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TWI610529B - 切換電路、電源供應電路及包括其之電路配置、及用於切換電路中之方法 - Google Patents

切換電路、電源供應電路及包括其之電路配置、及用於切換電路中之方法 Download PDF

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TWI610529B
TWI610529B TW102135168A TW102135168A TWI610529B TW I610529 B TWI610529 B TW I610529B TW 102135168 A TW102135168 A TW 102135168A TW 102135168 A TW102135168 A TW 102135168A TW I610529 B TWI610529 B TW I610529B
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TW
Taiwan
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switch
primary
current
circuit
coupled
Prior art date
Application number
TW102135168A
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English (en)
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TW201424238A (zh
Inventor
泰瑞Ｌ 克萊夫藍
傑佛瑞Ｌ 丹
史考特 提爾波恩
Original Assignee
微晶片科技公司
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Filing date
Publication date
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Publication of TW201424238A publication Critical patent/TW201424238A/zh
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Abstract

本發明揭示一種切換電路，其包含：一變壓器，其具有一初級側及一次級側；一第一MOSFET切換器，其與該初級側耦合；一初級電流感測裝置；一第二MOSFET切換器，其與該次級側耦合；一次級電流感測裝置；及一控制電路，其用於驅動該第一MOSFET切換器及該第二MOSFET切換器，其中第一及第二切換器被互補地驅動且其中該第一MOSFFT切換器及該第二MOSFET切換器之切換係由該初級電流感測裝置及該次級電流感測裝置控制。

Description

切換電路、電源供應電路及包括其之電路配置、及用於切換電路中之方法 相關申請案之交叉參考
本申請案主張於2012年9月28日提出申請之第61/707,506號美國臨時申請案之權益，該美國臨時申請案如同完全陳述一般特此以全文方式併入本文中。本申請案係關於在2012年11月8日提出申請之共同讓與、同在申請中之序列號為13/671,953之美國專利申請案，該美國專利申請案主張於2011年11月11日提出申請之第61/558,616號美國臨時申請案之權益，該等申請案如同完全陳述一般特此以全文引用方式併入本文中。
本發明係關於切換模式電源供應器，特定而言係關於驅動一負載，且更特定而言係關於發光二極體(LED)之驅動及調光。
一種切換模式電源供應器(SMPS)用以經由一低通濾波器及使用一半導體裝置(諸如一功率電晶體(例如，一MOSFET))作為一切換器而將一恆定電壓提供至一負載。用以實施切換模式電源供應器之半導體切換器以高頻率(50kHz至數MHz)連續地接通及關斷以透過被動組件將電能自輸入轉移至輸出。
高輸入電源供應器之效率受初級MOSFET之切換損失限制。切換損失變成高輸入電壓應用(汽車、a/c、工業等)之主導損失。
另外，高頻率切換器產生實質電磁干擾(EMI)，此日益成為政府法規之主題。
根據一實施例，一種切換電路可包括：一變壓器，其具有一初級側及一次級側；一第一MOSFET切換器，其與該初級側耦合；一初級電流感測裝置；一第二MOSFET切換器，其與該次級側耦合；一次級電流感測裝置；及一控制電路，其用於驅動該第一MOSFET切換器及該第二MOSFET切換器，其中第一及第二切換器被互補地驅動且其中該第一MOSFET切換器及該第二MOSFET切換器之切換係由該初級電流感測裝置及該次級電流感測裝置控制。
根據另一實施例，該初級電流感測裝置及該次級電流感測裝置各自可包括耦合於一接地與該各別第一或第二MOSFET切換器之間的一分路電阻器。根據另一實施例，該切換電路可進一步包括耦合至該次級電流感測裝置之一電流感測放大器。根據另一實施例，該切換電路可進一步包括接收第一及第二電流感測信號且具有與該控制電路耦合之一輸出之一比較器。根據另一實施例，該控制電路可包括一脈寬調變器。根據實施例，一種電源供應電路包含：一控制電路；及一準諧振返馳式電路，其包含：一初級電路，其由一第一電晶體切換器控制且包含一第一電流感測裝置；一次級電路，其由一第二電晶體切換器控制且包含一第二電流感測裝置；及一變壓器，其具有一初級側及一次級側；其中該控制電路經組態以驅動該第一電晶體切換器及該第二電晶體切換器，其中該第一電晶體切換器及該第二電晶體切換器被互補地驅動且其中該第一電晶體切換器及該第二電晶體切換器之切換係經由該第一電流感測裝置及該第二電流感測裝置控制。
在某些實施例中，該初級電流感測裝置及該次級電流感測裝置各自包括耦合於一接地與該各別第一或第二電晶體切換器之間的一分 路電阻器。在某些實施例中，該電路進一步包含耦合至該第二電流感測裝置之一電流感測放大器。在某些實施例中，該電路包含接收第一及第二電流感測信號且具有與該控制電路耦合之一輸出之一比較器。在某些實施例中，該控制電路包含一脈寬調變器。
根據實施例，一種方法包含：藉助一初級切換器透過一返馳式變壓器將一輸出電容器充電，該返馳式變壓器及該初級切換器耦合至一電源；藉助一次級切換器透過該返馳式變壓器將該輸出電容器放電，該返馳式變壓器及該次級切換器耦合至該輸出電容器；感測該初級切換器之一電流；感測該次級切換器之一電流；及驅動該初級切換器及該次級切換器，其中該初級切換器及該次級切換器被互補地驅動且其中回應於感測該初級切換器及該次級切換器之該電流而控制該初級切換器及該次級切換器之切換。
在某些實施例中，使用耦合於一接地與該各別初級或次級切換器之間的分路電阻器來完成該初級切換器之該電流之該感測及該次級切換器之該電流之該感測。在某些實施例中，該方法進一步包含放大該次級切換器之一電流。在某些實施例中，驅動該初級切換器及該次級切換器包含使用一脈寬調變器來驅動該初級切換器及該次級切換器
在結合以下說明及隨附圖式考量時，將更佳地瞭解及理解本發明之此等及其他態樣。然而，應理解，儘管以下說明指示本發明之各種實施例及其眾多具體細節，但其係以圖解說明方式而非限制方式給出。可在不背離本發明之精神之情況下在本發明之範疇內做出諸多替換、修改、添加及/或重新配置，且本發明包含所有此等替換、修改、添加及/或重新配置。
100‧‧‧切換模式電源供應器/電路
102‧‧‧負載
104‧‧‧返馳式變壓器/變壓器繞組/變壓器
402‧‧‧放大濾波器電路/電路
404‧‧‧脈寬調變器
405‧‧‧去飽和比較器
406‧‧‧放大器/放大器電路
408‧‧‧放大器
410‧‧‧比較器
BD_2‧‧‧內接二極體
COUT‧‧‧輸出電容器/電容器
Desat-‧‧‧輸入
Desat+‧‧‧輸入
IP‧‧‧初級電路/電流
IS‧‧‧次級電路
ISN‧‧‧電流
IDIODE2‧‧‧二極體2電流
QP‧‧‧電晶體/SW1/切換器
QS‧‧‧電晶體/SW2
RP‧‧‧感測電阻器
RS‧‧‧感測電阻器
SW1‧‧‧金屬氧化物半導體場效應電晶體切換器/初級切換器
SW2‧‧‧金屬氧化物半導體場效應電晶體切換器
VREF‧‧‧傳統誤差放大器
VSW1‧‧‧控制驅動電壓
VSW2‧‧‧控制驅動電壓
包含伴隨且形成本說明書之部分之各圖式以繪示本發明之特定態樣。應注意，該等圖式中所圖解說明之特徵並非按比例繪製。藉由 參考結合隨附圖式之以下說明可獲取對本發明及其優點之一較完全理解，在該等圖式中相同元件符號指示相同特徵且其中：圖1展示高電壓LED驅動之一電路圖。
圖2展示正常準諧振模式之時序圖。
圖3展示同步準諧振模式之波形。
圖4展示一準諧振零伏特切換返馳式拓撲之較多細節。
圖5展示與圖4之電路圖相關聯之波形。
圖6展示根據一實施例之零伏特切換之一示意圖。
參考隨附圖式中所圖解說明及以下說明中所詳述之例示性(且因此非限制性)實施例，更全面地闡釋本發明及其各種特徵以及有利細節。然而，應瞭解，儘管詳細說明及具體實例指示較佳實施例，但其僅係以圖解說明方式而非以限制方式給出。可省略已知程式化技術、電腦軟體、硬體、操作平台及協定之說明以免不必要地在細節上模糊本發明。熟習此項技術者將自本發明明瞭在基本發明概念之精神及/或範疇內之各種替換、修改、添加及/或重新配置。
根據各種實施例，用於控制一負載之一裝置具有用於電壓定位之同步能力。藉由使用該裝置來控制反向電流而提供零電壓切換，藉此提高裝置效率且降低EMI。
更特定而言，一切換模式電源供應器(SMPS)架構可使用一同步SMPS設計以重新定位電壓用於調光LED。根據各種實施例，使用根據此一架構之同步切換器來裝載磁性裝置且使用反向能量來軟性切換MOSFET。軟性切換MOSFET顯著地提高效率且降低EMI。
圖1中展示驅動一負載102之一SMPS 100，該負載可體現為複數個發光二極體(LED)。電路100分別包含一對MOSFET切換器SW1、SW2、返馳式變壓器104、輸出電容器Cout及分別用於感測SW1、 SW2之輸出處之電流之感測電阻器Rp、Rs。
在正常準諧振模式中，在於SW1之汲極上偵測到振鈴波形之後接通初級切換器SW1。SW1上之振鈴係由於缺乏透過SW2之內接二極體(BD_2)將次級繞組箝位至Vout之磁化電流而由返馳式變壓器104之去磁化引起。
SW2提供供電流沿將COUT充電之「正常」方向流動之一路徑。在此情形中，在芯中之能量達到零時，SW2提供供COUT沿反向方向(反向電流)驅動該芯之一路徑。藉由沿反向方向操作返馳式變壓器104，可使用所儲存之此能量來將SW2汲極電壓重設或箝位至0V或低於接地之一個二極體壓降。此迫使SW1切換器之軟性切換，從而消除切換損失且顯著地降低由於MOSFET之切換電壓(硬性切換)而由高dv/dt引起之EMI。
圖2圖解說明圖1之電路之例示性波形。在於V_Drain上偵測到振鈴之後，SW1_Drive(表示圖1之Vext)驅動SW1接通。ISW1對應於IP或初級電流(圖1)。二極體2電流IDIODE2對應於ISN或次級電流(圖1)。
圖1之電路因此形成一準諧振返馳式轉換器。如將在下文更詳細地論述，實施例實施一同步準諧振電路。一般而言，高電壓拓撲並不受益於此同步操作。在適當時候迫使反向電流且關斷SW2係重要的，此需要各別電流感測及快速低偏移比較器。
根據各種實施例，一同步調光方法用於零伏特切換。添加同步切換器以定位用於LED調光之輸出電壓。該方法進一步用以產生用於多個LED串之一「方形」波電流驅動器。該同步切換器用以將來自所儲存輸出電容器之能量反向。該所儲存能量用以將初級FET上之電容放電。此導致零電壓切換，如圖3中所展示。
此各種實施例針對具有雙向或同步能力之可變頻率轉換器而運作。高輸入電壓、低至中功率應用接收最大益處。諸多同步拓撲可受 益於此概念(返馳式、升壓式、SEPIC、庫克(Cuk)等)。
圖4中展示圖1中所展示之實施例之一較詳細電路，特定而言關於電流感測。
所展示的係：一初級電路，其包含電晶體Qp；及一次級電路，其包含電晶體Qs；返馳式變壓器104；輸出電容器Cout；及感測電阻器Rp、Rs，其分別用於感測SW1(Qp)、SW2(Qs)之輸出處之電流。如所展示，比較初級電路(IP)及次級電路(IS)之電流感測，且將一所得控制信號饋送至一脈寬調變器PWM 404。隨後，PWM邏輯提供VSW1及VSW2控制驅動電壓。
在所圖解說明之實施例中，將來自Qp之電流Ip提供至比較器410。將來自Qs之電流IS提供至包含放大器406及408之放大濾波器電路402。放大器電路406用於增益電流感測信號，此乃因使用低值電阻器以保持效率為高的。放大器408用以使用一傳統誤差放大器VREF及來自放大器406之回饋信號來調節LED電流。
另外，一去飽和比較器405可將一QRS輸出提供至PWM 404用於偵測零變壓器能量(亦即，用以將電流反向以用於輸出電壓定位/零伏特切換)。
在圖4中之電路內指示在切換循環期間之正常電流流動。在接通SW1(Qp)時，電流流動通過變壓器繞組104通過電晶體Qp。電流Ip經接收作為至比較器410之一輸入。電容器Cout放電且啟動負載102。若在所耦合之電感器能量達到零之後SW2仍保持接通，則所耦合電感器沿反向方向儲存能量。其能量來自輸出電容器COUT。
圖5圖解說明根據圖4之實施例之電流流動。如所展示，Vsw1驅動控制SW1及自Ip至Is之轉換。PDRV(初級電晶體驅動信號)(圖6)用以在「接通」切換器Qp時將能量儲存於變壓器104中。在此時間期間，初級電流流動通過感測電阻器Rp。一旦達到所要初級峰值電 流，PDRV即關斷Qp且SDRV(次級電晶體驅動信號)(圖6)「接通」Qs。在此時間期間，變壓器104將電流提供至LED且將電荷補足至COUT中。在去飽和比較器405(圖4)之輸入desat+及desat-具有一0V差時，偵測到零變壓器能量。可將額外偏移或延遲添加至進入至變壓器104中之「反向」電流，從而允許電流透過同步切換器反向。此所儲存之能量用以在關斷Qs之後迫使電流流動通過Qp之內接二極體，從而跨越切換器Qp產生0V。在切換器汲極源極電壓已達到0V之後，PDRV信號接通Qp，從而消除切換損失且降低EMI。在接通Qp時，該循環自身重複直至達到所要峰值電流為止。
注意：在比較器410非反向電流斜波信號超過反向比較器410輸出時，達到該所要峰值電流。此係LED電流之調節迴路，獨立於準諧振比較器操作。
最後，圖6圖解說明一返馳式準諧振電路之一例示性實施方案。如所展示，可在一積體電路中實施電路402及PWM邏輯之功能。
各種實施例提供準諧振同步零伏特切換操作之以下益處：消除切換損失，其中最大影響係在於AC-DC或極高電壓輸入設計。顯著地降低EMI，此乃因甚至零電流切換拓撲亦引入一些雜訊。
雖然已關於其具體實施例來闡述本發明，但此等實施例僅係例示性的，且並非限制本發明。包含摘要及發明內容中之說明的本發明之所圖解說明實施例之本文中之說明並不意欲窮盡或將本發明限制於本文中所揭示之精確形式(且特定而言，摘要或發明內容內之任何特定實施例、特徵或功能之包含並不意欲將本發明之範疇限制於此實施例、特徵或功能)。而是，在不將本發明限制於任何特定闡述之實施例、特徵或功能(包含摘要或發明內容中所闡述之任何此實施例特徵或功能)之情況下，該說明意欲闡述說明性實施例、特徵或功能以便給熟習此項技術者提供上下文以理解本發明。
儘管僅出於說明性目的而在本文中闡述本發明之具體實施例及實例，但如熟習相關技術者將認識及瞭解到，在本發明之精神及範疇內之各種等效修改係可能的。如所指示，可根據本發明之所圖解說明實施例之前述說明對本發明做出此等修改，且此等修改將包含於本發明之精神及範疇內。因此，儘管本文中已參考其特定實施例來闡述本發明，但前述揭示內容中意欲涵蓋大量修改、各種改變及替代，且將瞭解，在某些例項中，在不背離如所闡述之本發明之範疇及精神之情況下，將在不對應使用其他特徵之情況下採用本發明之實施例之某些特徵。因此，可做出諸多修改以使一特定情形或材料適應本發明之基本範疇及精神。
貫穿本說明書提及「一項實施例」、「一實施例」或「一具體實施例」或類似術語意指結合實施例闡述之一特定特徵、結構或特性包含於至少一項實施例中且可不必呈現於所有實施例中。因此，貫穿本說明書在各處各別出現之片語「在一項實施例中」、「在一實施例中」或「在一具體實施例中」或類似術語未必指代同一實施例。此外，可以任何合適方式組合任何特定實施例之特定特徵、結構或特性與一或多個其他實施例。應理解，根據本文中之教示，本文中所闡述及所圖解說明之實施例之其他變化及修改係可能的，且將視為本發明之精神及範疇之部分。
在本文中之說明中，提供諸如組件及/或方法之實例之眾多具體細節以提供對本發明之實施例之一透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，可能夠在不具有一或多個具體細節或藉助其他設備、系統、總成、方法、組件、材料、部件及/或諸如此類之情況下實踐一實施例。在其他例項中，並不具體展示或詳細闡述眾所習知之結構、組件、系統、材料或操作，以避免模糊本發明之實施例之態樣。儘管可使用一特定實施例來圖解說明本發明，但此不會且並不將本發明限 制於任何特定實施例，且熟習此項技術者將認識到額外實施例可容易地理解且係本發明之一部分。
如本文中所使用，術語「包括(comprises，comprising)」、「包含(includes，including)」「具有(has，having)」或其任一其他變化意欲涵蓋一非排他性包含。舉例而言，包括一要素清單之一程序、產品、物件或設備未必僅限於彼等要素，而是可包含未明確列出之或此程序、產品、物件或設備所固有之其他要素。
此外，除非另外指示，否則如本文中所使用之術語「或」通常意指「及/或」。舉例而言，一條件A或B可藉由以下各項中之任一者來滿足：A為真(或存在)且B為假(或不存在)、A為假(或不存在)且B為真(或存在)及A與B兩者皆為真(或存在)。如本文中包含以下申請專利範圍所使用，除非申請專利範圍內另外明確地指示(亦即，提及「一(a或an)」明確地指示僅為單數或僅為複數)，否則冠以「一(a或an)」(及在前置基礎係「一(a或an)」時之「該(the)」)之一術語包含此術語之單數及複數兩者。此外，如本文中之說明所使用且貫穿以下申請專利範圍，除非上下文另外明確地指示，否則「在…中(in)」的含義包含「在…中(in)」及「在…上(on)」。
將瞭解，如根據一特定應用係有利的，圖式/圖中所繪示之元件中之一或多者亦可以一較分離或較整合方式實施，或甚至在特定情形中移除或使其不可操作。另外，除非另外具體說明，否則圖式/圖中之任何信號箭頭應視為僅係例示性的，而非限制性。
100‧‧‧切換模式電源供應器/電路
102‧‧‧負載
104‧‧‧返馳式變壓器/變壓器繞組/變壓器
BD_2‧‧‧內接二極體
COUT‧‧‧輸出電容器/電容器
IP‧‧‧初級電路/電流
ISN‧‧‧電流
RP‧‧‧感測電阻器
RS‧‧‧感測電阻器
SW1‧‧‧金屬氧化物半導體場效應電晶體切換器/初級切換器
SW2‧‧‧金屬氧化物半導體場效應電晶體切換器

Claims (20)

  1. 一種切換電路，其包括：一變壓器，其具有一初級繞組及一次級繞組，其中該次級繞組係與一負載耦合；一第一MOSFET切換器，其與該初級繞組耦合；一初級電流感測裝置，其經組態以在該第一MOSFET之一輸出處量測一電流；一第二MOSFET切換器，其與該次級繞組耦合；與該第二MOSFET串聯耦合之一次級電流感測裝置，其經組態以在該第二MOSFET之一輸出處量測一電流；一控制電路，其用於驅動該第一MOSFET切換器及該第二MOSFET切換器，其中該第一MOSFET切換器及該第二MOSFET切換器被互補地驅動，且其中比較來自該初級電流感測裝置及該次級電流感測裝置之信號，且將一所得控制信號饋送至產生用於該第一MOSFET切換器及該第二MOSFET切換器之驅動信號之一脈寬調變器。
  2. 如請求項1之切換電路，其中該初級電流感測裝置及該次級電流感測裝置各自包括耦合於一接地與該各別第一或第二MOSFET切換器之間的一分路電阻器。
  3. 如請求項2之切換電路，其進一步包括耦合至該次級電流感測裝置之一電流感測放大器。
  4. 如請求項3之切換電路，其進一步包括一比較器，該比較器接收第一及第二電流感測信號且具有與該控制電路耦合之一輸出。
  5. 如請求項4之切換電路，其中該控制電路包括一脈寬調變器。
  6. 如請求項3之切換電路，其中該電流感測放大器包括接續有一誤 差放大器之一增益放大器。
  7. 如請求項5之切換電路，其進一步包括一比較器，其比較在該第二MOSFET切換器之一汲極與一源極處之電壓且將一輸出信號轉發給該脈寬調變器。
  8. 一種電源供應電路，其包括：一控制電路；及一準諧振返馳式電路，其包含：一初級電路，其由一第一電晶體切換器控制且包含一第一電流感測裝置；一次級電路，其由一第二電晶體切換器控制且包含與該第二電晶體串聯耦合之一第二電流感測裝置；及一變壓器，其具有一初級繞組及一次級繞組，其中該初級繞組與該第一電晶體切換器耦合且該次級繞組與該第二電晶體切換器串聯耦合且與一負載串聯耦合；其中該控制電路經組態以驅動該第一電晶體切換器及該第二電晶體切換器，其中該第一電晶體切換器及該第二電晶體切換器被互補地驅動，且其中比較來自該第一電流感測裝置及該第二電流感測裝置之信號，且將一所得控制信號饋送至產生用於該第一電晶體切換器及該第二電晶體切換器之驅動信號之一脈寬調變器。
  9. 如請求項8之電源供應電路，其中該初級電流感測裝置及該次級電流感測裝置各自包括耦合於一接地與該各別第一或第二電晶體切換器之間的一分路電阻器。
  10. 如請求項9之電源供應電路，其進一步包括耦合至該第二電流感測裝置之一電流感測放大器。
  11. 如請求項10之電源供應電路，其進一步包括接收第一及第二電 流感測信號且具有與該控制電路耦合之一輸出之一比較器。
  12. 如請求項11之電源供應電路，其中該控制電路包括一脈寬調變器。
  13. 如請求項8之電源供應電路，其中該電流感測放大器包括接續有一誤差放大器之一增益放大器。
  14. 如請求項12之電源供應電路，其進一步包括一比較器，其比較在該第二電晶體切換器之一汲極與一源極處之電壓且將一輸出信號轉發給該脈寬調變器。
  15. 一種用於一切換電路中之方法，其包括：藉助一初級切換器透過一返馳式變壓器之一次級繞組將一輸出電容器充電，其中該返馳式變壓器之一初級繞組及該初級切換器耦合至一電源；藉助一次級切換器透過該返馳式變壓器之該次級繞組將該輸出電容器放電至一負載，其中該返馳式變壓器之該次級繞組及該次級切換器耦合至該輸出電容器及該負載；感測該初級切換器之一電流；感測該次級切換器之一電流；及比較一第一電流感測信號及一第二電流感測信號且將一所得控制信號饋送至產生用於該初級切換器及該次級切換器之驅動信號之一脈寬調變器；及以該等驅動信號驅動該初級切換器及該次級切換器，其中該初級切換器及該次級切換器被互補地驅動。
  16. 如請求項15之方法，其中使用耦合於一接地與該各別初級或次級切換器之間的分路電阻器來完成該初級切換器之該電流之該感測及該次級切換器之該電流之該感測。
  17. 如請求項16之方法，其進一步包括放大該次級切換器之一電 流。
  18. 如請求項17之方法，進一步其中驅動該初級切換器及該次級切換器包括：使用一脈寬調變器來驅動該初級切換器及該次級切換器。
  19. 如請求項15之方法，其中該返馳式變壓器之該次級繞組驅動形成該負載之一多LED串。
  20. 一種電路配置，其包括如請求項8之一電源供應電路，其中該次級繞組提供用於該負載之電源。
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