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    因为喜欢,所以热爱;因为热爱,所以坚持!电源网创始人兰波首次跨界创作,在星球号发表电源技术文章,详细分享了关于一款3843低压反激电源电路波形的分解分析。文章内容详实,图文并茂。兰总用行动告诉我们:热爱可迎万难!

    系列专题《一款3843低压反激电源电路波形分解分析》点击文末“阅读原文”查看,专题还在持续更新中!

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    我们来研究一个3843做的低压反激电源,我用低压主要是为了安全,而且方便测试。低压整明白后我们再玩高压。电路图如下:

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    为了更好的消化电路工作原理,我计划把电路分解,分别搭建并测试波形。

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    实验一

    一、我把滤波电路、变压器部分全部去掉、mos的漏极悬空,看看启动情况:

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    1、我们来看看IC启动时的工作状态。我测IC的7脚(黄色)和4脚(青色),上电后得到下面4张波形。第1张图是10ms的,为整体波形;第2张1ms,是放大的局部波形;第3、4张50us,继续放大,此时第4脚震荡的始末看得清清楚楚。

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    我们知道UC3843的启动电压为8.5V+,关闭电压为7.6V。30V的VCC经过R1给C8充电,电压逐步上升,达到8.5V后,3843开始工作。3843工作后,消耗C8的电量,电压下降,低于7.6V后IC停止工作。C8又开始充电,电压开始上升,再次达到8.5V,周而复始。

    【新手坑】因为这个是IC的启动电路,本来就是让IC工作一会就行,因为启动后,变压器的辅助绕组会取代C8给IC供电。我当初特别不明白的是:所有的资料都强调3843的7脚启动电压,这个IC的7脚明明是和R5,R3并联的呀,电压肯定够呀?要那个C8干啥呀?去了C8还不启动,真奇怪。其实,3843要工作,需要一定的工作电流的,大概10mA左右。30V经过R1,电流直接被拉到3mA了,IC根本不能工作。其实C8的作用是存储和释放让3842能工作的电流更加确切。

    2、接着,我测IC的4脚(黄色)、6脚(青色),mos的G极(紫色),看看4脚的震荡锯齿波、6脚的PWM控制波、mos的G极控制波如何协同工作的:

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    我发现在这种电路情况下,PWM的占空比非常高,在90%左右。另外IC的6脚输出电压和mos的G极电压是一致的,说明22Ω的R7上面没有压降。

    3、然后,我测IC的4脚(黄色)、3脚(青色)、2脚(紫色)、6脚(蓝色) ,看看电压、电流反馈脚是如何协同工作的:

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    因为3843的2脚(FB)高于2.5V或者3脚(Isense)电压高于1V,就会让PWM变成低电平,关断mos。上面这个波形可以看出,此局部电路状态下,2脚(紫色)和3脚(青色)都远低于2.5V和1V,PWM一直工作在最大的占空比状态下。

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    实验二

    二、把上面电路图的mos源极直接连上电路输入端VCC,看看mos工作状态和过流保护。

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    1、看看这种电路下IC的启动状态。我测IC的7脚(黄色)和4脚(青色),上电后得到下面4张波形。第1张图10ms,为整体波形;第2张1ms,为放大的局部波形;第3张50us,为起振的开始波形,第4张50u,为起振结束波形。我们对比发现,和实验一相比,IC的启动和工作周期都差不多,不过电容电压波动变小了一些,震荡波也不是那么干净了。

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    2、继续测3843的4脚(黄色)、6脚(蓝色)。我们惊奇的发现:这种电路条件下,6脚的PWM波型大部分处于低电平状态,mos大部分时间处于关闭状态。我们发现mos刚被开通,马上就被关闭了。

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    3、到底什么原因呢?我们知道3842是通过2脚(FB)电压反馈和3脚(Isense)电流反馈来控制PWM输出的。首先,我们先看看FB的影响:下图是4脚(黄色)、6脚(青色),2脚(紫色 )的波型。时间刻度是1uS。我们看到PWM高电平刚起来,FB就达到了2.8V,关闭了高电平。

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    然后,我们再看看下图:黄青色还是4、6脚波形,紫色为3脚(Isense)的波形。可以看到mos被打开那一瞬间,3脚的电压也超过了1V,随后下降。

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    那到底是3脚关了mos还是2脚关了mos呢?到现在还看不明白,以后再分析。

    4、接下来我们看看mos的工作状态如何。我测mos的D极(青色),mos的G极(紫色)得到如下波形:可以看到mos开通正常,但在关闭的时候不太干净,有一些抖动。

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    我们可以得出结论,在此电路状态下,3843输出最小占空比。mos管大部分时间处于关闭状态。不过有个不好的情况发生,我发现mos管的温度比较高,我初步判断是mos关闭不干净造成的原因。

    接下来我们会继续做实验,逐步把变压器初级绕组安装上、辅助绕组安装上、次级绕组部分的电路安装上,分别做实验。

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  • 本文开关电源工作原理是开关电源工程师全力整理的原理分析,以丰富的开关电源案例分析,介绍单端正激式开关电源、自激式开关电源、推挽式开关电源、降压式开关电源、升压式开关电源和反转式开关电源。随着全球对能源...

    本文开关电源工作原理是开关电源工程师全力整理的原理分析,以丰富的开关电源案例分析,介绍单端正激式开关电源、自激式开关电源、推挽式开关电源、降压式开关电源、升压式开关电源和反转式开关电源。

    随着全球对能源问题的重视,电子产品的耗能问题将愈来愈突出,如何降低其待机功耗,提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠,但它存在着效率低(只有40%~50%)、体积大、铜铁消耗量大,工作温度高及调整范围小等缺点。

    为了提高效率,人们研制出了开关式稳压电源,它的效率可达85%以上,稳压范围宽,除此之外,还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点,是一种较理想的稳压电源。正因为如此,开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中,本文对各类开关电源的工作原理作一阐述。

    开关式稳压电源的基本工作原理

    开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

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    调宽式开关稳压电源的基本原理

    对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高,直流平均电压为U。可由公式计算,即Uo=Um×T1/T,式中Um为矩形脉冲最大电压值,T为矩形脉冲周期,T1为矩形脉冲宽度。

    从上式可以看出,当Um与T不变时,直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。

    开关式稳压电源的原理电路

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    开关电源基本电路框图

    交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

    控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

    单端反激式开关电源

    单端反激式开关电源的典型电路如下图所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

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    单端反激式开关电源

    单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20~100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。

    唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20~200kHz之间。

    单端正激式开关电源

    单端正激式开关电源的典型电路如下图所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

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    单端正激式开关电源

    在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件,即磁通建立和复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。

    由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50~200W的功率。电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。

    自激式开关稳压电源

    自激式开关稳压电源的典型电路如下图所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。

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    自激式开关稳压电源

    当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2中感应出使VT1基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1很快饱和。

    与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic开始减小,在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压,使VT1迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。

    在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

    自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。

    推挽式开关电源

    推挽式开关电源的典型电路如下图所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。

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    推挽式开关电源

    这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大,一般在100~500W范围内。

    降压式开关电源

    降压式开关电源的典型电路如下图所示。当开关管VT1导通时,二极管VD1截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

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    降压式开关电源

    这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

    升压式开关电源

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    升压式开关电源

    升压式开关电源的稳压电路如上图所示。当开关管VT1导通时,电感L储存能量。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。

    反转式开关电源

    反转式开关电源的典型电路如下图所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。

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    反转式开关电源

    当开关管VT1导通时,电感L储存能量,二极管VD1截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。

    以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型,在实际应用中,会有各种各样的实际控制电路,但无论怎样,也都是在这些基础上发展出来的。

    - END -

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    一:反激式开关电源

    1.1 反激开关电源

    反激式开关电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电源。“反激”指的是在开关管接通的情况下,当输入为高电平时输出线路中串联的电感为放电状态;相反,在开关管断开的情况下,当输入为高电平时输出线路中的串联的电感为充电状态。
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    1.2 工作原理

    工作原理:
    变压器的一次和二次绕组的极性相反,这大概也是 Flyback 名字的由来:
    a. 当开关管导通时,变压器原边电感电流开始上升,此时由于次级同名端的关系,输出二极管截止,变压器储存能量,负载由输出电容提供能量。
    b. 当开关管截止时,变压器原边电感感应电压反向,此时输出二极管导通,变压器中的能量经由输出二极管向负载供电,同时对电容充电,补充刚刚损失的能量。

    1.3 反激电路的演变

    可以看作是隔离的 Buck/Boost 电路:

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    在反激电路中,输出变压器 T 除了实现电隔离和电压匹配之外,还有储存能量的作用,前者是变压器的属性,后者是电感的属性,因此有人称其为电感变压器,有时我也叫他异步电感。

    二:正激式开关电源

    2.1 正激式开关电源

    正激式开关电源是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时,变压器的次级线圈正好有功率输出。
    正激式开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性,相对来说比较好,因此,工作比较稳定,输出电压不容易产生抖动,在一些对输出电压参数要求比较高的场合,经常使用。
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    单端正激式:
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    双管正激式:
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    由上三张图可知,反激的变压器可以看作一个带变压功能的电感,是一个 buck-boost 电路。正激的变压器是只有变压功能,整体可以看成一个带变压器的 buck 电路。二次侧接第一个整流二极管的负端接电解电容的是反击,接电感的是正激。
    总地来说,正激反激工作原理不同,正激是初级工作次级也工作,次级不工作有续流电感续流,一般是 CCM 模式。功率因数一般不高,而且输入输出和变比占空比成比例。反激是初级工作,次级不工作,两边独立开来,一般 DCM 模式下,理论上是单位功率因数,但是变压器的电感会比较小,而且需要加气隙,所以一般适合中小功率情况 . 一般的电源书都会有具体的介绍和设计公式。
    正激变压器是理想的,不储能,但是由于励磁电感(Lp)是有限值,励磁电流使得磁芯 B 会大,为避免磁通饱和,变压需要辅助绕组进行磁通复位;反激变压器工作形式可以看做耦合电感;电感先储能,再放能。由于反激变压器的输入、输出电压极性相反,固当开关管断开之后,次级可以提供磁芯一个复位电压,因而反激变压器不需额外增加磁通复位绕组。

    三:区别

    3.1 主要区别

    正激反激主要区别在高频变压器的工作方式不同但他们在同一象限上。正激是当变压器原边开关管导通时同时能量被传递到负载上,当开关管截止是变压器的能量要通过磁复位电路去磁。
    反激是和正激相反,当原边开关管导通时给变压器存储能量。但能量不会加在负载上,当开关管截止时,变压器的能量释放到负载侧。正激开关电源,后面多的那个二级管是续流二级管,一般输出部分还会多加一个储能电感,正激和反激最重要的区别是变压器初次级的相位是反相的。

    3.2 最大区别

    正激与反激的工作最大区别是,当开关管关断时,正激的输出主要靠储能电感和续流二级管来维持输出,而反激的输出主要靠变压器次级释放能量来维持输出。正激电路不宜做多路输出,正激电路要用脉宽调整做稳压必须在次极整流以后串电感,不然输出电压主要由输入决定,与脉宽影响不大,脉宽只影响输出纹波。如用正激电路做多路输出原理上存在的问题:如每路输出不用电感,那么对输入变化没有稳压作用,且没有开关电源应有的安全性。如果每路加电感:那么输出电压在理论上与负载大小有关,不参与反馈的回路就不正。 
    反激电路在原理上就适合多路输出稳压。反激电路首先储能,后把能量按各路的电压比率供应给每一路,先可以认为每路的输出比例是不变的(实际有误差看下面),按电流谁需要多给谁多的原则分配。 
    关于反馈
    被反馈的这一路总是很准的因为就是按找他来反馈的,但反馈的一路一定要有一点负载。不然会加大输出各路间的不平衡。可以用多路加权来进行反馈,就可以使误差的矢量和为零,通俗点让误差在各路间均衡,哪路的权重大,哪路的精度就高。变压器遵守各个瞬态电压比等于线圈比,这是理解中用得最多的一个条件。

    四:关于开关电源

    4.1 原理区别

    正激式是开关管导通时变压器次级电路工作,反激式是开关管截止时变压器次级电路工作(开关截止,主级能量传递给次级,次级工作开关闭合,主级电感线圈存储能量)。
    正激式开关电源输出必需有续流二极管而反激式没有(它们的变压器绕法也不一样)。
    反激式变压器初次极工作时间相反而正激式初次极工作时间相同。
    正激跟反激相比最大的问题的用的器件更多,虽然好像没多几个,但都是必不可少,而且成本都是很高的。电路比反激式变压器开关电源多用一个大储能滤波电感,以及一个续流二极管。
    正激式变压器开关电源输出电压受占空比的调制幅度,相对于反激式变压器开关电源来说要低很多,因此,正激式变压器开关电源要求调控占空比的误差信号幅度比较高,误差信号放大器的增益和动态范围也比较大。
    正激式变压器开关电源为了减少变压器的励磁电流,提高工作效率,变压器的伏秒容量一般都取得比较大,并且为了防止变压器初级线圈产生的反电动势把开关管击穿,正激式变压器开关电源的变压器要比反激式变压器开关电源的变压器多一个反电动势吸收绕组,因此,正激式变压器开关电源的变压器的体积要比反激式变压器开关电源的变压器的体积大。
    正激式变压器开关电源还有一个更大的缺点是在控制开关关断时,变压器初级线圈产生的反电动势电压要比反激式变压器开关电源产生的反电动势电压高。因为一般正激式变压器开关电源工作时,控制开关的占空比都取在 0.5 左右,而反激式变压器开关电源控制开关的占空比都取得比较小。

    4.2 应用区别

    正激式变压器不蓄积能量,只担负偶合传输,反激式变压器需把开通过程中的能量蓄积在本身,关断过程中再释放:
    正激式绕组同相位,反激式绕组反相;
    正激式变压器不用调节电感值,反激式需调节。
    正激式工作存在剩磁为防饱和需消磁电路,本身不蓄能需要蓄能线圈和续流二极管,反激式不用。 
    反激主要用在 150-200 瓦以下的情况,正激则用在 150w 到几百瓦之间。
    之所以反激更广范就是因为我们日常中 100w 以下的电源比较常见,应用比较常见,所以也就比较广泛啦。
    原理就是一个通过储能再通过变比进行变压的,一个是直接通过变比进行变压的。正激初级绕组同名端都是正极所以叫正激,反激一个在正,一个在负所以叫反激。
    反激式可做小功率,成本低,调试相对简单些,所以在小功率电源中常用。
    它们的区别: 主变压器方面, 正激的需增加消磁绕组,当然也有的用增加两个二极管在主绕组进行消磁,无论如何正激电源必须增加消磁回路。反激不用增加输出储能电感,因为能量能储存在次级线圈中 ,正激须增加输出储能电感,且整流部分需增加续流二极管。

    note:本文为在原文的基础上收集整理,尊重版权,附上原文地址:反激式电源

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    实际上,第2种接法在反激电路中比较常见,这是由于反激电路一般都出于效率考虑,电路通常工作于断续模式,驱动占空比比较小,对应光耦电流Ic比较大,参考以上分析可知,闭环环路也比较容易稳定。

    以下是另外一个实验反激电路,工作在断续模式,实际测得其光耦4脚电压波形,如图12所示。实际测得的驱动信号波形,如图13所示,占空比约为0.2。

    因此,在光耦反馈设计中,除了要根据光耦的特性参数来设置其外围参数外,还应该知道,不同占空比下对反馈方式的选取也是有限制的。反馈方式1、3适用于任何占空比情况,而反馈方式2、4比较适合于在占空比比较小的场合使用。

    3、结束语

    本研究列举了4种典型光耦反馈接法,分析了各种接法下光耦反馈的原理以及各种限制因素,对比了各种接法的不同点。通过实际半桥和反激电路测试,验证了电路工作的占空比对反馈方式选取的限制。最后对光耦反馈进行总结,对今后的光耦反馈设计具有一定的参考价值。

    通常光耦与TL431一起使用。下面是LED电源驱动芯片(开关电源芯片)TMG0321/TMG0165/TMG0265/TMG03655的部分电路。两电阻串联取样到431R端与内部比较器进行比较。然后根据比出的信号再控制431K端(阳极接光耦那一端)对地的电阻,然后达到控制光耦内部发光二极管的亮度。(光耦内部一边是一发光二极管,一边是一光敏三极管)通过发光的强度。控制另一端三极管的CE端的电阻也就是改变了led电源驱动芯片(开关电源芯片)TMG0321/TMG0165/TMG0265/TMG0365检测脚的电流(1脚:电压反馈引脚,通过连接光耦到地来调整占控比)。根据电流的大小,led电源驱动芯片(开关电源芯片)TMG0321/TMG0165/TMG0265/TMG0365就会自动调整输出信号的占空比,达到稳压的目的。

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