CN100403226C - 用于直流至直流转换器的衰减放大器电路 - Google Patents

Abstract

一种用于直流至直流调整器的衰减放大器电路，其包含放大器、至少一个第一电阻性组件、第二电阻性组件、第三电阻性组件、以及第一电容性组件。第一电阻性组件的每一个是连接于输出电感器(相节点或者电流感测节点)以及放大器非反相输入端之间。第一电容性组件连接于调整器的输出端以及放大器的输出端之间。第二电阻性组件连接于调整器的输出端以及放大器的反相输入端之间。第三电阻性组件连接于放大器的反相输入端以及输出端之间。第二电容性组件可以连接于调整器的输出端以及放大器的非反相输入端之间。第四电阻性组件可以与第二电容性组件并联连接。相对较小、简单与低执行的放大器便足够。减小电路面积与功率，并且更为简易地实现低输入补偿电压。

Description

用于直流至直流转换器的衰减放大器电路

相关申请案的交互参照

本申请案要求于2004年3月11日申请的美国临时申请第60/552,659号的优先权，在此合并参考其全部的意图与目的。

技术领域

本发明是关于衰减放大器(droop amplifier)，而特别是有关于容许使用相对较低效能、简单的放大器组件的衰减放大器电路。

背景技术

在某些型式的直流至直流调整器中，期望输出电压减少(或者″衰减″)是正比于其负载电流。典型地提供及配置一种衰减电路，用以感测与负载电流相关的输出参数，并且藉由提供相应的衰减电压用以控制其衰减量。可由接收直流至直流调整器的功率的负载的制造商来指定衰减量的规格。微处理器的制造商典型地针对低或无载以及满载状态之间的各种不同负载准位，指定来源电压准位的规格。例如，当微处理器达到预定高负载准位时，便指定来源电压的规格衰减至预定规格的电压准位(而且通常于其间衰减一正比量)。

传统的衰减放大器电路包含具有数种缺点的运算放大器或其相似物。放大器是被要求成为能够产生高速电流输出(di/dt)以及快速输出电压响应(dv/dt)的高速组件。多相直流至直流转换器的各相节点具有大规模与快速的电压转变，其会经由相应的电阻器反射至衰减放大器的反相输入端。相应于各相节点的每一如此转变，衰减放大器的输出端便必需经由反馈电容器而非常快速地传送大量的电流，藉以维持其反馈之用。因此，放大器必须在其输出端上能够传送非常高的di/dt才行。输出电压同样也会相应于负载状态而呈现快速的电压转变。例如，相应于负载电流准位大规模或者突然的增加，其输出电压会几乎瞬间地衰减。传统的衰减放大器的输出端必需尽快地响应如此的输出电压转变。因此，放大器的输出端必需产生快速电压转变(dv/dt)，藉以维持其衰减电压。

期望提供一种充分缓和衰减放大器要求的衰减放大器电路。

发明内容

根据本发明的一实施例，其是提供一种用于直流至直流调整器的衰减放大器电路，其中该衰减放大器电路是包含放大器、至少一个第一电阻性组件、第二电阻性组件、第三电阻性组件、以及第一电容性组件。该直流至直流调整器是包含至少一个连接在相应的相节点与输出端之间的输出电感器。各个第一电阻性组件连接在相应的输出电感器与放大器的非反相输入端之间。第一电容性组件连接在直流至直流调整器的输出端与放大器的输出端之间。第二电阻性组件连接在直流至直流调整器的输出端与放大器的反相输入端之间。第三电阻性组件连接在放大器的反相输入端与输出端之间。

典范的衰减放大器电路允许放大器的缓和需求。其放大器可以是一种低功率的放大器。在其输出端上可呈现出相对较低的di/dt以及dv/dt响应。可以是一种在高频下具有高输出阻抗的互导放大器。一般而言，对实现期望的结果而言，相对较小、简单以及低执行的放大器是充分足够的。因而减小电路面积与功率。相较于传统衰减放大器电路所需的放大器，更为简易地实现放大器的低输入补偿电压。

在一个实施例中，各个第一电阻性组件连接到直流至直流调整器的相应的相节点。在此一状况下，提供第二电容性组件用以实施直流至直流调整器输出端与放大器非反相输入端之间的连接。第四电阻性组件可与第二电容性组件并联连接。

在另一个实施例中，直流至直流调整器包含连接在各个输出电感器与直流至直流调整器输出端之间的电流感测电阻器。在此一状况下，各个第一电阻性组件连接至相应的电流感测节点。同样的是，可以提供第四电阻性组件用以连接在直流至直流调整器输出端与放大器非反相输入端之间。

根据本发明实施例的多相直流至直流转换器包含多切换电路、控制逻辑电路、以及衰减电路。基于相应的PWM信号，经由相应的相节点，各个开关切换电路会通过相应的输出电感器来进行驶入电压的切换，以在输出节点上产生输出电压。控制逻辑电路会监控输出电压和衰减电压，以产生PWM信号。衰减电路包含产生相对于输出节点的衰减电压的放大器、多个第一电阻器、第二与第三电阻器、以及第一电容器。各个第一电阻器连接于相应的输出电感器以及放大器的非反相输入端之间。第一电容器连接于输出节点以及放大器的输出端之间。第二电阻器连接于输出节点以及放大器的反相输入端之间。第三电阻器连接于放大器的反相输入端以及输出端之间。

在一个实施例中，各个第一电阻器可以连接至相应的相节点。在如此的状况下，第二电容器连接于输出节点以及放大器的非反相输入端之间。可以包含第四电阻器以与第二电容器并联连接。

在可替代的实施例中，多相直流至直流转换器包含多个电流感测电阻器，各个电流感测电阻器都连接在相应的输出电感器以及输出节点之间。在如此的状况下，各个第一电阻器可以连接至相应的电流感测节点，而不是相节点。同样，可以设置第四电阻器，并且将所述第四电阻器连接到输出节点以及放大器的非反相输入端之间。

具有输出电压衰减需求的负载可以连接到输出节点。在特定配置中，该负载为一微处理器。

附图说明

参照实施方式以及附图，会更为了解本发明的益处、特点、以及优点，于附图中：

图1为根据本发明一个实施例的多相降压模式脉波宽度调制(PWM)直流至直流调整器100的简化电路与方块图；

图2为根据先前技术所实现的传统衰减放大器电路的示意图；

图3为根据本发明典型实施例所实现的衰减放大器电路的示意图，此可以用来充当图1的衰减电路；

图4为根据本发明另一个典型实施例所实现的衰减放大器电路的示意图，此同样也可以用来充当图1的衰减电路；

图5为为根据本发明另一个典型实施例所实现的衰减放大器电路的示意图，此同样也可以用来充当图1的衰减电路；

图6为阐述将图3与4的衰减放大器电阻性连接至输出节点的可替代实施例示意图；以及

图7为阐述将图5的衰减放大器电阻性连接至输出节点的可替代实施例示意图。

主要组件符号说明

100                多相降压模式脉波宽度调制直流至直流调整器

101                PWM控制器或者控制逻辑电路

105                负载蓄积电容器

107                负载

109                衰减电路

200                衰减放大器电路

300                衰减放大器电路

400                衰减放大器电路

500                衰减放大器电路

601                节点

603                节点

PH1-PHN            相节点

R1、R2、...、RN    电阻器

A2                 放大器

RA                 电阻器

CA                 电容器

RB                 反馈电阻器

CB                 电容器

实施方式

提出以下的说明以便致使熟习该项技术者从事及使用本发明，如同在特殊应用与其需求的环境内所提供的。然而，对熟习该项技术者而言，较佳实施例各种不同的修改乃是明显的，而且在此所定义的通用原理可以应用于其它的实施例。因此，并不预期本发明会受限于在此所显示以及所说明的特殊实施例，而应与在此所揭示的原理以及新颖特点最广泛的范畴一致。

图1为根据本发明一个实施例所实现的多相降压模式脉波宽度调制(PWM)直流至直流调整器100的简化电路与方块图。调整器100包含一个PWM控制器或者控制逻辑电路101，其提供数字″N″的PWM信号PWM1、PWM2、...、PWMN给予形成调整器100N个信道的个别N栅极驱动器GD1、GD2、...、GDN。数字N为大于一的任意正整数。就第一个信道而言，提供PWM1信号给予栅极驱动器GD1，此控制一对电子式的电力切换组件或者开关Q11与Q12的导通及截止。特别的是，栅极驱动器GD1会产生供给上部(或者高侧)开关Q11控制端(例如，栅极)的上部栅极切换信号UG1，以及产生供给下部(或者低侧)开关Q12控制端(例如，栅极)的下部栅极切换信号LG1。

在所示的特殊配置中，将开关Q11与Q12描述为N-信道金属氧化物半导体的场效应晶体管(MOSFETs)，将其汲极-源极电流路径串联连接于一对电源供应网络(例如，VIN以及接地(GND))之间。其它型式的电子式切换组件乃是可预期的。开关Q11的汲极连接至VIN，而其源极则在相节点PH1上连接至开关Q12的源极。相节点PH1连接至输出电感器L1其中的一端点，其另一端点则连接至产生输出信号VOUT的共同输出节点VOUT。除非用不同的方式来指示，否则节点及其所产生的信号在此以相同的名称来称呼的。

以实质相同于第一信道的方式来配置调整器100所剩余的信道2-N。将PWM2(或PWMN)信号供给栅极驱动器GD2(或GDN)，其则会提供信号UG2以及LG2(或UGN以及LGN)，藉以驱动在相节点PH2(或PHN)上连接在一起的开关Q21与Q22(或QN1与QN2)。相节点PH2(或PHN)经由输出电感器L2(或LN)连接至VOUT。VOUT节点连接至负载蓄积电容器105，并且连接至负载107，此二者皆参考于电源供应网络(例如，GND)。负载107为任何一种型式的电路或者逻辑电路，诸如微处理器(μP)或其相似物。将VOUT信号反馈至控制电路101以及衰减电路109。衰减电路109会产生一个所要反馈至控制逻辑电路101的衰减电压VDROOP。调整器100的多相或信道并联连接在一起，藉以产生VOU信号。交替地促动各个信道的开关，藉以产生VOUT，而且各个相节点PH1-PHN会呈现出大规模及快速的转变。对多相的调整器100而言，各个信道包含分离的相节点以及输出电感器。

在某些涵盖直流至直流调整器100型式的直流至直流调整器中，输出电压VOUT需要正比于负载电流而下降(或者″衰减″)。配置衰减电路109用以感测与负载电流有关的输出参数，并且用以控制VOUT的衰减量。在如此的状况下，衰减电路100连接至各个信道共同显示为CSN信号的电流感测(CS)节点，并且产生VDROOP，藉以相应于负载状态，控制输出电压VOUT的″衰减″或减少量。在某些实施例中，如以下所要进一步说明的，尽管端视特殊配置而定，其它感测位置乃是可预期的，然而CSN信号为PH1-PHN信号。可藉由一个或者多个接收来自调整器100电力的负载组件的制造商来指定其衰减量规格。例如，调整器100会在所指定规格、诸如1伏特(V)的电压准位上产生VOUT信号，藉以在无载或者低载状态下提供来源电压给予微处理器，诸如汲取10安培(A)或者更小。由微处理器的制造商来指定VOUT信号的规格，藉以在微处理器达到预定高负载准位的时，能至预定规格的电压准位(并且通常衰减于其中间的正比量)。如其中的一范例，当微处理器汲取50A的高负载电流准位时，可指定VOUT规格下降至0.9V。在各种不同的负载状态下，意欲衰减电路109控制所指定规格的衰减量。

图2为根据先前技术所实现的传统衰减放大器电路200的电路图。所阐述的传统衰减放大器电路200实现为具有N相节点PH1-PHN的N-信道状况，而不是使用衰减电路109来实现传统的衰减方法。分别经由所相应的电阻器R1、R2、...、RN将相节点PH 1-PHN连接至放大器A1的反相输入端。放大器A1典型地为一种运算放大器或其相似物。反馈电容器C连接于放大器A1的反相输入端以及输出端之间，而VOUT则连接至放大器A1的非反相输入端。在此一简化的范例中，放大器A1的输出端会提供正极性(+)的VDROOP信号，而VOUT则会提供负极性(-)的VDROOP。

传统的衰减放大器电路200具有多个缺点，特别是与放大器A1有关的。放大器A1需要是一种能够产生高速电流输出(di/dt)以及快速输出电压响应(dv/dt)的高速组件。各个相节点PH1-PHN具有大规模并且快速经由所相应的电阻器R1-RN反射至放大器A1反相输入端的电压转变。相应于相节点每一个如此的转变，放大器A1的输出端便必须经由反馈电容器C非常快速地传送大量的电流，藉以维持其反馈。因此，放大器A1必需在输出端上能够传送非常高的di/dt。VOUT同样也会相应于负载的状态而呈现出快速的电压转变。例如，相应于负载功率消耗的大规模与突然增加，VOUT便会几乎瞬间地下降，诸如就负载电流准位伴随而来的即刻步级信号而言，从1V至0.9V。放大器A1的输出端必需尽快地针对VOUT的转变而响应。因此，放大器的输出端必需产生电压转变(dv/dt)，藉以维持其反馈，诸如藉以维持VDROOP于大约相同的准位上。

图3为根据本发明的一典型实施例所实现的衰减放大器电路300的电路图。在其中的一个典范实施例中，衰减放大器电路300用来充当衰减电路109。在此一状况下，相节点PH1-PHN分别经由所相应的电阻器R1、R2、...、RN连接至放大器A2的非反相输入端。放大器A2典型地为一种在高频下具有高输出阻抗的互导放大器或其相似物。VOUT经由电阻器RA连接至放大器A2的反相输入端。可替代的是，节点VOUT′用来连接至输出节点，其进一步地说明于下。电容器CA连接于放大器A2的非反相输入端以及VOUT之间。反馈电阻器RB连接于放大器A2的反相输入端以及输出端之间。电容器CB连接于VOUT以及放大器A2的输出端之间。放大器A2的输出端提供正极性(+)的VDROOP信号，而VOUT则提供负极性(-)的VDROOP。

藉由放大器A2非反相输入端上的输入电阻器R1-RN以及电容器CA的组合来缓和相节点PH1-PHN大规模及快速的转变。因此，放大器A2并不需要响应于快速电流的转变，致使实质减小di/dt的需求。放大器A2在高频下具有高输出阻抗。电容器CB会将VOUT的快速边缘连接至放大器A2的输出端，致使放大器A2不需要在其输出端上产生快速电压转变。因此，放大器A2输出端上的dv/dt需求便会实质地减小。以如此的方式，衰减放大器电路300并不需要快速放大器，致使相对较小、简单且低执行的放大器充分地实现所需的结果。电路面积以及功率便因而减小。相较于传统衰减放大器电路100的放大器A1，更为简易地实现放大器A2的低输入补偿电压。

图4为根据本发明另一个典范实施例所实现的衰减放大器电路400的电路图，其同样也可以用来充当衰减电路109。衰减放大器电路400实质地相似于衰减放大器电路300，其中相似的组件假设为相同的参考数字，而额外的电阻器RC连接于VOUT(VOUT′)以及放大器A2的非反相输入端之间。

图5为根据本发明另一个典范实施例所实现的衰减放大器电路500的电路图。其同样也可以用来充当衰减电路109。衰减放大器电路500实质地相似于衰减放大器电路400，其中相似的组件假设为相同的参考数字，而且其中将电容器CA移除。在如此的状况下，调整器100包含额外的感测电阻器RS1-RSN，连接于个别的输出电感器L-LN以及VOUT之间，如所示的。感测电阻器RS1-RSN乃是非常小数值的电阻器，诸如在10毫欧姆(mΩ)级数或其相似者。电阻器R1-RN连接至输出电感器L1-LN以及所相应的感测电阻器RS1-RSN之间的接面，其中的接面会形成CSN节点或信号。电阻器R1-RN为相对较高数值的电阻器，诸如10千欧姆(kΩ)级数或其相似者。对某些制造商而言，衰减放大器电路500乃是适用的，其中包含有感测电阻器RS1-RSN以为感测流经电感器L1-LN的负载电流之用。此致使电阻器R1-RN连接至输出电感器以及感测电阻器之间的中间接面。由于VOUT(或者VOUT′)信号的转变明显小于相节点的转变，因此电容器CA可以忽略。然而，在放大器的输出端上仍提供有CB。

图6为阐述用以将300与400的衰减放大器电阻性连接至输出节点可替代实施例的电路图，形成可替代的VOUT′节点。显示各个输出电感器L1-LN连接于所相应的节点601以及603之间，各对皆表示实际的位置或者个别输出电感器所要焊接至下方印刷电路板(PCB)的接点。各个节点601连接至个别的相节点PH1-PHN其中之一者，而节点603则共同地连接至VOUT。如同之前所说明的，相节点PH1-PHN会经由个别的电阻器R1-RN连接至放大器A2的非反相输入端。如同所示的，各个电阻器R1-RN皆连接至所相应的其中的一节点601，用以连接至所相应的输出电感器。由于在各个相节点以及其所相应的输出电感器之间流动的电流相对较高，诸如在数十安培的级数，因此，电阻器R1-RN至特定位置的连接便会减少误差，而所相应的输出电感器则会在其位置上焊接至PCB。电阻器R1-RN为相对较高数值的电阻器，诸如在10kΩ的级数或其相似者，如同之前所说明的。

另一组电阻RV1-RVN各个皆具有一个连接至所相应的其中之一输出电感器L1-LN所相应节点603的端点，以及连接用以形成VOUT′节点的另一个端点。在此一可替代实施例中，VOUT′节点替代地连接至电容器CA以及电阻器RA之间的接面，其并且形成VDROOP的负电压参考点，而非VOUT。电阻器RV1-RVN会减少或者消除VDROOP由输出电感器L1-LN与负载107之间的PCB轨迹电阻值所产生的任何误差。相较于较大电阻器R1-RN，电阻器RV1-RVN是相对较小数值的电阻器，诸如在10Ω的级数或其相似者。

图7为阐述用以电阻性连接衰减放大器500至输出节点可替代实施例的电路图，形成可替代的VOUT′节点。在如此的状况下，感测电阻器RS1-RSN各个皆会连接到所相应的其中的一多重节点701，各个皆代表实际的位置或者个别感测电阻器所要焊接至下方PCB的接点。各个电阻器RV1-RVN具有一个在其中的一个别节点701上连接至所相应其中之一感测电阻器RS1-RSN的端点，以及形成VOUT′节点的另一个端点。VOUT′节点替代地连接至电阻器RA，并且形成VDROOP的负电压参考点，而非VOUT。电阻器RV1-RVN会减小或者消除VDROOP由感测电阻器与负载107之间的PCB轨迹电阻值所产生的任何误差。再者，尽管感测电阻器RS1-RSN甚至更小，诸如在10mΩ的级数或其相似者，如同之前所说明的，然而电阻器RV1-RVN乃是相对较小数值的电阻器，诸如在10Ω的级数或其相似者。

尽管考虑参照某些较佳版本的细节而已经说明了本发明，然而其它的版本以及变体仍是有所可能亦且可预期的。例如，尽管阐述本发明为一种多相的直流至直流调整器，然而同样也可应用至其它型式的调整器，包含单相直流至直流调整器。熟习该项技术者应该察知的是，能够简易地使用所揭示的观念以及特定实施例来充当设计或者修改其它架构的基础，以为提出本发明相同目的之用，而不致违反权利要求所定义的本发明的精神及范畴。

Claims (20)

1.一种用于直流至直流调整器的衰减放大器电路，所述直流至直流调整器具有至少一个输出电感器，所述至少一个输出电感器连接在至少一个相节点中的相应相节点与一输出端之间，所述衰减放大器电路是包含：

放大器，具有反相输入端、非反相输入端与输出端；

至少一个第一电阻性组件，每个第一电阻性组件连接在相应输出电感器与所述放大器的非反相输入端之间；

第一电容性组件，连接在所述直流至直流调整器输出端与所述放大器的输出端之间；

第二电阻性组件，连接在所述直流至直流调整器输出端与所述放大器的反相输入端之间；以及

第三电阻性组件，连接在所述放大器的反相输入端与输出端之间。

2.如权利要求1所述的衰减放大器电路，其中所述至少一个第一电阻性组件中的每一个都连接到所述直流至直流调整器的相应相节点，所述衰减放大器电路进一步包含连接在所述直流至直流调整器输出端与所述放大器的非反相输入端之间的第二电容性组件。

3.如权利要求2所述的衰减放大器电路，进一步包含与所述第二电容性组件并联连接的第四电阻性组件。

4.如权利要求2所述的衰减放大器电路，进一步包含至少一个第四电阻性组件，所述至少一个第四电阻性组件中的每一个具有：第一端点，连接到所述至少一个输出电感器中相应一个的输出终端；第二端点，形成可替代输出节点，所述可替代输出节点连接到所述第一与第二电容性组件及第二电阻性组件，而替代直流至直流调整器的输出端。

5.如权利要求1所述的衰减放大器电路，所述直流至直流调整器包含至少一个电流感测电阻器，所述至少一个电流感测电阻器连接在相应输出电感器与所述直流至直流调整器的输出端之间，其中所述至少一个第一电阻性组件中的每一个都连接到相应的电流感测节点。

6.如权利要求5所述的衰减放大器电路，进一步包含连接在所述直流至直流调整器输出端与所述放大器的非反相输入端之间的第四电阻性组件。

7.如权利要求5所述的衰减放大器电路，进一步包含至少一个第四电阻性组件，所述至少一个第四电阻性组件中的每一个都具有：第一端点，连接到所述至少一个电流感测电阻器中相应一个的输出终端；第二端点，形成可替代输出节点，所述可替代输出节点连接到所述第一电容性组件及第二电阻性组件，以替代直流至直流调整器的输出端。

8.如权利要求1所述的衰减放大器电路，其中所述放大器包含低功率的放大器。

9.如权利要求1所述的衰减放大器电路，其中所述放大器呈现相对较低di/dt以及dv/dt的响应。

10.如权利要求1所述的衰减放大器电路，其中所述放大器包含在高频下具有高输出阻抗的互导放大器。

11.一种多相直流至直流转换器，其包含：

多个切换电路，每个切换电路基于多个脉波宽度调制PWM信号中相应一个PWM信号而经由多个相节点中相应一个相节点通过多个输出电感器中相应一个输出电感器来实施输入电压的切换，以在输出节点上产生输出电压；

控制逻辑电路，监控所述输出电压以及衰减电压，以产生所述多个PWM信号；以及

衰减电路，提供所述衰减电压，所述衰减电路包含：

放大器，具有反相输入端、非反相输入端与输出端，所述放大器产生相对于所述输出节点的所述衰减电压；

多个第一电阻器，每一个第一电阻器连接在相应的输出电感器与所述放大器的非反相输入端之间；

第一电容器，连接在所述输出节点与所述放大器的输出端之间；

第二电阻器，连接在所述输出节点与所述放大器的反相输入端之间；以及

第三电阻器，连接在所述放大器的反相输入端与输出端之间的。

12.如权利要求11所述的多相直流至直流转换器，其中所述多个第一电阻器中的每一个都连接到相应的相节点，所述多相直流至直流转换器进一步包含连接在所述输出节点以及所述放大器的非反相输入端之间的第二电容器。

13.如权利要求12所述的多相直流至直流转换器，进一步包含与所述第二电容器并联连接的第四电阻器。

14.如权利要求12所述的多相直流至直流转换器，进一步地包含多个第四电阻器，其中每一个第四电阻器具有：第一端点，连接到所述多个输出电感器中相应一个的输出终端；第二端点，形成可替代输出节点，所述可替代输出节点连接到所述第一与第二电容器及第二电阻器，以替代所述输出节点。

15.如权利要求11所述的多相直流至直流转换器，进一步包含：

多个电流感测电阻器，每一个电流感测电阻器连接在相应的输出电感器与所述输出节点之间，形成多个电流感测节点，每一个电流感测节点都位于相应的电流感测电阻器与相应的输出电感器之间；以及

其中所述多个第一电阻器中的每一个都连接到所述多个电流感测节点中相应的一个电流感测节点。

16.如权利要求15所述的多相直流至直流转换器，进一步包含连接在所述输出节点与所述放大器的非反相输入端之间的第四电阻器。

17.如权利要求15所述的多相直流至直流转换器，进一步包含多个第四电阻器，每一个第四电阻器都具有：第一端点，连接到所述电流感测电阻器中相应一个的输出终端；第二端点，形成可替代输出节点，所述可替代输出节点连接到所述第一电容器以及第二电阻器，以替代所述输出节点。

18.如权利要求11所述的多相直流至直流转换器，其中所述放大器包含低功率的放大器。

19.如权利要求11所述的多相直流至直流转换器，其中所述放大器呈现相对较低di/dt以及dv/dt的响应。

20.如权利要求11所述的多相直流至直流转换器，其中所述放大器包含在高频下具有高输出阻抗的互导放大器。

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