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直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)
在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮以下幾點(diǎn)：
功能：電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動(dòng)?需不需要調(diào)速?對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的H橋電路或者使用一個(gè)雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可;但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)速。
性能：對(duì)于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要有以下性能指標(biāo)：
- 輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。
- 效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通(H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通使電源短路)入手。
- 對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。
- 對(duì)電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染;大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)。
- 可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。
1. 輸入與電平轉(zhuǎn)換部分：
輸入信號(hào)線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號(hào)線。注意1腳對(duì)地連接了一個(gè)2K歐的電阻。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)分別供電時(shí)，這個(gè)電阻可以提供信號(hào)電流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)共用一組電源時(shí)，這個(gè)電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機(jī)主板的地線造成干擾。或者說(shuō)，相當(dāng)于把驅(qū)動(dòng)板的地線與單片機(jī)的地線隔開，實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。
高速運(yùn)放KF347(也可以用TL084)的作用是比較器，把輸入邏輯信號(hào)同來(lái)自指示燈和一個(gè)二極管的2.7V基準(zhǔn)電壓比較，轉(zhuǎn)換成接近功率電源電壓幅度的方波信號(hào)。KF347的輸入電壓范圍不能接近負(fù)電源電壓，否則會(huì)出錯(cuò)。因此在運(yùn)放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個(gè)電阻一個(gè)用來(lái)限流，一個(gè)用來(lái)在輸入懸空時(shí)把輸入端拉到低電平。
不能用LM339或其他任何開路輸出的比較器代替運(yùn)放，因?yàn)殚_路輸出的高電平狀態(tài)輸出阻抗在1千歐以上，壓降較大，后面一級(jí)的三極管將無(wú)法截止
2. 柵極驅(qū)動(dòng)部分：
后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進(jìn)一步放大信號(hào)，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極并利用場(chǎng)效應(yīng)管本身的柵極電容(大約1000pF)進(jìn)行延時(shí)，防止H橋上下兩臂的場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)導(dǎo)通(“共態(tài)導(dǎo)通”)造成電源短路。
當(dāng)運(yùn)放輸出端為低電平(約為1V至2V,不能完全達(dá)到零)時(shí)，下面的三極管截止，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。上面的三極管導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管截止,輸出為高電平。當(dāng)運(yùn)放輸出端為高電平(約為VCC-(1V至2V),不能完全達(dá)到VCC)時(shí)，下面的三極管導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管截止。上面的三極管截止，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出為低電平。
上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開關(guān)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過(guò)程：三極管導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場(chǎng)效應(yīng)管迅速截止。但是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管柵極通過(guò)2千歐電阻充電卻需要一定的時(shí)間。相應(yīng)的，場(chǎng)效應(yīng)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通的速度快。假如兩個(gè)三極管的開關(guān)動(dòng)作是同時(shí)發(fā)生的，這個(gè)電路可以讓上下兩臂的場(chǎng)效應(yīng)管先斷后通，消除共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象。
實(shí)際上，運(yùn)放輸出電壓變化需要一定的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)運(yùn)放輸出電壓處于正負(fù)電源電壓之間的中間值。這時(shí)兩個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管就同時(shí)截止了。所以實(shí)際的電路比這種理想情況還要安全一些。
場(chǎng)效應(yīng)管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于防止場(chǎng)效應(yīng)管柵極過(guò)壓擊穿。一般的場(chǎng)效應(yīng)管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會(huì)擊穿，因此這個(gè)穩(wěn)壓二極管不能用普通的二極管代替，但是可以用2千歐的電阻代替，同樣能得到12V的分壓。
3.場(chǎng)效應(yīng)管輸出部分：
大功率場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部在源極和漏極之間反向并聯(lián)有二極管，接成H橋使用時(shí)，相當(dāng)于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個(gè)二極管，因此這里就沒(méi)有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個(gè)小電容(out1和out2之間)對(duì)降低電機(jī)產(chǎn)生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時(shí)有產(chǎn)生尖峰電流的副作用，因此容量不宜過(guò)大。在使用小功率電機(jī)時(shí)這個(gè)電容可以略去。如果加這個(gè)電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會(huì)出現(xiàn)擊穿短路的故障。
輸出端并聯(lián)的由電阻和發(fā)光二極管,電容組成的電路指示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向.
4.性能指標(biāo)：
電源電壓15~30 V,最大持續(xù)輸出電流5A/每個(gè)電機(jī)，短時(shí)間(10秒)可以達(dá)到10A,PWM頻率最高可以用到30KHz(一般用1到10KHz)。電路板包含4個(gè)邏輯上獨(dú)立的，輸出端兩兩接成H橋的功率放大單元，可以直接用單片機(jī)控制。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)速。
5.PCB的布局布線：
大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過(guò)過(guò)孔，一定要經(jīng)過(guò)過(guò)孔的話要把過(guò)孔做大一些(>1mm)并且在焊盤上做一圈小的過(guò)孔，在焊接時(shí)用焊錫填滿，否則可能會(huì)燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場(chǎng)效應(yīng)管源極對(duì)電源和地的導(dǎo)線要盡可能的短粗，否則在大電流時(shí)，這段導(dǎo)線上的壓降可能會(huì)經(jīng)過(guò)正偏的穩(wěn)壓管和導(dǎo)通的三極管將其燒毀。在一開始的設(shè)計(jì)中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)接入一個(gè)0.15歐的電阻用來(lái)檢測(cè)電流，這個(gè)電阻就成了不斷燒毀板子的罪魁禍?zhǔn)?。?dāng)然如果把穩(wěn)壓管換成電阻就不存在這個(gè)問(wèn)題了。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的PCB 需要采用特殊的冷卻技術(shù)，以解決功耗問(wèn)題。印刷電路板 (PCB) 基材（例如 FR-4 環(huán)氧樹脂玻璃）的導(dǎo)熱性較差。相反，銅的導(dǎo)熱性非常出色。因此，從熱管理角度來(lái)看，增加 PCB 中的銅面積是一個(gè)理想方案。厚銅箔（例如：2 盎司（68 微米厚））的導(dǎo)熱性優(yōu)于較薄的銅箔。然而，使用厚銅箔的成本較高，并且難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)的幾何形狀。
因此，使用 1 盎司（34 微米）銅箔變得很常見。外層通常使用? 盎司到1 盎司的銅箔。多層電路板內(nèi)層使用的固體銅面具有良好的散熱性。然而，由于這些銅面通常都置于電路板疊層的中央，因此熱量會(huì)聚集在電路板內(nèi)部。增加 PCB 外層的銅面積，并經(jīng)由許多通孔連接或“縫接”至內(nèi)層，有助于將熱量轉(zhuǎn)移到內(nèi)層外部。
由于存在走線和元件，雙層 PCB 的散熱可能會(huì)更加困難。因此，盡可能多地提供固體銅面，并實(shí)現(xiàn)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 的良好熱連接顯得非常必要。在兩個(gè)外層上都增加覆銅區(qū)，并將其與許多通孔連接在一起，有助于由走線和元件分割的各區(qū)域間散熱。
a、走線寬度：越寬越好
由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 的進(jìn)出電流較大（在一些情況下超過(guò) 10 A），因此應(yīng)謹(jǐn)慎考慮進(jìn)出器件的 PCB 走線寬度。走線越寬，電阻越低。必須調(diào)整走線尺寸，以使走線電阻不會(huì)消耗過(guò)多功率，避免導(dǎo)致走線升溫。太小的走線其實(shí)可以作為電熔絲，并且容易燒斷！
設(shè)計(jì)師通常使用 IPC-2221 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定適當(dāng)?shù)淖呔€寬度。這一規(guī)范針對(duì)各種電流電平和允許的溫升提供了顯示銅橫截面積的相應(yīng)圖表，可轉(zhuǎn)換為給定銅層厚度條件下的走線寬度。例如 1 盎司銅層中承載 10 A 電流的走線需要稍寬于 7 mm，以實(shí)現(xiàn) 10℃的溫升。針對(duì) 1-A 電流，走線寬度只需為 0.3 mm。
鑒于此，10 A 電流似乎不可能通過(guò)微型 IC 板。
需要理解的是，IPC-2221 中建議的走線寬度適用于等寬長(zhǎng)距離 PCB 走線。如果采用更短的PCB 走線也有可能通過(guò)更大得多的電流，且不會(huì)產(chǎn)生任何不良作用。這是因?yàn)槎潭?PCB 走線電阻較小，且產(chǎn)生的任何熱量都將被吸收至更寬的銅區(qū)域，而該區(qū)域則起到了散熱片的作用。
加寬 PCB 走線，? ?? ???
以使 IC 板能夠更好地處理持續(xù)電流。? ?? ???
參見圖中的示例。盡管該器件的 IC 板只有 0.4 mm 寬，但它們必須承載高達(dá) 3 A 的持續(xù)電流。所以我們需要盡可能地將走線加寬，并靠近器件。
走線較窄部分產(chǎn)生的任何熱量被傳導(dǎo)至較寬的銅區(qū)域，以使較窄走線的溫升可以忽略不計(jì)。
嵌入在 PCB 內(nèi)層的走線無(wú)法像外層的走線一樣充分散熱，因?yàn)榻^緣基板的導(dǎo)熱性不佳。為此，內(nèi)層走線應(yīng)設(shè)計(jì)為外層走線的約兩倍寬。
作為一個(gè)大致的指導(dǎo)方針，下表顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中較長(zhǎng)走線（超過(guò)大約 2 cm）的建議走線寬度。
如果空間允許，使用更寬走線或覆銅區(qū)的布線可使溫升和壓降達(dá)到最低。
b、熱通孔：盡可能多地使用
通孔是小型的電鍍孔，通常用于將一根走線從一層穿至另一層。雖然熱通孔采用同樣的方式制成，但卻用于將熱量從一層傳至另一層。適當(dāng)使用熱通孔對(duì)于 PCB 的散熱至關(guān)重要，但是必須考慮幾個(gè)工藝性問(wèn)題。
通孔具有熱阻，這意味著當(dāng)熱量流過(guò)通孔時(shí)，通孔之間會(huì)出現(xiàn)一些溫降，測(cè)量單位為℃/W。為使這一熱阻降至最低，并提高通孔傳輸熱量時(shí)的效率，應(yīng)使用大通孔，且孔內(nèi)應(yīng)含有盡可能多的銅面積。
應(yīng)使用大通孔（圖為通孔的橫截面），且孔內(nèi)應(yīng)含有盡可能多的銅面積，以使熱阻降至最低。? ?? ???
盡管在 PCB 的開口區(qū)域可以使用大通孔，但通孔往往置于 IC 板區(qū)域內(nèi)，以直接從 IC 封裝中轉(zhuǎn)移熱量。在這種情況下，無(wú)法使用大通孔。這是因?yàn)榇笮偷碾婂兺卓赡軙?huì)導(dǎo)致“滲錫”，即用于連接 IC 與 PCB 的焊料向下流入通孔中，從而導(dǎo)致焊接點(diǎn)質(zhì)量不佳。
可以通過(guò)幾種方式來(lái)減少滲錫。其中一種是使用非常小的通孔，以減少滲入到孔中的焊料量。然而，小型通孔的熱阻更高，因此為實(shí)現(xiàn)相同的熱力性能，需要更多的通孔。
另一種技術(shù)是在板的背面為通孔“搭帳篷”。這需要移除板背面阻焊層中的缺口，以使阻焊層材料蓋住通孔。如果通孔較小，阻焊層將塞住通孔；因此，焊料就無(wú)法滲透 PCB。
不過(guò)，這可能會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)問(wèn)題：焊劑聚集。通孔被塞住后，通孔中可能會(huì)聚集焊劑（焊膏的一種成分）。一些焊劑配方可能具有腐蝕性，如不去除，時(shí)間一長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。不過(guò)，現(xiàn)代大多數(shù)免清洗焊劑工藝不具有腐蝕性，且不會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。
請(qǐng)注意，熱通孔不得使用熱風(fēng)焊盤，它們必須直接連接至銅區(qū)域。
熱通孔應(yīng)直接連接PCB 上的銅區(qū)域。? ?? ???
建議 PCB 設(shè)計(jì)人員與表面貼裝技術(shù) (SMT) 工藝工程師一起檢查 PCB 組裝件，以選擇適用于該組裝件工藝的最佳通孔尺寸和結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)熱通孔置于 IC 板區(qū)域內(nèi)時(shí)。
c、電容的布放
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 的元件布局指南與其他類型的電源 IC 類似。旁路電容器應(yīng)盡可能地靠近器件電源引腳，而大容量電容器則置于其旁邊。許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 使用引導(dǎo)和/或電荷泵電容器，其同樣應(yīng)置于 IC 附近。
大多數(shù)信號(hào)直接在頂層路由。電源從大容量電容器路由至底層的旁路和電荷泵電容器，同時(shí)在各層過(guò)渡之處使用多個(gè)通孔。
TSSOP 和 QFN 封裝的器件底層有一個(gè)較大的外露式 IC 板。該 IC 板連接至芯片的背面，用于去除器件中的熱量。該 IC 板必須充分焊接至 PCB 上，以消耗功率。
為沉積該 IC 板的焊膏而使用的模具開口并不一定會(huì)在 IC 數(shù)據(jù)表中詳細(xì)說(shuō)明。通常，SMT 工藝工程師對(duì)模具上應(yīng)沉積多少焊料以及模具應(yīng)使用何種圖案有其自己的規(guī)則。
如果使用類似于 IC 板大小的單個(gè)開口，則會(huì)沉積大量焊膏。這樣可能會(huì)因焊料熔化時(shí)的表面張力而導(dǎo)致器件被抬起。另一個(gè)問(wèn)題是焊料空洞（焊料區(qū)域內(nèi)的空腔或缺口）。在回流焊過(guò)程中，焊劑的揮發(fā)性成分蒸發(fā)或沸騰時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)焊料空洞。這可能會(huì)導(dǎo)致焊料被推出焊接點(diǎn)。
為解決這些問(wèn)題，針對(duì)面積大于約 2 平方毫米的 IC 板，焊膏通常沉積在幾個(gè)小的方形或圓形區(qū)域。將焊膏分成更小的區(qū)域可使焊劑的揮發(fā)性成分更易于逸散出焊膏，而不會(huì)使焊料移位。
QFN 封裝的該焊料模有四個(gè)小開口，用于沉積中央IC 板上的焊膏。? ?? ???
SOT-23 和 SOIC 封裝
標(biāo)準(zhǔn)的引線封裝（如 SOIC 和 SOT-23 封裝）通常用于低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。
為了充分提高引線封裝的功耗能力，采用“倒裝芯片引線框架”結(jié)構(gòu)。在不使用接合線的情況下，使用銅凸點(diǎn)和焊料將芯片粘接至金屬引線，從而可通過(guò)引線將熱量從芯片傳導(dǎo)至 PCB。
倒裝芯片引線框架結(jié)構(gòu)有助于充分提高引線封裝的功耗能力。
通過(guò)將較大的銅區(qū)域連接至承載較大電流的引線，可優(yōu)化熱性能。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 上，通常電源、接地和輸出引腳均連接至銅區(qū)域。
如下圖所示為“倒裝芯片引線框架”SOIC 封裝的典型 PCB 布局。引腳 2 為器件電源引腳。請(qǐng)注意，銅區(qū)域置于頂層器件的附近，同時(shí)幾個(gè)熱通孔將該區(qū)域連接至 PCB 背面的銅層。引腳 4 為接地引腳，并連接至表層的接地覆銅區(qū)。引腳 3（器件輸出）也被路由至較大的銅區(qū)域。
倒裝芯片 SOIC PCB 布局
請(qǐng)注意，SMT 板上沒(méi)有熱風(fēng)焊盤；它們牢牢地連接至銅區(qū)域。這對(duì)實(shí)現(xiàn)良好的熱性能至關(guān)重要。
QFN 和 TSSOP 封裝
TSSOP 封裝為長(zhǎng)方形，并使用兩排引腳。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 的 TSSOP 封裝通常在封裝底部帶有一個(gè)較大的外露板，用于排除器件中的熱量。
TSSOP 封裝通常在底部帶有一個(gè)較大的外露板，用于排除熱量。
QFN 封裝為無(wú)引線封裝，在器件外緣周圍帶有板，器件底部中央還帶有一個(gè)更大的板。這個(gè)更大的板用于吸收芯片中的熱量。
為排除這些封裝中的熱量，外露板必須進(jìn)行良好的焊接。外露板通常為接地電位，因此可以接入 PCB 接地層。
在理想情況下，熱通孔直接位于板區(qū)域。在的 TSSOP 封裝的示例中，采用了一個(gè) 18 通孔陣列，鉆孔直徑為 0.38 mm。該通孔陣列的計(jì)算熱阻約為 7.7°C/W。
采用了一個(gè) 18 熱通孔陣列的 TSSOP 封裝 PCB 布局
通常，這些熱通孔使用 0.4 mm 及更小的鉆孔直徑，以防止出現(xiàn)滲錫。如果 SMT 工藝要求使用更小的孔徑，則應(yīng)增加孔數(shù)，以盡可能保持較低的整體熱阻。
除了位于板區(qū)域的通孔，IC 主體外部區(qū)域也設(shè)有熱通孔。在 TSSOP 封裝中，銅區(qū)域可延伸至封裝末端之外，這為器件中的熱量穿過(guò)頂部的銅層提供了另一種途徑。
QFN 器件封裝邊緣四周的板避免在頂部使用銅層吸收熱量。必須使用熱通孔將熱量驅(qū)散至內(nèi)層或 PCB 的底層。
采用9個(gè)熱通孔的 QFN 封裝 PCB 布局
圖中的 PCB 布局所示為一個(gè)小型的 QFN (4 × 4 mm) 器件。在外露板區(qū)域中，只容納了九個(gè)熱通孔。因此，該 PCB 的熱性能不及 TSSOP 封裝。
倒裝芯片 QFN 封裝
倒裝芯片 QFN (FCQFN) 封裝與常規(guī)的 QFN 封裝類似，但其芯片采取倒裝的方式直接連接至器件底部的板上，而不是使用接合線連接至封裝板上。這些板可以置于芯片上的發(fā)熱功率器件的反面，因此它們通常以長(zhǎng)條狀而不是小板狀布置。
這些封裝在芯片的表面采用了多排銅凸點(diǎn)粘接至引線框架。
FCQFN 封裝在芯片的表面采用了多排銅凸點(diǎn)粘接至引線框架
小通孔可置于板區(qū)域內(nèi)，類似于常規(guī) QFN 封裝。在帶有電源和接地層的多層板上，通孔可直接將這些板連接至各層。在其他情況下，銅區(qū)域必須直接連接至板，以便將 IC 中的熱量吸入較大的銅區(qū)域中。
下圖器件具有較長(zhǎng)的電源和接地板，以及三個(gè)輸出口。請(qǐng)注意，該封裝只有 4 × 4 mm 大小。
FCQFN封裝IC的 PCB 布局
器件左側(cè)的銅區(qū)域?yàn)楣β瘦斎肟?。這個(gè)較大的銅區(qū)域直接連接至器件的兩個(gè)電源板。
三個(gè)輸出板連接至器件右側(cè)的銅區(qū)域。注意銅區(qū)域在退出板之后盡可能地?cái)U(kuò)展。這樣可以充分將熱量從板傳遞到環(huán)境空氣中。
同時(shí)，注意器件右側(cè)兩個(gè)板中的數(shù)排小通孔。這些板均進(jìn)行了接地，且 PCB 背面放置了一個(gè)實(shí)心接地層。這些通孔的直徑為 0.46 mm，鉆孔直徑為 0.25 mm。通孔足夠小，適合置于板區(qū)域內(nèi)。
綜上所述，為了使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 實(shí)施成功的 PCB 設(shè)計(jì)，必須對(duì) PCB 進(jìn)行精心的布局。
編輯：黃飛
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