的绝对值不大于2%。 于5%。 (4) 调整负载, 保持 输出电压UO=8.0± 0.4V,两模块输出电 出电压UO=8.0±0.4V, 使 两个模块输出电流之和 IO =4.0A 且按I1:I2=1:1 统效率。

17

流之和IO =1.5A 且 按I1:I2= 1:2 模式自 动分配电流,相对误 差绝对值不大于5%。 (4)具有负载短路保护 及自动恢复功能, 保护阈 值电流为4.5A(±0.2A 的偏差)。 (5)其他

18


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