JP2012244870A - スイッチング電源の保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】素子の発熱や破壊を防止する。
【解決手段】伝送ラインＡ１とグランドの間に接続され、伝送ラインＡ１が定格より高い所定電圧になると降伏するツェナダイオード１６と、伝送ラインＡ１とグランドとの間に接続され、伝送ラインＡ１が前記定格より高くツェナダイオード１６のツェナ電圧よりも低い所定電圧になると降伏するツェナダイオードＤ１と、伝送ラインＡ１においてツェナダイオード１６，Ｄ１の接続箇所よりも後段に介挿され、出力制御端子に所定の定電圧が入力されているときは前記負荷に対して電源電圧を出力し、前記出力制御端子にグランド電圧が入力されているときは前記負荷に対して電源電圧を出力しないスイッチ部と、ツェナダイオードＤ１が降伏するとターンオンして前記出力制御端子をグランドに引き込むトランジスタＱ１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明はスイッチング電源の保護回路に関し、特に、接続されている負荷の重さが所定レベル以上のときは連続発振し、当該負荷の重さが所定レベル未満のときは間欠発振するスイッチング電源回路の保護回路に関する。

一般に、スイッチング電源回路は２次側の過負荷（過出力）を防止する機能を備えている。
例えば、特許文献１に記載のトランス結合型２次直流電源生成装置は、出力が過電圧となると、ツェナダイオードが降伏してトランジスタをオンし、これにより開閉素子をオンして出力ラインをショートさせる。
また、特許文献２に記載のＤＣ−ＤＣコンバーターは、２次電圧が所定値以上になるとツェナダイオードが降伏することによりスイッチング電源回路の制御ＩＣに入力されているオン信号の伝送ラインをグランドに引き込み、スイッチング電源回路の制御ＩＣの発振制御を停止させる過電圧防止回路を備えている。
また、特許文献３に記載のスイッチングレギュレータは、出力電圧が過電圧になるとツェナダイオードが降伏してトランジスタをターンオンして誤差増幅器をバイパスすることにより、フィードバック経路におけるフォトカプラを構成する発光ダイオードに流れる電流経路を変更し、これにより発光ダイオードをより強い発光状態にして出力を抑制する。
また、特許文献４に記載のスイッチングレギュレータは、出力が基準電圧を超えると、ツェナダイオードが降伏して出力をクランプする。

特開平６−１４５３２号公報 特開２００９−１７１８１５号公報 特開２０００−７８８３９号公報 特開平６−２２５４４号公報

スイッチング電源回路は複数の出力ラインを有することがあり、各出力ラインに接続される負荷レベルは異なる。一般に、スイッチング電源回路のスイッチングトランスの１次巻線に対して印加する電圧のオンオフ制御（ＰＷＭ制御等）は電源制御ＩＣによって行われ、当該電源制御ＩＣはスイッチングトランスの２次側からフィードバックされるフィードバック信号に基づいて当該オンオフ制御におけるオンオフの比率を調整する。

電源制御ＩＣには、スイッチングトランスの１次巻線に流れる電流の量に基づいて、２次巻線に接続されている負荷の大小を判断する機能を有し、負荷が軽くなったことを検出すると、自動的に出力を低下するべく１次巻線に印加する電圧のオンオフ制御を連続発振から間欠発振へ変更するものがある。このような電源制御ＩＣを備えるスイッチング電源回路は、例えば、機器の電源がオフされてスイッチング電源回路に接続されている負荷が軽くなった場合にこれを検知して間欠発振に移行する。また、出力が過電圧になって過電圧保護用のツェナダイオードが降伏もしくはショート破壊された場合も、負荷が軽くなるため間欠発振に移行する。

ここで、多くの負荷が接続されていて負荷レベルが高くなる可能性（処理量の増大や出力の変動等）のある第１出力ラインと、第１出力ラインに比べて負荷レベルが低い第２出力ラインと、を備えたスイッチング電源回路において、電源制御ＩＣが第１出力ラインの電圧に基づくフィードバック信号に基づいてオンオフ制御を行っている場合に、フィードバックラインのショート等によりフィードバックが正常に行われない場合を考える。このとき、負荷の重い第１出力ラインの電圧上昇は鈍く、負荷の軽い第２出力ラインは鋭く電圧上昇する。

すなわち、出力が上昇して過電圧になったとき、第２出力ラインの保護用ツェナダイオードはショート破壊されるが、第１出力ラインの保護用ツェナダイオードはショート破壊されない期間があり、この間、電源制御ＩＣは間欠発振に移行しない。従って、第２出力ラインにおいて、保護用ツェナダイオードのショート破壊により他の素子が発熱したり破壊されたりする可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、重負荷時には連続発振を行い、軽負荷時には間欠発振を行うオートスタンバイ機能を有するスイッチング電源回路であって、接続される負荷の重さが異なる複数の出力ラインを有し、負荷の重い出力ラインから前記電源制御ＩＣにフィードバックがかかっているスイッチング電源回路において、素子の発熱や破壊を防止することが可能なスイッチング電源の保護回路の提供を目的とする。

本発明の態様の１つは、接続されている負荷の重さが所定レベル以上のときは連続発振し当該負荷の重さが所定レベル未満のときは間欠発振するスイッチング電源回路、の保護回路において、前記スイッチング電源回路は、少なくとも電源電圧を出力する第１出力ラインと第２出力ラインとを備え、前記第１出力ラインには前記第２出力ラインよりも重い負荷が接続されており、前記保護回路は、カソードを前記第１出力ラインに向けて接続され、アノードをグランドに向けて接続され、前記第１出力ラインが定格より高い所定電圧になると降伏する第１ツェナダイオードと、カソードを前記第１出力ラインに向けて接続され、アノードをグランドに向けて接続され、前記第１出力ラインが前記定格より高く前記第１ツェナダイオードのツェナ電圧よりも低い所定電圧になると降伏する第２ツェナダイオードと、前記第１出力ラインにおいて前記第１ツェナダイオードや前記第２ツェナダイオードの接続箇所よりも後段に介挿され、出力制御端子に所定の定電圧が入力されているときは前記負荷に対して電源電圧を出力し、前記出力制御端子にグランド電圧が入力されているときは前記負荷に対して電源電圧を出力しないスイッチ部と、前記第２ツェナダイオードが降伏するとターンオンして前記出力制御端子をグランドに引き込むＮＰＮ型のトランジスタと、を備える構成とされる。

なお、上述したスイッチング電源回路の保護回路は、他の機器に組み込まれた状態で実施されたり他の方法とともに実施されたりする等の各種の態様を含む。

本発明によれば、重負荷時には連続発振を行い、軽負荷時には間欠発振を行うオートスタンバイ機能を有するスイッチング電源回路において、接続される負荷の重さが異なる複数の出力ラインを有し、負荷の重い出力ラインから前記電源制御ＩＣにフィードバックがかかっている場合に、素子の発熱や破壊を防止することが可能なスイッチング電源の保護回路を提供することができる。
請求項２にかかる発明によれば、出力制御端子への逆流を防止できる。

保護回路を備えるスイッチング電源回路の要部を示した図である。 ＦＢ回路２１の１構成例を示す回路図である。 ＦＢ回路２１の回路図の一例を示す回路図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
（１）本実施形態の構成：
図１は、保護回路を備えるスイッチング電源回路の要部を示した図である。同図に示すように、スイッチング電源回路１００は、電源制御ＩＣ１０、スイッチングトランス１２、整流回路１４、過電圧保護用のツェナダイオード１６、保護回路１７、整流回路１８、過電圧保護用のツェナダイオード１９、定電圧回路２０、過電圧保護用のツェナダイオード２２、フィードバック回路２１（ＦＢ回路２１）、を備えている。

電源制御ＩＣ１０は、オートスタンバイ機能を有しており、スイッチング電源回路１００は、当該オートスタンバイ機能によって、少なくともオン状態とスタンバイ状態の２つの電源状態を実現する。例えば、当該スイッチング電源回路１００が液晶テレビジョンの電源回路の場合は、映像処理や音声処理、画面に対する映像の表示等がおこなわれている状態がオン状態であり、マイクロコンピュータのみが動作してユーザーからの電源オンを指示する操作入力を待機している状態がスタンバイ状態である。

電源制御ＩＣ１０は、スイッチングトランス１２に接続されている負荷の重さ（負荷レベル）の検知と、スイッチングトランス１２の１次巻線に対する直流の印加のオンオフ制御（以下、発振とも呼ぶ。）を、連続発振と間欠発振とで切替えることによりオートスタンバイ機能を実現することができる。すなわち、負荷が第１閾値以上のときは連続発振とし、負荷が第１閾値未満のときは連続発振を間欠的に行う間欠発振とする。ここで第１閾値は、スイッチング電源回路１００の設計者が適宜に設定するものであり、例えば、スイッチングトランス１２に接続されている負荷が上述したマイクロコンピュータのみの状態をスタンバイ状態、バックライトや映像処理ＩＣ、音声アンプ、等を駆動している状態をオン状態とし、スタンバイ状態とオン状態との中間的な負荷を第１閾値とする。

電源制御ＩＣ１０は、ＩＳ端子１０ａの電圧に基づいてスイッチング電源回路１００に接続されている負荷レベルを検出することができる。ＩＳ端子１０ａは、グランドとの間にセンス抵抗が接続されており、電源制御ＩＣ１０は内蔵するＦＥＴのドレイン電流をＩＳ端子からグランドへと流している。このＦＥＴは、スイッチングトランス１２の１次巻線に流れる電流のオンオフを制御するものであり、ＦＥＴのドレイン電流には、スイッチングトランス１２に接続されている負荷の大小が反映される。すなわち、センス抵抗には、スイッチングトランス１２に接続されている負荷の大小に応じた電圧が発生するため、電源制御ＩＣ１０は、ＩＳ端子１０ａの電圧を監視することにより負荷レベルを検知することができる。電源制御ＩＣ１０は、第１閾値よりも負荷が重くなると連続発振を行うことにより電源状態をオン状態とし、第１閾値よりも負荷が軽くなると間欠発振を行うことにより電源状態をスタンバイ状態とする。

スイッチングトランス１２は、１次巻線の一端に直流を入力され、１次巻線の他端を電源制御ＩＣ１０の内蔵するＦＥＴのソース−ドレインを介してグランドに接続されている。電源制御ＩＣ１０は、ＦＥＴをオンオフ制御することにより、スイッチングトランス１２の１次巻線に流れる電流をオンオフ制御し、スイッチングトランス１２の２次巻線に交流を発生させることができる。なお、スイッチングトランス１２の１次巻線の一端には、例えば、外部から入力される商用交流電源を整流・平滑して生成された直流が入力される。

スイッチングトランス１２の２次巻線は、電圧を取り出すための端子Ａと端子Ｂを備えている。端子Ａには整流回路１４が接続されており、整流回路１４は、端子Ａに発生する交流を整流・平滑して生成した直流を伝送ラインＡ１に出力する。なお、本実施形態においては、伝送ラインＡ１が第１出力ラインを構成する。図１では、当該直流の電圧をＶａとしてある。一方、端子Ｂには整流回路１８が接続されており、整流回路１８は、端子Ｂに発生する交流を整流・平滑下直流を伝送ラインＢに出力する。図２では、当該直流の電圧をＶｂとしてある。なお、本実施形態においては、伝送ラインＢが第２出力ラインを構成する。

ここで、スイッチングトランス１２の２次巻線に接続される負荷について説明する。当該スイッチング電源回路１００が液晶テレビジョンの電源回路を構成する場合を例にとると、伝送ラインＡ１には、バックライトを点灯させるための電源電圧を生成する回路（以下、ＢＬ点灯回路と記載する。）や、映像信号のデジタル処理を行う映像処理ＩＣ、音声の増幅を行う音声アンプ、等が接続され、伝送ラインＢには、マイクロコンピュータが接続される。

また、マイクロコンピュータには伝送ラインＡ１から分岐された伝送ラインＡ２も接続されている。マイクロコンピュータには、オン状態では伝送ラインＢを介して電源電圧が供給され、スタンバイ状態では伝送ラインＡ１から分岐された伝送ラインＡ２を介して電源電圧が供給される。伝送ラインＡ２の途中には定電圧回路２０が設けられている。図２は、定電圧回路２０の一例を示す回路図である。定電圧回路２０は、伝送ラインＡ１の電圧をマイクロコンピュータの駆動電圧に調整する。従って、スタンバイ状態において伝送ラインＢの電圧がマイクロコンピュータの駆動電圧よりも低くなると、伝送ラインＡ１から伝送ラインＡ２を介して駆動電圧がマイクロコンピュータに供給される。これにより、マイクロコンピュータは、オン状態とスタンバイ状態の双方で動作できる。

ＦＢ回路２１は、伝送ラインＡ１の電圧Ｖａに基づいて生成したフィードバック信号を電源制御ＩＣ１０にフィードバックしている。電源制御ＩＣ１０は、ＦＢ回路２１からフィードバック端子１０ｂへ入力されるフィードバック信号に基づいて当該オンオフ制御を行う。図３はＦＢ回路２１の回路図の１例を示してある。同図に示すように、ＦＢ回路２１は、伝送ラインＡ１に接続されており、伝送ラインＡ１の電圧が定格よりも高くなるとツェナダイオード２１ａが降伏する。すると、フォトカプラＩＣ６２１を構成するフォトダイオードが発光してフォトトランジスタが受光し、フォトトランジスタがターンオンする。すると、電源制御ＩＣ１０のフィードバック端子１０ｂに所定の電圧信号（フィードバック信号）が入力される。

電源制御ＩＣ１０は、フィードバック信号が入力されている間は、スイッチングトランス１２の２次巻線に発生する電圧が低下するように１次巻線に対する直流の印加にかかるオンオフ制御を行い、フィードバック信号の入力が停止されると、スイッチングトランス１２の２次巻線に発生する電圧が上昇するように１次巻線に対する直流の印加にかかるオンオフ制御を行う。その結果、伝送ラインＡ１に発生する電圧が一定の値に収束する。

ＢＬ点灯回路は、当該回路を駆動する制御ＩＣ Ｂ／Ｌによってバックライトに対する電源電圧の出力を制御されており、映像処理ＩＣや音声アンプ等は、電圧を調整するレギュレータＩＣ１〜ＩＣ３を介して伝送ラインＡ１と接続される。制御ＩＣ Ｂ／ＬやレギュレータＩＣ１，ＩＣ２，ＩＣ３は、出力を制御する出力制御端子Ｔ１〜Ｔ４を備えており、後述するマイクロコンピュータの制御の下、所定の電圧信号を出力制御端子Ｔ１〜Ｔ４に入力されると、伝送ラインＡ１の電圧を利用して生成した駆動電圧を各負荷に供給し、出力制御端子Ｔ１〜Ｔ４に対する所定の電圧信号の入力が停止されると、各負荷に対する駆動電圧の供給を停止する。なお、図には示していないが、マイクロコンピュータも必要に応じて電圧を調整するレギュレータを介して伝送ラインＢや伝送ラインＡ１に接続される。

伝送ラインＡ１とグランドとの間には、カソードを伝送ラインＡ１に向けつつアノードをグランドに向けてツェナダイオード１６が接続されている。ツェナダイオード１６は、端子Ａに発生する交流が過電圧になり、伝送ラインＡ１の電圧Ｖａが所定値を超えると降伏する。伝送ラインＢとグランドとの間には、カソードを伝送ラインＢに向けつつアノードをグランドに向けてツェナダイオード１９が接続されている。なお、本実施形態においては、ツェナダイオード１６が第１ツェナダイオードを構成する。

ツェナダイオード１９は、端子Ｂに発生する交流が過電圧になり、伝送ラインＢの電圧Ｖｂが所定値を超えると降伏する。伝送ラインＢとグランドとの間には、定電圧回路２０の出力電圧が伝送ラインＢに接続される箇所よりも後段に、カソードを伝送ラインＢに向けつつアノードをグランドに向けてツェナダイオード２２が接続されている。ツェナダイオード２２は、スタンバイ状態において端子Ａに発生する交流が過電圧になり、伝送ラインＡ２の電圧Ｖｃが所定値を超えると降伏する。

ここで、伝送ラインＡ１の負荷が平均的なレベルであれば、例えば、オン状態においてフィードバック回路２１のフィードバックラインがショート等して正常にフィードバックが掛からず各伝送ラインが過電圧状態になると、これらのツェナダイオードがほぼ同時に降伏するように設計されており、電源制御ＩＣ１０は間欠発振に移行する。ただし、伝送ラインＡ１の負荷が、輝度の上昇、音量の上昇、デジタル処理の増大、等により、通常よりも重くなっていると、伝送ラインＡ１の電圧上昇が伝送ラインＢに比べて鈍いため、伝送ラインＡ１を過電圧から保護するツェナダイオード１６よりも伝送ラインＢの過電圧を検知するツェナダイオード１９，２２の方が先に降伏やショート破壊される。このタイムラグの間に伝送ラインＢに大電流が流れるため、伝送ラインＢの整流回路１８や逆流防止のダイオード２３等の素子が発熱する可能性がある。そこで、本実施形態では保護回路１７を設けてある。

保護回路１７は、ツェナダイオードＤ１が降伏したときにＮＰＮ型のトランジスタＱ１がターンオンすることにより、制御ＩＣ Ｂ／ＬやレギュレータＩＣ１，ＩＣ２，ＩＣ３の出力制御端子Ｔ１〜Ｔ４に対して出力を指示する所定の電圧信号を入力する信号伝送ラインをグランドに引き込むことにより、制御ＩＣ Ｂ／ＬやレギュレータＩＣ１，ＩＣ２，ＩＣ３の出力を停止させるようになっている。Ｂ／Ｌの出力制御端子Ｔ４は、例えば、バックライトが冷陰極蛍光管で構成されている場合はインバータ回路を駆動する制御ＩＣの出力制御端子であり、バックライトがＬＥＤで構成されている場合は、ＬＥＤ駆動回路の制御ＩＣの出力制御端子である。

保護回路１７は、より具体的には、ツェナダイオードＤ１、抵抗Ｒ１、ＮＰＮ型のトランジスタＱ１、ダイオードＤ２〜Ｄ５、を備えている。ツェナダイオードＤ１と抵抗Ｒ１は、伝送ラインＡ１とトランジスタＱ１の間を接続しており、ツェナダイオードＤ１は、伝送ラインＡ１にアノードを向けつつトランジスタＱ１のベースにカソードを向けて伝送ラインＡ１とトランジスタＱ１の間を接続している。ツェナダイオードＤ１のツェナ電圧は、ツェナダイオード１６より低く、伝送ラインＡ１の出力定格よりも高く設定されており、例えば、伝送ラインＡ１の出力定格が２４Ｖの場合には、ツェナダイオード１６のツェナ電圧が３３Ｖに設定され、ツェナダイオードＤ１のツェナ電圧とトランジスタＱ１のベース−エミッタ電圧を合わせた電圧は２４〜３３Ｖの間で例えば３０Ｖに設定される。すなわち、本実施形態においては、ツェナダイオードＤ１が第２ツェナダイオードを構成する。

よって、伝送ラインＡ１の電圧が、ツェナダイオードＤ１のツェナ電圧とトランジスタＱ１のベース−エミッタ電圧を合わせた電圧を超えると、ツェナダイオードＤ１が降伏すると共にトランジスタＱ１がターンオンし、制御ＩＣ Ｂ／ＬやレギュレータＩＣ１，ＩＣ２，ＩＣ３の出力制御端子Ｔ１〜Ｔ４をグランドに引き込む。すると、出力制御端子Ｔ１〜Ｔ４にオン信号が入力されなくなるため、ＢＬ点灯回路はバックライトに対する電源電圧の供給を停止し、レギュレータＩＣ１〜ＩＣ３も電源電圧の出力を停止する。すなわち、伝送ラインＡ１には、負荷が接続されていない状態となる。これにより、電源制御ＩＣ１０は、スイッチングトランス１２に負荷が接続されていない状態を検知し、間欠発振に移行する。よって、伝送ラインＢに流れる過電流が抑制され、素子の発熱が抑制される。

また、ダイオードＤ２〜Ｄ５は、出力制御端子Ｔ１〜Ｔ４とトランジスタＱ１のコレクタとの間をそれぞれ接続している。ダイオードＤ２は、出力制御端子Ｔ４にアノードを向けつつトランジスタＱ１のコレクタにカソードを向けて出力制御端子Ｔ４とトランジスタＱ１との間を接続し、ダイオードＤ３は、出力制御端子Ｔ１にアノードを向けつつトランジスタＱ１のコレクタにカソードを向けて出力制御端子Ｔ１とトランジスタＱ１との間を接続し、ダイオードＤ４は、出力制御端子Ｔ２にアノードを向けつつトランジスタＱ１のコレクタにカソードを向けて出力制御端子Ｔ２とトランジスタＱ１との間を接続し、ダイオードＤ５は、出力制御端子Ｔ３にアノードを向けつつトランジスタＱ１のコレクタにカソードを向けて出力制御端子Ｔ３とトランジスタＱ１との間を接続している。ダイオードＤ２〜Ｄ５により、トランジスタＱ１から制御ＩＣ Ｂ／ＬやレギュレータＩＣ１，ＩＣ２，ＩＣ３の出力制御端子Ｔ１〜Ｔ４への逆流が防止され、出力制御端子Ｔ１〜Ｔ４間で電流が流れることを防止する。よって、機器の誤動作や故障を防止できる。

なお、本発明は上記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・上記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって上記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が上記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。

１０…電源制御ＩＣ、１０ａ…ＩＳ端子、１０ｂ…フィードバック端子、１２…スイッチングトランス、１４…整流回路、１６…ツェナダイオード、１７…保護回路、１８…整流回路、１９…ツェナダイオード、２０…定電圧回路、２１…フィードバック回路、２１ａ…ツェナダイオード、２２…ツェナダイオード、２３…ダイオード、１００…スイッチング電源回路、Ａ…端子、Ａ１…伝送ライン、Ａ２…伝送ライン、Ｂ…端子、Ｂ…伝送ライン、Ｂ／Ｌ…制御ＩＣ 、Ｄ１…ツェナダイオード、Ｄ２〜Ｄ５…ダイオード、ＩＣ６２１…フォトカプラ、ＩＣ１〜ＩＣ３…レギュレータ、Ｑ１…トランジスタ、Ｒ１…抵抗、Ｔ１〜Ｔ４…出力制御端子、Ｖａ…電圧、Ｖｂ…電圧、Ｖｃ…電圧

Claims (2)

1. 接続されている負荷の重さが所定レベル以上のときは連続発振し当該負荷の重さが所定レベル未満のときは間欠発振するスイッチング電源回路、の保護回路において、
   前記スイッチング電源回路は、少なくとも電源電圧を出力する第１出力ラインと第２出力ラインとを備え、前記第１出力ラインには前記第２出力ラインよりも重い負荷が接続されており、
   前記保護回路は、
   カソードを前記第１出力ラインに向けて接続され、アノードをグランドに向けて接続され、前記第１出力ラインが定格より高い所定電圧になると降伏する第１ツェナダイオードと、
   カソードを前記第１出力ラインに向けて接続され、アノードをグランドに向けて接続され、前記第１出力ラインが前記定格より高く前記第１ツェナダイオードのツェナ電圧よりも低い所定電圧になると降伏する第２ツェナダイオードと、
   前記第１出力ラインにおいて前記第１ツェナダイオードや前記第２ツェナダイオードの接続箇所よりも後段に介挿され、出力制御端子に所定の定電圧が入力されているときは前記負荷に対して電源電圧を出力し、前記出力制御端子にグランド電圧が入力されているときは前記負荷に対して電源電圧を出力しないスイッチ部と、
   前記第２ツェナダイオードが降伏するとターンオンして前記出力制御端子をグランドに引き込むＮＰＮ型のトランジスタと、を備えることを特徴とする保護回路。
2. 前記出力制御端子と前記トランジスタとを接続するライン上に、前記出力制御端子にアノードを向けつつ前記トランジスタにカソードを向けて介挿されたダイオードを備えることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源の保護回路。

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