JP2005218217A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型高効率の電源装置を提供する。
【解決手段】
出力トランジスタ１１の制御端子Ｔ₃に、ドロッパ動作回路２０とスイッチング動作回路１２とを接続し、出力トランジスタ１１にドロッパ動作とスイッチング動作の両方が可能に構成する。スイッチング動作回路１２と制御端子Ｔ₃との間に結合コンデンサ４１を挿入し、出力トランジスタ１１を遮断させる極性の電圧で結合コンデンサ４１を充電させ、導通させる極性の電圧に充電電圧を重畳させる。スイッチング動作が速い。スイッチング動作中は、ドロッパ動作回路２０に、出力トランジスタ１１を遮断させる信号を出力させておき、過電圧等によってスイッチング動作回路１２が停止されたとき、その信号が有効になり、出力トランジスタ１１が遮断するようにされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は電源装置の技術分野にかかり、特に、スイッチング動作とドロッパ動作の両方を切り替えて行うことができる電源装置に関する。

電源装置には、大別してスイッチング方式とドロッパ方式がある。スイッチング方式の電源装置は、特に負荷電流が大きいときにドロッパ方式よりも高効率であるが、スイッチング動作に伴う固定損失があり、そのため、軽負荷時ではドロッパ方式よりも効率が低下するという問題がある。

図３は負荷電流と消費電流の関係を示すグラフであり、直線L₁はスイッチング方式の電源装置の場合を示し、直線L₂はドロッパ方式の場合の関係を示している。この図３のように、ある電流値Ｉ₀を境にして効率が逆転する。

近年、例えば携帯型コンピュータ等において、バッテリーの長寿命化が求められており、軽負荷の場合と重負荷の場合の両方とも高効率な電源装置が求められている。

図４の符号１０２は、上記問題を解決しようとする従来型の電源装置であり、直流電圧源１１８と負荷１１９の間にスイッチングトランジスタ１５６とチョークコイル１６１が挿入されている。

スイッチングトランジスタ１５６のゲート端子には、スイッチング動作回路１５１が接続されており、スイッチング動作回路１５１が出力する信号によってスイッチングトランジスタ１５６が導通すると、チョークコイル１６１を直流電圧源１１８に接続し、チョークコイル１６１を通って負荷１１９に電流が供給されるようになっている。

スイッチングトランジスタ１５６とチョークコイル１６１が接続された部分はダイオード１６２によって接地電位に接続されており、スイッチングトランジスタ１６１が導通から遮断に転じると、チョークコイル１６１に起電力が生じ、その起電力によってダイオード１６２が順バイアスされ、チョークコイル１６１に蓄積されたエネルギーで負荷１１９に電流が供給される。

負荷１１９には出力コンデンサ１６３が並列接続されており、スイッチングトランジスタ１５１のスイッチング動作によって生じる電圧変動は、出力コンデンサ１６３によって平滑されるようになっている。

そして、この電源装置１０２では、スイッチングトランジスタ１５６に対して並列にドロッパトランジスタ１５７が接続されている。ドロッパトランジスタ１５７のゲート端子には、ドロッパ動作回路１５２が接続されており、負荷１１９の消費電流が小さい場合は、スイッチング動作回路１５１がスイッチングトランジスタ１５６を遮断させ、ドロッパ動作回路１５２がドロッパトランジスタ１５７を導通させる。直流電圧源１１８と出力電圧の間の差電圧は、ドロッパトランジスタ１５７のソース端子とドレイン端子の間に生じる電圧降下によって吸収され、負荷１１９には定電圧が供給される。

上記のような電源装置１０２では、スイッチング方式が不利となる範囲でドロッパ方式で動作することができ、小電流から大電流まで低損失であるという利点がある。

しかしながら、上記電源装置１０２では、スイッチング動作用のトランジスタとドロッパ動作用のトランジスタの両方を必要とするためコストが高く、回路の占有面積も大きい。
特開２００２−３００７６９ 特開平９−２６６６２９

本発明は上記問題を解決するために創作されたものであり、高効率で占有面積が小さい電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、第一、第二の主端子と、制御端子とを有し、前記第一、第二の主端子間の導通状態が、前記制御端子によって制御される出力トランジスタと、第一の主端子に接続された平滑回路と、前記出力トランジスタをスイッチング動作させるスイッチング信号を出力するスイッチング動作回路と、前記出力トランジスタの第一、第二の主端子間に電圧降下が生じるドロッパ動作をさせるドロッパ信号を出力するドロッパ動作回路と、前記スイッチング動作回路と前記ドロッパ動作回路のうち、選択した回路を動作させて前記スイッチング信号または前記ドロッパ信号を出力させる制御回路と、前記スイッチング動作回路と前記制御端子の間に挿入された結合コンデンサとを有する電源装置である。
請求項２記載の発明は、前記結合コンデンサには、前記結合コンデンサの充電電圧で逆バイアスされる向きに、クランプダイオードが並列接続された請求項１記載の電源装置である。
請求項３記載の発明は、前記ドロッパ動作回路は定電圧回路を有し、前記定電圧回路が出力する一定電圧が前記ドロッパ信号として前記制御端子に入力された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の電源装置である。
請求項４記載の発明は、前記制御回路は、前記制御端子に前記スイッチング信号が入力されている間は、前記ドロッパ動作回路に、前記出力トランジスタを遮断させる信号を出力させる請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電源装置である。
請求項５記載の発明は、前記第二の主端子には直流電圧が入力され、前記制御回路は、少なくとも前記スイッチング動作回路の動作中は前記第二の主端子の電圧を監視し、過電圧を検出すると前記スイッチング信号の出力を停止させると共に、前記ドロッパ動作回路から前記出力トランジスタを遮断させる信号を出力させる請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電源装置である。
請求項６記載の発明は、前記平滑回路は、前記出力トランジスタの前記第一の主端子と負荷の間に配置されたチョークコイルと、前記第一の主端子と接地電位の間に挿入された整流素子とを有し、前記整流素子は前記主トランジスタが導通状態では逆バイアスされ、前記チョークコイルに生じた起電力により導通するように構成された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の電源装置である。
請求項７記載の発明は、一次巻線と、前記一次巻線と磁気結合された二次巻線を有し、前記スイッチング動作回路が出力するスイッチング信号は前記一次巻線に入力され、前記二次巻線に誘起された信号が、前記結合コンデンサを介して前記制御端子に入力されるように構成された請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の電源装置である。

本発明は上記のように構成されており、同一の出力トランジスタが、ドロッパ動作回路によってドロッパ動作し、スイッチング動作回路によってスイッチング動作するように構成されており、出力電流が小さいときは、ドロッパ動作によって定電圧を出力し、出力電流が大きくなると、スイッチング動作によって定電圧を出力するように構成されている。

出力トランジスタをスイッチング動作させるスイッチング信号は、結合コンデンサを介して入力され、出力トランジスタを遮断させる極性の電圧で結合コンデンサが充電され、スイッチング信号が出力トランジスタを導通させる極性に変化したとき、制御端子には、結合コンデンサの充電電圧に、結合コンデンサに入力されるスイッチング信号の電圧が重畳された電圧が入力される。そのため制御端子には、しきい値電圧を大きく超える電圧が印加されるため、遮断から導通に転じる時間が短くなっている。

スイッチング動作回路と制御端子及び第一の主端子間は一次巻線と二次巻線によって直流電圧的に遮断されているので、スイッチング動作回路に供給される電源電圧よりも高い電圧を制御端子に入力させることが可能となる(出力トランジスタがｎチャネルＭＯＳトランジスタの場合)。

同じトランジスタを大電流ではスイッチング動作させ、小電流ではドロッパ動作させるので、小面積で高効率である。

図１の符号２は本発明の電源装置の一例である。この電源装置２は、二個の出力端子６５、６６を有しており、一方の出力端子６６を接地電位とすると、他方の出力端子６５には、下記のように正又は負の出力電圧が出力され、出力端子６５、６６間に接続された負荷１９に一定電圧が供給されるようになっている。

この電源装置２の回路構成を説明すると、該電源装置２は、出力トランジスタ１１と、平滑回路６０と、スイッチング動作回路１２と、ドロッパ動作回路２０と、第一、第二の接続回路３０、４０とを有しており、電源装置２の内部又は電源装置２の外部には直流電圧源１８が配置されている。

平滑回路６０は、チョークコイル６１と、整流素子６２とを有しており、直流電圧源１８の電圧が出力される端子と出力端子６５との間には、出力トランジスタ１１とチョークコイル６１が直流電圧源１８側からこの順序で直列接続されている。従って、出力トランジスタ１１が導通すると、直流電圧源１８から出力される電流は、出力トランジスタ１１とチョークコイル６１を通り、負荷１９に供給される。

出力トランジスタ１１は、上記のように直流電圧源１８から供給される電流が流れる第一、第二の主端子Ｔ₁、Ｔ₂と、第一、第二の主端子Ｔ₁、Ｔ₂間の導通を制御する制御端子Ｔ₃とを有している。

第一、第二の主端子Ｔ₁、Ｔ₂のうち、チョークコイル６１に接続される側の出力トランジスタ１１の端子を第一の主端子Ｔ₁とし、直流電圧源１８に接続される側の端子を第二の主端子Ｔ₂とすると、ここでは出力トランジスタ１１はｎチャネルＭＯＳトランジスタであり、ソース端子が第一の主端子Ｔ₁にされ、ドレイン端子が第二の主端子Ｔ₂にされている。そして、ゲート端子が制御端子Ｔ₃にされている。

」 スイッチング動作回路１２は、第一、第二の接続回路３０、４０を介して制御端子Ｔ₃と第一の主端子Ｔ₁とに接続されており、スイッチング動作回路１２は、制御端子Ｔ₃と第一の主端子Ｔ₁の間に、出力トランジスタ１１をスイッチング動作させるスイッチング信号を入力できるように構成されている。

第一、第二の接続回路３０、４０を説明すると、第一の接続回路３０は、トランス３１と電流制限抵抗３３とツェナーダイオード３４とを有している。

トランス３１内には、一次巻線３２₁と、該一次巻線３２₁と磁気結合された二次巻線３２₂とが配置されており、スイッチング動作回路１２から出力された交流信号であるスイッチング信号は一次巻線３２₁に入力され、二次巻線３２₂に伝達される。

二次巻線３２₂の一方の端子は第一の主端子Ｔ₁に接続されており、他方の端子は電流制限抵抗３３とツェナーダイオード３４と第二の接続回路４０とを介して制御端子Ｔ₃に接続されている。

ツェナーダイオード３４は、カソード端子が二次巻線３２₂側に接続され、アノード端子が第二の接続回路４０側に接続されており、二次巻線３２₂に伝達されたスイッチング信号が、ツェナーダイオード３４のｐｎ接合を順バイアスするときには、その信号をそのまま第二の接続回路４０に伝達し、逆バイアスするときは、スイッチング信号の大きさがツェナー電圧を超えた後、第二の接続回路４０に伝達される。

第二の接続回路４０は、結合コンデンサ４１と、該結合コンデンサ４１に並列接続されたクランプダイオード４２とを有しており、結合コンデンサ４１とクランプダイオード４２の並列接続回路の一端は、第一の接続回路３０のツェナーダイオード３４に接続され、他端は制御端子Ｔ₃に接続されている。

ここで、第二の接続回路４０に入力されるスイッチング信号の電圧の極性を、第一の主端子Ｔ₁よりも大きい場合と小さい場合に分けると、出力トランジスタ１１がｎチャネルＭＯＳトランジスタの場合、スイッチング信号の電圧が第一の主端子Ｔ₁よりも大きいときには出力トランジスタ１１が導通し得る導通極性であり、第一の主端子Ｔ₁よりも小さいときには、出力トランジスタ１１が導通し得ない遮断極性となる。

結合コンデンサ４１に並列接続されたクランプダイオード４２は、カソード端子側が制御端子Ｔ₃に接続され、アノード端子側が第一の接続回路３０のツェナーダイオード３４に接続されている。クランプダイオード４２の順方向導通電圧をゼロＶとみなすと、結合コンデンサ４１が充電されておらず、その状態で第二の接続回路４０に入力されるスイッチング信号が導通極性であるときに、入力されたスイッチング信号はそのまま制御端子Ｔ₃に伝達され、その結果、出力トランジスタ１１は導通する。クランプダイオード４２が導通するため、結合コンデンサ４１はクランプされ、充電されない。

他方、スイッチング信号が遮断極性にあるときは、クランプダイオード４２は逆バイアスされ、制御端子Ｔ₃とツェナーダイオード３４の間は、結合コンデンサ４１によって交流電圧的に接続され、制御端子Ｔ₃に遮断極性のスイッチング信号が印加される結果、出力トランジスタ１１は遮断する。

結合コンデンサ４１は、遮断極性のスイッチング信号で充電され、クランプダイオード４２を逆バイアスする極性の電圧が充電される。

そして、クランプダイオード４２がその電圧で充電された状態から、スイッチング信号が遮断極性から導通極性に反転すると、制御端子Ｔ₃に、スイッチング信号の電圧に結合コンデンサ４１の充電電圧を重畳した電圧が印加され、それにより、出力トランジスタ１１は速やかに導通する。

このように、スイッチング動作回路１２が動作している場合、制御端子Ｔ₃には、スイッチング動作回路１２からスイッチング信号が入力されており、出力トランジスタ１１は導通状態と遮断状態を繰り返すスイッチング動作を行う。導通状態では、出力トランジスタ１１の第１、第２の主端子Ｔ₁、Ｔ₂間に生じる電圧降下は無視できるほど小さい。

第１の主端子Ｔ₁は、出力トランジスタ１１が導通すると直流電圧源１８に接続され、遮断すると切り離される。

第一の主端子Ｔ₁と接地電位の間には、出力トランジスタ１１が導通状態にあるときに逆バイアスされる向きに整流素子６２が接続されている。

整流素子６２はここではショットキーダイオードであり、この場合は、整流素子６２のカソード端子が第一の主端子Ｔ₁に接続され、アノード端子が接地電位に接続されている。

出力トランジスタ１１が導通状態にあるとき、整流素子６２は逆バイアスされ、直流電圧源１８から、主トランジスタ１１とチョークコイル６１を流れる電流が負荷１９に供給される。

そして、出力トランジスタ１１が導通状態から遮断状態に転じると、チョークコイル６１に起電力が生じる。整流素子６２はその起電力で順バイアスされ、導通すると、チョークコイル６１から負荷１９に供給された電流が、整流素子６２を通ってチョークコイル６１に戻る。

負荷１９には出力コンデンサ６３が並列接続されており、出力トランジスタ１１が上記のようにスイッチング動作したときの電圧変動は出力コンデンサ６３によって平滑され、直流電圧が出力端子６５に現れる。

次に、ドロッパ動作回路２０側を説明すると、該ドロッパ動作回路２０は、定電圧回路２１と、電流制限抵抗２２と、バイアス抵抗２３と、切り替えトランジスタ２４とを有している。

ここでは定電圧回路２１はツェナーダイオードであり、そのアノード端子が接地電位に接続され、カソード端子が電流制限抵抗２２の一端に接続されており、カソード端子にツェナー電圧が現れるように構成されている。

電流制限抵抗２２の他端は直流電圧源１８に接続されており、従って、定電圧回路２１は、電流制限抵抗２２によって直流電圧源１８に接続されている。

切り替えトランジスタ２４は定電圧回路２１に対して並列に接続されており、定電圧回路２１は切り替えトランジスタ２４が遮断した場合に、直流電圧源１８から供給される電流によって動作可能な状態となり、定電圧回路２１の電流制限抵抗２２側の端子に一定電圧が出力される。

定電圧回路２１の電流制限抵抗２２側の端子は、バイアス抵抗２３によって制御端子Ｔ₃に接続されているから、定電圧回路２１から出力された一定電圧は、ドロッパ信号として出力トランジスタ１１に出力され、後述するように、出力トランジスタ１１をドロッパ動作させる。

制御回路１５は、切り替えトランジスタ２４とスイッチング動作回路１２に接続されており、ドロッパ動作回路２０とスイッチング動作回路１２の動作を制御できるようになっている。

制御回路１５は、切り替えトランジスタ２４を遮断させてドロッパ信号を出力させた場合は、スイッチング動作回路１２からのスイッチング信号の出力を停止させ、出力トランジスタ１１にドロッパ動作させる。

逆に、制御回路１５がスイッチング動作回路１２からスイッチング信号を出力させる場合は、切り替えトランジスタ２４を導通させ、ドロッパ信号を出力させず、出力トランジスタ１１にスイッチング動作をさせる。

制御端子Ｔ₃に一定電圧が印加されている状態では、出力トランジスタ１１は、第一、第二の主端子Ｔ₁、Ｔ₂間に電圧降下が生じる状態で導通する。この状態では、チョークコイル６１の両端には電圧降下は生じず、出力トランジスタ１１の電圧降下が直流電圧源１８が出力する直流電圧と、出力端子６５の出力電圧との差電圧になっている。

ＭＯＳトランジスタは、ソース端子とゲート端子の間の電圧が一定であれば、ドレイン端子の電圧が変動しても、ソース端子とドレイン端子の間に流れる電流はほぼ一定であるから、制御端子Ｔ₃に一定電圧が印加されている状態では、直流電圧源１８に電圧変動があり、第二の主端子Ｔ₂の電圧が変化しても、第１の主端子Ｔ₁の電圧変動は小さい。

また、ゲート端子に一定電圧が印加されている状態でソース端子の電圧が変動した場合、ソース端子に対するゲート端子の電圧変化は、ソース端子の電圧変動を打ち消すような電流変化を消磁させるから、負荷変動等によって第一の主端子Ｔ₁の電圧が変動しても、出力トランジスタ１１は、その電圧変動を打ち消すように動作する。

これは電源装置２がドロッパ動作によって定電圧を出力する状態である。この電源装置２は、直流電圧源１８から供給される電流を検出する電流センサ４３を有しており、制御回路１５は、電流センサ４３が出力する信号に基き、その電流が所定値よりも小さく、負荷１９で消費される電流が小さい状態では、ドロッパ動作を行い、所定値を超えて大きくなると、制御回路１５は切り替えトランジスタ２４を導通させ、上記のように、ドロッパ信号の出力を停止させ、スイッチング信号を出力させる。

切り替えトランジスタ２４が導通した状態では、定電圧回路２１の両端とも接地電位に接続されると共に、制御端子Ｔ₃が、バイアス抵抗２３によって接地電位に接続される。

ここでは出力トランジスタ１１はｎチャネルＭＯＳトランジスタであるから、ドロッパ動作回路２０からは、制御端子Ｔ₃に出力トランジスタ１１を遮断させる信号が出力されたことになる。

制御回路１５は、切り替えトランジスタ２４を導通させると共にスイッチング動作回路１２を動作させ、スイッチング信号を出力させる。スイッチング信号が制御端子Ｔ₃に入力されると、スイッチング信号の電圧によってバイアス抵抗２３に電流が流れ、制御端子Ｔ₃には、第一の主端子Ｔ₁を接地電位としたときの交流電圧が生じ、切り替えトランジスタ２４はスイッチング動作を開始する。

制御回路１５には、出力端子６５の電圧が入力されており、制御回路１５は、出力端子６５の電圧が一定値になるようなスイッチング信号を出力トランジスタ１１に出力する。

制御回路１５内には、不図示の保護回路が設けられており、直流電圧源１８から過電圧が入力されたり、出力停止の外部信号が入力された場合などでは、保護回路が動作し、スイッチング動作回路１２のスイッチング信号の出力を停止させる。

このとき、切り替えトランジスタ２４は導通しているため、ドロッパ動作回路２０からは、出力トランジスタ１１を遮断させる信号が出力されている。

この状態では、第二の接続回路４０により、制御端子Ｔ₃は第一の主端子Ｔ₁から直流電圧的に分離されているため、制御端子Ｔ₃に入力される信号としては、ドロッパ動作回路２０が出力する信号が有効になり、出力トランジスタ１１は遮断する。

その結果、負荷１９は直流電圧源１８から分離され、出力電流は流れなくなり、出力トランジスタ１１や負荷１９が保護される。

なお、上記実施例では、電流センサ４３は、直流電圧源１８が出力する電流を検出していたが、出力端子６５から出力される電流を検出するように配置してもよい。

また、ドロッパ動作とスイッチング動作を、電流センサ４３が出力する信号に基いて切り換えるのではなく、図２の電源装置３のように、外部回路４４を制御回路１５に接続し、制御回路１５が、外部回路４４から入力される信号によってドロッパ動作とスイッチング動作を切換えるようにしてもよい。

また、上記定電圧回路２１はツェナーダイオードであったが、定電圧を出力する回路であってもよい。

さらにまた、上記整流素子６２はショットキーダイオードであったが、ｐｎ接合ダイオードを用いてもよいし、ＭＯＳトランジスタを整流素子として用いてもよい。ｎチャネルＭＯＳトランジスタを例にとると、ＭＯＳトランジスタを用いる場合、ドレイン端子がカソード端子、ソース端子がアノード端子となり、導通するときだけ、ゲート端子にしきい値電圧以上の電圧が印加されるように構成される。

さらにまた、上記電源装置２、３では、正電圧を負荷に供給したが、負電圧を供給することもできる。

その場合、出力トランジスタには、ｐチャネルＭＯＳトランジスタを用い、ソース端子を第一の主端子として負荷側に接続し、ドレイン端子を第二の主端子として負の直流電圧源側に接続することができる。

本発明の第一例の電源装置の回路図 本発明の第二例の電源装置の回路図 負荷電流と消費電流の関係を示すグラフ 従来技術の電源装置の一例

符号の説明

Ｔ₁……第一の主端子
Ｔ₂……第二の主端子
Ｔ₃……制御端子
２、３……電源装置
１１……出力トランジスタ
１２……スイッチング動作回路
１５……制御回路
２０……ドロッパ動作回路
２４……切り替えトランジスタ
４１……結合コンデンサ
４２……クランプダイオード
６０……平滑回路
６２……整流素子

Claims (7)

1. 第一、第二の主端子と、制御端子とを有し、前記第一、第二の主端子間の導通状態が、前記制御端子によって制御される出力トランジスタと、
   第一の主端子に接続された平滑回路と、
   前記出力トランジスタをスイッチング動作させるスイッチング信号を出力するスイッチング動作回路と、
   前記出力トランジスタの第一、第二の主端子間に電圧降下が生じるドロッパ動作をさせるドロッパ信号を出力するドロッパ動作回路と、
   前記スイッチング動作回路と前記ドロッパ動作回路のうち、選択した回路を動作させて前記スイッチング信号または前記ドロッパ信号を出力させる制御回路と、
   前記スイッチング動作回路と前記制御端子の間に挿入された結合コンデンサとを有する電源装置。
2. 前記結合コンデンサには、前記結合コンデンサの充電電圧で逆バイアスされる向きに、クランプダイオードが並列接続された請求項１記載の電源装置。
3. 前記ドロッパ動作回路は定電圧回路を有し、前記定電圧回路が出力する一定電圧が前記ドロッパ信号として前記制御端子に入力された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の電源装置。
4. 前記制御回路は、前記制御端子に前記スイッチング信号が入力されている間は、前記ドロッパ動作回路に、前記出力トランジスタを遮断させる信号を出力させる請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電源装置。
5. 前記第二の主端子には直流電圧が入力され、前記制御回路は、少なくとも前記スイッチング動作回路の動作中は前記第二の主端子の電圧を監視し、過電圧を検出すると前記スイッチング信号の出力を停止させると共に、前記ドロッパ動作回路から前記出力トランジスタを遮断させる信号を出力させる請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電源装置。
6. 前記平滑回路は、前記出力トランジスタの前記第一の主端子と負荷の間に配置されたチョークコイルと、前記第一の主端子と接地電位の間に挿入された整流素子とを有し、前記整流素子は前記主トランジスタが導通状態では逆バイアスされ、前記チョークコイルに生じた起電力により導通するように構成された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の電源装置。
7. 一次巻線と、前記一次巻線と磁気結合された二次巻線を有し、
   前記スイッチング動作回路が出力するスイッチング信号は前記一次巻線に入力され、
   前記二次巻線に誘起された信号が、前記結合コンデンサを介して前記制御端子に入力されるように構成された請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の電源装置。

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