電源可用于多種電子設(shè)備,從兒童玩具到計(jì)算機(jī)、辦公設(shè)備到工業(yè)設(shè)備。它們用于將電能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式,以確保設(shè)備正常運(yùn)行。常見的例子是交流-直流轉(zhuǎn)換器,可將交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓直流電壓,或直流-直流轉(zhuǎn)換器,可將電池電量轉(zhuǎn)換為所需的電壓水平。
電源種類繁多,從傳統(tǒng)的線性電源到專為復(fù)雜、動(dòng)態(tài)工作環(huán)境而設(shè)計(jì)的高效開關(guān)電源 (SMPS)。設(shè)備上的負(fù)載可能瞬息萬變,即使是商用開關(guān)電源也必須能夠承受遠(yuǎn)超平均工作水平的突發(fā)峰值負(fù)載。設(shè)計(jì)電源或使用電源的系統(tǒng)的工程師需要了解電源在從靜止到最壞情況下的行為。
圖 1. 利用功率分析軟件表征的 SMPS 組件。
過去,表征電源的行為意味著使用數(shù)字萬用表測(cè)量靜態(tài)電流和電壓,并在計(jì)算器或計(jì)算機(jī)上進(jìn)行繁瑣的計(jì)算。如今,大多數(shù)工程師將示波器作為首選的電源測(cè)量工具。
本應(yīng)用說明將使用泰克 3 系列 MDO 示波器描述圖 1 所示的常見開關(guān)電源測(cè)量。借助可選的功率測(cè)量和分析軟件,這些示波器可提供自動(dòng)功率測(cè)量,以便快速分析,并簡(jiǎn)化探頭的設(shè)置和偏移校正,以實(shí)現(xiàn)最大精度。
準(zhǔn)備電源測(cè)量
理想情況下,電源應(yīng)完全按照設(shè)計(jì)和建模的方式運(yùn)行。但現(xiàn)實(shí)情況是,組件并不完美;負(fù)載會(huì)發(fā)生變化;線路功率可能會(huì)失真;環(huán)境變化會(huì)影響性能。由于需要提高性能、提高效率、減小尺寸和降低成本,電源設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。
鑒于這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),必須正確設(shè)置測(cè)量系統(tǒng),以準(zhǔn)確捕獲波形以供分析和故障排除。需要考慮的重要事項(xiàng)包括:
示波器采集模式
消除電壓和電流探頭之間的偏差
消除探頭偏移
電流探頭消磁
帶寬限制濾波器
圖 2.采樣模式。
圖 3.平均模式。
圖 4.高分辨率模式
示波器采集模式
示波器的采集模式控制著電信號(hào)的采樣、處理和顯示方式。產(chǎn)生的波形點(diǎn)是數(shù)字值,存儲(chǔ)在內(nèi)存中并顯示以構(gòu)建波形。大多數(shù)示波器支持不同的采集模式,所選的采集模式可能會(huì)影響功率測(cè)量的準(zhǔn)確性。了解采集模式如何工作以及它們對(duì)波形和隨后的功率測(cè)量的影響非常重要。
每臺(tái)示波器都提供采樣模式,這是最簡(jiǎn)單的采集模式。如圖 2 所示,示波器通過在每個(gè)波形間隔期間保存一個(gè)采樣點(diǎn)來創(chuàng)建一個(gè)波形點(diǎn)(波形間隔在圖中顯示為 1、2、3 和 4)。建議使用采樣模式測(cè)量通過多次采集獲得的非重復(fù)信號(hào),例如紋波和噪聲分析。
大多數(shù)示波器制造商提供的另一種采集模式是平均模式。在平均模式下,示波器會(huì)像采樣模式一樣在每個(gè)波形間隔內(nèi)保存一個(gè)采樣點(diǎn)。然而,在平均模式下,連續(xù)采集的相應(yīng)波形點(diǎn)隨后被平均在一起以產(chǎn)生最終顯示的波形,如圖 3 所示。平均模式可降低噪聲,但需要重復(fù)信號(hào)。在執(zhí)行諧波分析或電能質(zhì)量分析測(cè)量(如有效功率、無功功率和視在功率)時(shí),平均模式特別有用。
泰克還提供高分辨率模式。在此模式下,在一個(gè)波形間隔內(nèi)采集的多個(gè)連續(xù)樣本被平均在一起,從單次采集中產(chǎn)生一個(gè)波形點(diǎn),如圖 4 所示。結(jié)果是帶寬降低,因此噪聲降低,低速信號(hào)的垂直分辨率提高。高分辨率對(duì)于在啟動(dòng)電源并在單次采集中獲取數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行調(diào)制分析特別有用。高分辨率可以提高開關(guān)損耗等測(cè)量的準(zhǔn)確性,這些測(cè)量基于瞬時(shí)功率等數(shù)學(xué)計(jì)算值。
圖 5. 電壓和電流探頭之間的默認(rèn)時(shí)序偏差。
圖 6. 電壓和電流探頭之間的時(shí)序偏差的標(biāo)稱校正。
消除電壓和電流探頭之間的偏差
要使用數(shù)字示波器進(jìn)行功率測(cè)量,必須測(cè)量被測(cè)設(shè)備的電壓和電流。此任務(wù)需要兩個(gè)獨(dú)立的探頭:一個(gè)電壓探頭(通常是高壓差分探頭)和一個(gè)電流探頭。每個(gè)電壓和電流探頭都有自己的特性傳播延遲,并且這些波形中產(chǎn)生的邊沿很可能不會(huì)自動(dòng)對(duì)齊。電流探頭和電壓探頭之間的延遲差異(稱為偏差)會(huì)導(dǎo)致幅度和時(shí)序測(cè)量不準(zhǔn)確。了解探頭的傳播延遲對(duì)最大峰值功率和面積測(cè)量的影響非常重要,因?yàn)楣β适请妷汉碗娏鞯某朔e。如果電壓和電流信號(hào)沒有完全對(duì)齊,結(jié)果將不正確。
3 系列 MDO 提供“去偏斜”功能,可消除探頭之間的偏斜。從任何通道菜單中,單擊“多通道”按鈕可調(diào)出去偏斜菜單。許多泰克探頭的標(biāo)稱延遲值都存儲(chǔ)在儀器中。TekVPI 探頭將被識(shí)別,標(biāo)稱延遲值將自動(dòng)填充。圖 5 中的電壓和電流波形的偏斜約為 8 ns,每個(gè)探頭的傳播延遲顯示在信息框中。TDP0500(泰克差分電壓探頭)的標(biāo)稱傳播延遲為 6.5 ns,而 TCP0030A(泰克電流探頭)的標(biāo)稱傳播延遲為 14.5 ns。傳播延遲的差異為 8 ns。
校正探頭之間的偏移非常簡(jiǎn)單,只需在偏移校正菜單中點(diǎn)擊“OK,偏移校正”即可,如圖 6 所示。選擇此選項(xiàng)可將探頭的“實(shí)際偏移校正”值調(diào)整為“建議偏移校正”值。假設(shè)探頭啟用了 TekVPI ?或通常支持自動(dòng)探頭偏移校正,則“建議偏移校正”值基于探頭的標(biāo)稱傳播延遲,該延遲存儲(chǔ)在探頭的內(nèi)部存儲(chǔ)器中。
圖 7. 泰克相差校正脈沖發(fā)生器和相差校正夾具。
圖 8.具有消磁/自動(dòng)歸零功能的 Tektronix TCP0030 AC/DC 電流探頭。
將傳播延遲設(shè)置為其標(biāo)稱值將非常接近正確校正它們,但仍可能無法精確對(duì)齊波形。為了精確對(duì)齊波形以獲得最大的測(cè)量精度,需要使用 TEK-DPG(校正脈沖發(fā)生器)和校正裝置。
TEK-DPG 為功率測(cè)量相差校正夾具(泰克部件編號(hào) 067-1686-XX)提供源信號(hào),如圖 7 所示。將探頭連接到相差校正夾具后,可以手動(dòng)撥入“實(shí)際相差校正”來更改相差校正值,從而精確對(duì)齊波形。
消除探頭偏移
差分探頭往往存在輕微的電壓偏移。這種偏移會(huì)影響精度,必須在進(jìn)行測(cè)量之前將其消除。大多數(shù)差分電壓探頭都具有內(nèi)置直流偏移調(diào)節(jié)控制,這使得偏移消除過程相對(duì)簡(jiǎn)單。
在進(jìn)行測(cè)量之前,可能還需要調(diào)整電流探頭。電流探頭偏移調(diào)整是通過將直流平衡調(diào)零到平均值 0 安培或盡可能接近 0 安培來進(jìn)行的。支持 TekVPI 的探頭(例如 TCP0030A AC/DC 電流探頭)具有內(nèi)置的自動(dòng)消磁/自動(dòng)歸零程序,只需按下探頭補(bǔ)償盒上的按鈕即可。
圖 9. 連接 TDP0500 的 3 系列 MDO 示波器上可用的帶寬限制濾波器。
消磁
電流探頭還應(yīng)具有易于使用的消磁功能。消磁可消除變壓器磁芯中任何殘余直流磁通,這可能是由大量輸入電流引起的。該殘余磁通會(huì)導(dǎo)致輸出偏移誤差,應(yīng)將其消除以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。
泰克 TekVPI 電流探頭提供消磁警告指示器,可提醒用戶執(zhí)行消磁操作。由于電流探頭可能隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生顯著的漂移,從而影響測(cè)量精度,因此消磁警告指示器是一項(xiàng)有用的功能。
帶寬限制濾波器
限制示波器的帶寬可消除顯示波形中的噪聲或不需要的高頻內(nèi)容,從而產(chǎn)生更清晰的信號(hào)。3 系列提供內(nèi)置帶寬限制濾波器,如圖 9 所示。在某些情況下,探頭也可能配備帶寬限制濾波器。
用戶在使用這些濾波器時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎,因?yàn)榈?n 階諧波中包含的高頻內(nèi)容可能會(huì)從測(cè)量中消除。例如,如果測(cè)量 1 MHz 信號(hào)并評(píng)估第 40 次諧波,則至少需要 40 MHz 的系統(tǒng)帶寬。將帶寬限制濾波器設(shè)置為 20 MHz(這是圖 10 所示示例中的可用選項(xiàng))將消除此測(cè)量所需的頻率內(nèi)容。
電源測(cè)量
一旦測(cè)量系統(tǒng)正確設(shè)置,就可以開始進(jìn)行功率測(cè)量。常見的功率測(cè)量可分為三類:輸入分析、開關(guān)器件分析和輸出分析。
輸入分析
現(xiàn)實(shí)世界中的電力線從不提供理想的正弦波,線路上總是存在一些失真和雜質(zhì)。開關(guān)電源對(duì)電源呈現(xiàn)非線性負(fù)載。因此,電壓和電流波形并不相同。在輸入周期的某個(gè)部分,電流會(huì)被吸收,從而導(dǎo)致輸入電流波形產(chǎn)生諧波。分析電源輸入的關(guān)鍵測(cè)量包括:
諧波
電能質(zhì)量
圖 10.諧波分析。
圖 11.電能質(zhì)量測(cè)量。
諧波
開關(guān)電源傾向于產(chǎn)生奇次諧波,這些諧波會(huì)回到電網(wǎng)中。這種影響是累積的,隨著越來越多的開關(guān)電源連接到電網(wǎng)(例如,隨著辦公室增加更多的臺(tái)式電腦),返回電網(wǎng)的諧波失真總百分比可能會(huì)上升。由于這種失真會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的電纜和變壓器中積聚熱量,因此有必要盡量減少諧波。IEC61000-3-2 等監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)旨在監(jiān)督特定非線性負(fù)載的電能質(zhì)量。
確定這些失真的影響是電力工程的重要組成部分,使用示波器而不是萬用表的好處是顯著的。測(cè)量系統(tǒng)必須能夠捕獲高達(dá)基波第 50 次諧波的諧波分量。電力線頻率通常為 50 Hz 或 60 Hz;盡管對(duì)于某些軍事和航空電子應(yīng)用,線路頻率可能是 400 Hz。還應(yīng)注意,信號(hào)畸變可能包含具有甚至更高頻率分量的頻譜分量。借助現(xiàn)代示波器的高采樣率,可以非常詳細(xì)地(分辨率)捕獲快速變化的事件。相比之下,傳統(tǒng)功率計(jì)由于其相對(duì)較慢的響應(yīng)時(shí)間而可能忽略信號(hào)細(xì)節(jié)。
執(zhí)行諧波分析與進(jìn)行普通波形測(cè)量一樣簡(jiǎn)單。由于本例中的信號(hào)是重復(fù)的周期性波形,因此觸發(fā)和顯示它是一件簡(jiǎn)單的事情。應(yīng)顯示至少五個(gè)周期以確保良好的頻率分辨率,并且應(yīng)設(shè)置垂直刻度,以使信號(hào)在顯示屏上占據(jù)盡可能多的垂直刻度,以獲得最佳測(cè)量精度。
圖 10 顯示了對(duì)電源負(fù)載電流進(jìn)行諧波分析的結(jié)果。用戶可以選擇以表格或圖形的形式查看結(jié)果,并可以選擇查看“全部、奇數(shù)或偶數(shù)”諧波。諧波數(shù)據(jù)可以作為 CSV 文件保存到 USB 存儲(chǔ)設(shè)備。還顯示了相對(duì)于基波和 RMS 值的總諧波失真 (THD) 值。這些測(cè)量值可用于分析是否符合電源應(yīng)用軟件中包含的 IEC61000-3-2 和 MILSTD-1399 等標(biāo)準(zhǔn)。
電能質(zhì)量
電能質(zhì)量不僅僅取決于電力生產(chǎn)商。它還取決于電源和最終用戶的負(fù)載。電源的電能質(zhì)量特性決定了電源的“健康狀況”,并確定了非線性負(fù)載引起的失真的影響。如圖 11 所示,電源應(yīng)用軟件提供了一個(gè)結(jié)果表,其中包含以下自動(dòng)測(cè)量值:V RMS和 I RMS、電壓和電流波峰因數(shù)、有效功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)。
圖 12.IGBT 上的開關(guān)損耗測(cè)量。
開關(guān)設(shè)備分析
大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中流行的直流電源架構(gòu)是 SMPS,因?yàn)樗軌蚋咝幚聿粩嘧兓妮斎腚妷汉拓?fù)載。SMPS 盡量減少使用電阻和線性模式晶體管等有損耗的元件,并強(qiáng)調(diào)(理想情況下)無損耗的元件。SMPS 設(shè)備還包括一個(gè)控制部分,其中包含脈沖寬度調(diào)制調(diào)節(jié)器、脈沖速率調(diào)制調(diào)節(jié)器和反饋環(huán)路等元件。
SMPS 技術(shù)依賴于功率半導(dǎo)體開關(guān)器件,例如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。這些器件提供快速開關(guān)時(shí)間,并且能夠承受不穩(wěn)定的電壓尖峰。此外,晶體管在開啟或關(guān)閉狀態(tài)下的功耗非常小,從而實(shí)現(xiàn)高效率和低散熱。在大多數(shù)情況下,開關(guān)器件決定了 SMPS 的整體性能。開關(guān)器件的關(guān)鍵測(cè)量包括:
開關(guān)損耗
安全操作區(qū)
轉(zhuǎn)換速率
開關(guān)損耗
晶體管開關(guān)電路通常在轉(zhuǎn)換過程中耗散的能量最多,因?yàn)殡娐芳纳?yīng)會(huì)阻止器件瞬間切換。開關(guān)器件(如 MOSFET 或 IGBT)從關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟狀態(tài)時(shí)損失的能量定義為開啟損耗。同樣,關(guān)閉損耗是開關(guān)器件從開啟狀態(tài)轉(zhuǎn)換為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)損失的能量。晶體管電路在切換過程中會(huì)因寄生電容和電感中的耗散元件以及二極管中存儲(chǔ)的電荷而損失能量。正確分析這些損耗對(duì)于表征電源和衡量其效率至關(guān)重要。
如圖 12 所示,開關(guān)損耗測(cè)量是在選定的采集區(qū)域(默認(rèn)情況下為整個(gè)波形)內(nèi)的完整周期內(nèi)進(jìn)行的,并且這些測(cè)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是在采集過程中累積的,但不是在采集之間累積的。
測(cè)量開啟和關(guān)閉損耗的主要挑戰(zhàn)是損耗發(fā)生在非常短的時(shí)間段內(nèi),而開關(guān)周期剩余時(shí)間內(nèi)的損耗則很小。這要求電壓和電流波形之間的時(shí)序非常精確,測(cè)量系統(tǒng)偏移量最小,并且測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍足以準(zhǔn)確測(cè)量開啟和關(guān)閉電壓和電流。如前所述,必須消除探頭偏移,必須對(duì)電流探頭進(jìn)行消磁以消除探頭中任何殘留的直流磁通,并且必須最小化通道之間的偏移。
圖 13.SOA 模板測(cè)試。
圖 14. 斜率測(cè)量
另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是精確測(cè)量開關(guān)損耗所需的高動(dòng)態(tài)范圍。開關(guān)器件兩端的電壓在開啟和關(guān)閉狀態(tài)之間變化很大,因此很難在一次采集中準(zhǔn)確測(cè)量?jī)煞N狀態(tài)。使用 3 系列有三種方法可以確定正確的值:
測(cè)量導(dǎo)通期間開關(guān)器件兩端的電壓降。由于此電壓通常與開關(guān)器件不導(dǎo)通時(shí)的電壓相比非常小,因此通常無法在示波器的同一垂直設(shè)置下準(zhǔn)確測(cè)量這兩個(gè)電壓。
根據(jù)器件數(shù)據(jù)表提供 RDS(on) 值(MOSFET 的最佳模型)。該值是器件導(dǎo)通時(shí)漏極和源極之間的預(yù)期導(dǎo)通電阻。
根據(jù)器件數(shù)據(jù)表提供 VCE(sat) 值(BJT 和 IGBT 的最佳模型)。這是器件飽和時(shí)從集電極到發(fā)射極的預(yù)期飽和電壓。
安全操作區(qū) (SOA)
晶體管的安全工作區(qū) (SOA) 定義了器件在不受損壞的情況下可以運(yùn)行的條件;具體來說,就是在給定電壓下有多少電流可以流過晶體管。超過這些限制可能會(huì)導(dǎo)致晶體管失效。SOA 是一種圖形測(cè)試技術(shù),它考慮了開關(guān)器件的限制,例如最大電壓、最大電流和最大功率,并確保開關(guān)器件在指定的限制范圍內(nèi)運(yùn)行。
開關(guān)設(shè)備制造商的數(shù)據(jù)表總結(jié)了開關(guān)設(shè)備的某些約束。目的是確保開關(guān)設(shè)備能夠承受電源在其最終用戶環(huán)境中必須處理的操作邊界。SOA 測(cè)試變量可能包括各種負(fù)載場(chǎng)景、工作溫度變化、高低線路輸入電壓等。如圖 13 所示,創(chuàng)建了一個(gè)用戶可定義的掩碼,以確保開關(guān)設(shè)備在電壓、電流和功率方面遵守定義的公差。掩碼違規(guī)將報(bào)告為電源應(yīng)用中的故障。
轉(zhuǎn)換速率
為了驗(yàn)證開關(guān)設(shè)備是否以最高效率運(yùn)行,需要測(cè)量電壓和電流信號(hào)的斜率,以驗(yàn)證電路是否在規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行。如圖 14 所示,示波器用于通過使用測(cè)量光標(biāo)來確定開關(guān)信號(hào)的斜率,從而簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)特性分析和開關(guān) dv/dt 或 di/dt 計(jì)算。
圖 15. 上電期間 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)的調(diào)制分析。
輸出分析
理想情況下,直流電源的輸出不應(yīng)有任何開關(guān)諧波或其他非理想噪聲分量。但實(shí)際上這是不可能的。輸出分析測(cè)量對(duì)于確定輸入電壓或負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的影響至關(guān)重要。這些測(cè)量包括:
調(diào)制分析
波紋
調(diào)制分析
3 系列的數(shù)字熒光采集技術(shù)在排除設(shè)計(jì)故障時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),尤其是在識(shí)別開關(guān)電源中的過度調(diào)制效應(yīng)時(shí)。這些示波器的最大波形捕獲率超過 270,000 wfm/s,比典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器 (DSO) 高出許多倍。這在調(diào)查調(diào)制效應(yīng)時(shí)提供了兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先,示波器大部分時(shí)間處于活動(dòng)狀態(tài),處理波形以進(jìn)行顯示的時(shí)間更少。因此,示波器有更多機(jī)會(huì)捕獲調(diào)制。其次,數(shù)字熒光顯示器使實(shí)時(shí)查看調(diào)制波形變得更加容易。顯示屏?xí)?qiáng)化信號(hào)軌跡最頻繁交叉的區(qū)域,就像模擬示波器一樣。調(diào)制比連續(xù)重復(fù)的主波形更暗,因此更容易看到。
使用泰克示波器測(cè)量調(diào)制效果也很容易。圖 15 顯示了控制電源上電流模式控制環(huán)路輸出的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。調(diào)制在反饋系統(tǒng)中對(duì)于控制環(huán)路非常重要。但是,過多的調(diào)制會(huì)導(dǎo)致環(huán)路變得不穩(wěn)定。紅色波形是數(shù)學(xué)波形,顯示了電源振蕩器啟動(dòng)時(shí)對(duì) IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行的周期間脈沖寬度測(cè)量的趨勢(shì)。由于數(shù)學(xué)波形表示脈沖寬度測(cè)量值(以時(shí)間為單位),因此可以使用光標(biāo)測(cè)量脈沖寬度的變化。數(shù)學(xué)值表示所選調(diào)制測(cè)量在采集波形中的趨勢(shì)。在本例中,它表示振蕩器控制環(huán)路在啟動(dòng)期間的響應(yīng)。這種調(diào)制分析還可用于測(cè)量電源控制環(huán)路對(duì)輸入電壓變化(“線路調(diào)節(jié)”)或負(fù)載變化(“負(fù)載調(diào)節(jié)”)的響應(yīng)。
圖 16.紋波測(cè)量。
波紋
紋波是疊加在電源直流輸出上的交流電壓。它以正常輸出電壓的百分比或峰峰值電壓表示。線性電源的紋波通常接近線路頻率的兩倍(~120 Hz),而開關(guān)電源的開關(guān)紋波可能達(dá)到數(shù)百 kHz。
結(jié)論
電源幾乎是所有線路供電和電池供電電子產(chǎn)品不可或缺的一部分,而開關(guān)電源 (SMPS) 已成為許多應(yīng)用中的主導(dǎo)架構(gòu)。單個(gè)開關(guān)電源的性能(或其故障)可能會(huì)影響大型昂貴系統(tǒng)的命運(yùn)。
為了確保新興 SMPS 設(shè)計(jì)的可靠性、穩(wěn)定性、性能和合規(guī)性,設(shè)計(jì)工程師必須執(zhí)行許多復(fù)雜的功率測(cè)量。帶有功率分析應(yīng)用模塊的泰克 3 系列 MDO 示波器大大簡(jiǎn)化了電源分析。諧波、電能質(zhì)量、開關(guān)損耗、安全工作區(qū)、斜率、調(diào)制和紋波等自動(dòng)功率測(cè)量可確保快速分析,而探頭的簡(jiǎn)化設(shè)置和偏移校正可提供最大的精度。
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審核編輯 黃宇
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