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CN104578768B - 一种直流电源及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种直流电源及其工作方法，涉及电子电路领域，能在保持较高电源效率的同时快速跟踪负载电流的变化。该电源包括控制器和至少两个开关电源部，所述至少两个开关电源部的输出端彼此相连，所述控制器分别与各所述开关电源部相连；所述至少两个开关电源部中包括具有第一输出电感的快速开关电源部和具有第二输出电感的高效开关电源部，所述第一输出电感小于所述第二输出电感；所述控制器，用于根据输出电流的变化率控制所述至少两个开关电源部，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于规定值时，通过所述快速开关电源部对外提供输出电压，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，通过所述高效开关电源部对外提供输出电压。

Description

一种直流电源及其工作方法
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种直流电源及其工作方法。
背景技术
开关电源以其效率高、体积小的优势在电子设备的供电电源中占据了主导的地位，尤其是在较大功率的应用场合。而随着一些电子设备如CPU（central processingunit，中央处理器）、FPGA（field-programmable gate array,现场可编程门阵列）的快速更新换代，要求对其供电的电源电压越来越低，电流越来越大，电流动态变化率越来越高。英特尔公司（Intel）最新的CPU的动态电流变化率甚至超过了100A/us，这对开关电源的应用提出了新的挑战。
对于传统降压型开关电源，需要通过低频滤波器将高压的开关电压源信号滤成平稳的低压电源输出。此低频滤波器通常由无源的功率电感和电容组成，功率电感的大小决定了开关电源输出电流的变化率。较小的电感值能提高开关电源的电流响应速度，但会带来较大纹波电流，从而使开关管、电感的损耗增加，降低电源的效率。较大的电感值能提高电源的效率，但会降低开关电源的电流响应速度。
当前的主要解决方案是靠大量的输出电容承担动态电流，降低对电感电流快速响应的要求，但这使得电源体积过大和可靠性降低。也有采用开关电源与线性电源并联的方案，使开关电源工作在较低的带宽，而线性电源工作在较高的带宽，在大的电流变化率时，由线性电源提供主要的电流，以此提高整个电源的动态响应速度。然而线性调节器本身效率较低，且在稳态下也需要保持静态工作，所以也影响了电源的效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种直流电源及其工作方法,能够在保持较高电源效率的同时快速跟踪负载电流的变化。
为达上述目的，本发明提供一种直流电源，包括控制器和至少两个开关电源部，所述至少两个开关电源部的输出端彼此相连，所述控制器分别与各所述开关电源部相连；所述至少两个开关电源部中包括具有第一输出电感的快速开关电源部和具有第二输出电感的高效开关电源部，所述第一输出电感小于所述第二输出电感；所述至少两个开关电源部，用于在所述控制器的控制下共同对外提供输出电压；所述控制器，用于根据输出电流的变化率控制所述至少两个开关电源部，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于规定值时，通过所述快速开关电源部对外提供输出电压，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，通过所述高效开关电源部对外提供输出电压。
具体地，每个所述开关电源部包括输出电感，所述输出电感的一端通过接电开关接输入电源，并通过接地开关接地，所述输出电感的另一端接输出电容；所述控制器具体包括：检测单元，用于检测所述输出电流的变化率；控制单元，用于当所述检测单元检测的所述输出电流的变化率的绝对值大于所述规定值时，控制所述快速开关电源部的接电开关和接地开关按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开；当所述检测单元检测的输出电流变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，控制所述高效开关电源部的接电开关和接地开关按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开。
进一步地，所述控制单元，还用于当所述检测单元检测的输出电流的变化率为正且绝对值大于所述规定值时，将所述高效开关电源部的接电开关闭合，接地开关断开；当所述检测单元检测的输出电流的变化率为负且绝对值大于所述规定值时，将所述高效开关电源部的接电开关断开，接地开关闭合；当所述检测单元检测的输出电流的变化率的绝对值小于所述规定值时，将所述快速开关电源部的接电开关和接地开关都断开。
可选的，所述脉宽调制包括固定导通时间调制或滞环调制。
可选的，所述快速开关电源部的接电开关和接地开关的开关频率大于所述高效开关电源部的接电开关和接地开关的开关频率。
可选的，所述快速开关电源部的接电开关和接地开关的开关频率大于所述高效开关电源部的接电开关和接地开关的开关频率的2倍。
可选的，所述快速开关电源部的输出电感的电感值小于所述高效开关电源部的输出电感的电感值的二分之一。
优选的，所述快速开关电源部的输出电感的电感值是所述高效开关电源部的输出电感的电感值的十分之一。
另一方面，本发明还提供前述直流电源的一种工作方法，包括：
检测所述输出电流的变化率；
根据所述输出电流的变化率控制所述至少两个开关电源部，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于所述规定值时，通过所述快速开关电源部对外提供输出电压，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，通过所述高效开关电源部对外提供输出电压。
具体的，所述根据所述输出电流的变化率控制所述至少两个开关电源部，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于规定值时，通过所述快速开关电源部对外提供输出电压，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，通过所述高效开关电源部对外提供输出电压具体包括：当所述检测单元检测的所述输出电流的变化率的绝对值大于所述规定值时，控制所述快速开关电源部的接电开关和接地开关按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开；当所述检测单元检测的电流变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，控制所述高效开关电源部的接电开关和接地开关按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开；其中，每个所述开关电源部的输出电感的一端通过接电开关接输入电源，并通过接地开关接地，另一端接输出电容。
进一步的，所述方法还包括：当所述输出电流的变化率为正且绝对值大于所述规定值时，将所述高效开关电源部的接电开关闭合，接地开关断开；当所述输出电流的变化率为负且绝对值大于所述规定值时，将所述高效开关电源部的接电开关断开，接地开关闭合；当所述输出电流的变化率的绝对值小于所述规定值时，将所述快速开关电源部的接电开关和接地开关都断开。
本发明提供的直流电源及其工作方法，能够根据输出电流的变化率控制每个开关电源部，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于预定值时，使用动态响应较快的快速开关电源部对外提供输出电压，从而使输出电流能够快速地跟踪负载电流的变化，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述预定值时，使用动态响应较慢但效率较高的高效开关电源部对外提供输出电压，从而能以较高的效率驱动负载，因此，从整体上看，能够在保持较高电源效率的同时快速跟踪负载电流的变化。
附图说明
图1是本发明的实施例提供的直流电源的一种电路结构示意图；
图2是本发明的实施例提供的直流电源的另一种电路结构示意图；
图3是本发明的实施例提供的直流电源的另一种电路结构示意图；
图4是本发明的实施例提供的开关电源的工作方法的一种流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示,本发明的实施例提供一种直流电源，包括控制器1和至少两个开关电源部2，所述至少两个开关电源部2的输出端彼此相连形成公共输出端out，所述控制器1分别与各所述开关电源部2相连；所述至少两个开关电源部2中包括具有第一输出电感的快速开关电源部21和具有第二输出电感的高效开关电源部22，所述第一输出电感小于所述第二输出电感。至少两个开关电源部2，用于在控制器1的控制下共同对外提供输出电压；控制器1，用于根据输出电流的变化率控制至少两个开关电源部2，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于规定值时，通过快速开关电源部21对外提供输出电压，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，通过高效开关电源部22对外提供输出电压。
本发明提供的直流电源，包括多个开关电源部2，且这些开关电源部2中的输出电感不都相等，控制器1能够根据输出电流的变化率控制每个开关电源部2，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于预定值时，使用动态响应较快的快速开关电源部21对外提供输出电压，从而使输出电流能够快速地跟踪负载电流的变化，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述预定值时，使用动态响应较慢但效率较高的高效开关电源部22对外提供输出电压，从而能以较高的效率驱动负载，因此，从整体上看，本发明提供的直流电源能够在保持较高电源效率的同时快速跟踪负载电流的变化。
输出电感的电感值的大小决定着开关电源部2的电源效率和对输出的响应速度。因此，本实施例中，快速开关电源部21中的输出电感的电感值较小，而高效开关电源部22中的输出电感的电感值较大。例如，快速开关电源部21的输出电感的电感值可以小于高效开关电源部22的输出电感的电感值的二分之一。优选的，快速开关电源部21的输出电感的电感值可以是高效开关电源部22的输出电感的电感值的十分之一。
开关电源部2是通过控制开关闭合和断开的时间比率来维持稳定输出电压的。具体而言，直流电源的一种结构可如图2所示。其中，每个所述开关电源部2都包括输出电感L，输出电感L的一端通过接电开关T1接输入电源3，并通过接地开关T2接地，输出电感L的另一端接输出电容C。控制器1具体可包括：检测单元11，用于检测所述输出电流的变化率；控制单元12，用于当检测单元11检测的所述输出电流的变化率的绝对值大于所述规定值时，控制快速开关电源部21的接电开关T1和接地开关T2按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开；当检测单元11检测的输出电流变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，控制高效开关电源部22的接电开关T1和接地开关T2按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开。
需要说明的是，开关电源部2需要对外提供一个稳定的直流电压，因此检测单元11对输出电流的采集也是为了以此为依据来调节开关电源部2，以使输出电容C上的输出电压稳定。根据基本电学知识可知，在输出电容C上，电压的变化是滞后于电流的变化的，因此，用输出电流的变化来预测输出电压的变化，能够提前获知输出电压的变化趋势，从而对即将变化的输出电压进行及时的调节。当输出电流的变化率的绝对值大于规定值时，说明此时输出电流变化较快，应该使用快速开关电源部21对外输出电压，当输出电流的变化率的绝对值小于或等于该规定值时，说明此时输出电流变化较慢，应该使用高效开关电源部21对外提供输出电压。
具体的，开关电源部2的接电开关T1和接地开关T2可以为具有导通和断开功能的各种开关，如晶体管等。通过控制这些开关交替导通与断开，开关电源部2能够将输入电源3输出的电压“斩波”，即把输入电源3输出的直流电压斩成幅值等于该输出电压幅值的脉冲电压。脉冲的占空比可以由控制器1来调节，这些脉冲电压经过输出电感L和输出电容C的滤波作用后，即可在输出电容C上得到直流输出电压。
上述实施例中，可以根据输出电流的变化率来选择使用快速开关电源部21或高效开关电源部22来对外输出电压。但需要注意的是，每当使用一种开关电源部21或22时，另一种开关电源部22或21的状态对输出电压的稳定也会产生不同的作用。
为了使直流电源能够在不同的情况下更有效地对输出电压进行稳定，可选的，控制单元12除了控制一些快速开关电源部2的接电开关T1和接地开关T2交替导通和断开外，还可用于控制另一些开关电源部2的接电开关T1和接地开关T2常开或常闭。具体的，当检测单元11检测的输出电流的变化率为正且绝对值大于所述规定值时，则说明输出电压在一段时间后也要以较大的变化率上升，因此，控制单元12还可用于控制高效开关电源部22的接电开关T1闭合，接地开关T2断开，这样，高效开关电源部22处于“充电”状态，即输入电源3可以通过闭合的接电开关T1一直对输出电容C充电。通过快速开关电源部21和高效开关电源部22的协作，输出电容C上的电流和电压就能够更快速地跟随负载的电流和电压的上升。
同样的，当检测单元11检测的输出电流的变化率为负且绝对值大于所述规定值时，则说明电压在一段时间后也要以较大的变化率降低。为了使输出电容C上的输出电压能够更快速的下降，控制单元12除了可以使快速开关电源部21按照脉宽调制对输入电源3的输出电压进行斩波外，还可用于控制高效开关电源部22的接电开关T1断开，接地开关T2闭合。这样，高效开关电源部22处于“放电”状态，输出电容C可以一直通过高效开关电源部22的闭合的接地开关T2放电。通过快速开关电源部21和高效开关电源部22的协作，输出电容C上的电流和电压就能够更快速地跟随负载的电流和电压的下降。
而当检测单元11检测的输出电流的变化率的绝对值小于所述规定值时，说明电路处于稳态，此时，即便以高效开关电源部22的响应速度也足可以满足负载的电流和电压变化的需求，因此，为了使开关电源仍然保持较高的电源效率，控制单元12还可用于控制快速开关电源部21的接电开关T1和接地开关T2都断开，而仅使高效开关电源部22以脉宽调制方式对输入电源3进行斩波。
举例说明，控制器1的一种可能的实现方式可如图3所示。结合图1-图3，控制单元12具体可以包括多个数据选择器13，每个数据选择器13对应控制一个开关电源部2。检测单元11对输出电流的变化率的检测结果可以作为各个数据选择器13的选择条件，每个开关电源部2的接电开关T1和接地开关T2的各种闭合或断开的不同状态组合可以作为对应的数据选择器13的备选输入。每个数据选择器13的输出端与相应的开关电源部2的接电开关T1和接地开关T2相连，从而使数据选择器13能够根据检测单元11的检测结果，从备选的几路输入中选择一路输出，用以控制相应的开关电源部2。由于每一路备选的输出都是接电开关T1和接地开关T2的各种闭合或断开状态的组合，这样通过把这些不同的组合选择性地向各开关电源部2输出，就可以对各个开关电源部2的接电开关T1和接地开关T2进行控制。
具体而言，当检测单元11检测到输出电容C上的电流变化率的绝对值小于规定值时，电路处于稳态，在各数据选择器的选择条件端输入“0”，当检测单元11检测到输出电容C上的电流变化率为正且绝对值大于所述规定值时，负载电流瞬态增大，在各数据选择器的选择条件端输入“1”，当检测单元11检测到输出电容C上的电流变化率为负且绝对值大于所述规定值时，负载电流瞬态减小，在各数据选择器13的选择条件端输入“2”。
虽然各数据选择器13的选择条件端都包括“0”“1”“2”这三种不同的可选状态，各个可选状态对应着不同的输入通道，但不同的开关电源部2所对应的数据选择器13中，各输入通道中所加载的信号却有所不同。
具体而言，高效开关电源部22对应的数据选择器131备选的输入端中，“0”通道对应的输入为“PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)”状态，“1”通道对应的输入为“ON”状态，也就是T1闭合，T2断开的状态，“2”通道对应的输入为“OFF”状态，也就是T1断开，T2闭合的状态。而快速开关电源部21对应的数据选择器131备选的输入端中，“0”通道对应的输入为“Disable”状态，即禁止状态，此时T1和T2都断开；“1”通道和“2”通道对应的输入均为“PWM”状态，也就是脉宽调制状态。脉宽调制具体可以由专用的控制器来实现，可选的，所述脉宽调制可以包括固定导通时间调制或滞环调制等。
虽然上述实施例中，快速开关电源部21与高效开关电源部22的区别主要在于输出电感的电感值不同，但本发明的实施例不限于此，在本发明的其他实施例中，快速开关电源部21与高效开关电源部22的区别还可以包括开关频率的大小不同。快速开关电源部21的接电开关和接地开关的开关频率可以大于高效开关电源部22的接电开关和接地开关的开关频率，例如，快速开关电源部21的接电开关和接地开关的开关频率可以大于高效开关电源部22的接电开关和接地开关的开关频率的2倍。这样，快速开关电源部21可以更快速地跟踪负载电流的变化，而高效开关电源部22也可以使用较低的开关频率从而进一步提高电源效率。
下面举例说明本发明实施例提供的直流电源的工作过程。在本发明的一个实施例中，假定负载电流动态变化率在100A/us（安培/微秒），快速开关电源部21的输出电感L1的电感值为50nH（纳亨），T1、T2的开关频率为1.2MHz，高效开关电源部22的输出电感L2的电感值为5uH（微亨），T1、T2的开关频率200kHz。在负载电流瞬态变化时，控制器1使快速开关电源部21的接电开关和接地开关按照脉宽调制交替互补地闭合或断开，输出电流能较快跟踪负载电流，使输出电容C放电较少，输出电压变化较小。同时，控制器1也使高效开关电源部22处于“ON”状态，只是由于输出电感L2较大，输出电流变化较慢，要稍后才能使输出电流跟踪至负载电流。在输出电流跟踪负载电流的整个动态过程中，快速开关电源部21提供的输出电流先有一个阶跃上升，而后，随着高效开关电源部22提供的输出电流的逐渐上升，快速开关电源部21提供的输出电流会逐渐减小，从而使输出电容C上的输出电流相对稳定。当高效开关电源部22提供的电流跟踪上负载电流时，电路的动态过程结束。此时，控制器1使高效开关电源部22按照脉宽调制工作，并使快速开关电源部21与输入电源3以及输出电容C都断开，以使直流电源在稳态时保持较高的电源效率。
相应的，如图4所示，本发明的实施例还提供一种前述实施例中所述的任一种开关电源的工作方法，包括：
S11，检测输出电流的变化率；
S12，根据所述输出电流的变化率控制所述至少两个开关电源部，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于所述规定值时，通过所述快速开关电源部对外提供输出电压，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，通过所述高效开关电源部对外提供输出电压。
本发明提供的直流电源的工作方法，能够根据输出电流的变化率控制每个开关电源部，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于预定值时，使用动态响应较快的快速开关电源部对外提供输出电压，从而使输出电流能够快速地跟踪负载电流的变化，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述预定值时，使用动态响应较慢但效率较高的高效开关电源部对外提供输出电压，从而能以较高的效率驱动负载，因此，从整体上看，能够在保持较高电源效率的同时快速跟踪负载电流的变化。
具体的，所述根据所述输出电流的变化率控制所述至少两个开关电源部，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于规定值时，通过所述快速开关电源部对外提供输出电压，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，通过所述高效开关电源部对外提供输出电压具体包括：
当所述检测单元检测的所述输出电流的变化率的绝对值大于所述规定值时，控制所述快速开关电源部的接电开关和接地开关按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开；当所述检测单元检测的电流变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，控制所述高效开关电源部的接电开关和接地开关按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开；其中，每个所述开关电源部的输出电感的一端通过接电开关接输入电源，并通过接地开关接地，另一端接输出电容。
进一步地，在步骤S11之后，所述方法还可包括：当所述输出电流的变化率为正且绝对值大于所述规定值时，将所述高效开关电源部的接电开关闭合，接地开关断开；当所述输出电流的变化率为负且绝对值大于所述规定值时，将所述高效开关电源部的接电开关断开，接地开关闭合；当所述输出电流的变化率等于零时，将所述快速开关电源部的接电开关和接地开关都断开。
关于开关电源的详细工作原理，在前文已经进行过详细的说明，请参照前文，此处不再赘述。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (9)

1.一种直流电源，其特征在于，包括控制器和至少两个开关电源部，所述至少两个开关电源部的输出端彼此相连，所述控制器分别与各所述开关电源部相连；所述至少两个开关电源部中包括具有第一输出电感的快速开关电源部和具有第二输出电感的高效开关电源部，所述第一输出电感小于所述第二输出电感；
所述至少两个开关电源部，用于在所述控制器的控制下共同对外提供输出电压；所述控制器，用于根据输出电流的变化率控制所述至少两个开关电源部，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于规定值时，通过所述快速开关电源部对外提供输出电压，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，通过所述高效开关电源部对外提供输出电压；
其中，每个所述开关电源部包括：输出电感，所述输出电感的一端通过接电开关接输入电源，并通过接地开关接地，所述输出电感的另一端接输出电容；
所述控制器具体包括：
检测单元，用于检测所述输出电流的变化率；
控制单元，用于当所述检测单元检测的输出电流的变化率为正且绝对值大于所述规定值时，将所述高效开关电源部的接电开关闭合，接地开关断开；当所述检测单元检测的输出电流的变化率为负且绝对值大于所述规定值时，将所述高效开关电源部的接电开关断开，接地开关闭合；当所述检测单元检测的输出电流的变化率的绝对值小于所述规定值时，将所述快速开关电源部的接电开关和接地开关都断开。
2.如权利要求1所述的电源，其特征在于，
控制单元，还用于当所述检测单元检测的所述输出电流的变化率的绝对值大于所述规定值时，控制所述快速开关电源部的接电开关和接地开关按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开；当所述检测单元检测的输出电流变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，控制所述高效开关电源部的接电开关和接地开关按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开。
3.如权利要求2所述的电源，其特征在于，所述脉宽调制包括固定导通时间调制或滞环调制。
4.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述快速开关电源部的接电开关和接地开关的开关频率大于所述高效开关电源部的接电开关和接地开关的开关频率。
5.如权利要求4所述的电源，其特征在于，所述快速开关电源部的接电开关和接地开关的开关频率大于所述高效开关电源部的接电开关和接地开关的开关频率的2倍。
6.如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述快速开关电源部的输出电感的电感值小于所述高效开关电源部的输出电感的电感值的二分之一。
7.如权利要求6所述的电源，其特征在于，所述快速开关电源部的输出电感的电感值是所述高效开关电源部的输出电感的电感值的十分之一。
8.一种如权利要求1所述的直流电源的工作方法，其特征在于，包括：
检测所述输出电流的变化率；
根据所述输出电流的变化率控制所述至少两个开关电源部，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于所述规定值时，通过所述快速开关电源部对外提供输出电压，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，通过所述高效开关电源部对外提供输出电压；
其中，每个所述开关电源部的输出电感的一端通过接电开关接输入电源，并通过接地开关接地，另一端接输出电容；
所述方法还包括：
当所述输出电流的变化率为正且绝对值大于所述规定值时，将所述高效开关电源部的接电开关闭合，接地开关断开；当所述输出电流的变化率为负且绝对值大于所述规定值时，将所述高效开关电源部的接电开关断开，接地开关闭合；当所述输出电流的变化率的绝对值小于所述规定值时，将所述快速开关电源部的接电开关和接地开关都断开。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述输出电流的变化率控制所述至少两个开关电源部，以使当所述输出电流的变化率的绝对值大于规定值时，通过所述快速开关电源部对外提供输出电压，当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，通过所述高效开关电源部对外提供输出电压具体包括：
当所述输出电流的变化率的绝对值大于所述规定值时，控制所述快速开关电源部的接电开关和接地开关按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开；当所述输出电流的变化率的绝对值小于或等于所述规定值时，控制所述高效开关电源部的接电开关和接地开关按照脉宽调制进行互补交替地闭合或断开。
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