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LCD背光
数码相机TFT-LCD的背光及亮度调整方式设计
TFT-LCD液晶面板主要是由两块无钠玻璃夹着一个由偏光板、液晶层和彩色滤光片构成的夹层所组成。
偏光板、彩色滤光片决定了有多少光可以通过以及生成何种颜色的光线。
TFT-LCD液晶显示器的缺点在于亮度、画面均匀度、可视角度和反应时间上与CRT显示器有比较明显的差距。
其中反应时间和可视角度均取决于液晶面板的质量,画面均匀度和辅助光学模块有很大关系。
而液晶显示器的亮度主要取决于背光光源。
TFT-LCD的两种背光方式早期采用高压驱动氖管作为数码相机的背光光源,因为高压氖管的背光驱动线路复杂,要求驱动电压高,背光不均匀,已逐步淘汰。
因此,高亮度发光二极管(LED)取代高压氖管成为TFT-LCD背光驱动的主流。
半导体LED,尤其是氮化物白光发光二极管,具有如下优点_体积小、电压低、寿命长、回应快、无频闪、耗能少、发热少等,正逐渐成为新一代绿色、节能、环保、长寿命全固体照明光源。
TFT-LCD液晶背光源现已几乎全部使用LED背光光源。
背光LED的电流驱动TFT-LCD背光亮度调整及驱动的两种方法:
背光电流驱动电路,如图1所示。
图1背光电流驱动电路说明:
(1)VD:
TFT-LCD背光工作直流电源,大小依LCD厂商提供的规格设计。
(2)三极管Q1,Q2组成一个恒流源电路,Q1Q2工作在放大状态,当Q2工作时,调节B极电阻R22使Q2的C极电流达到额定电流值。
因为LED发光二极管,导通后内阻会变小,电流会逐渐增大,增加Q1目的是分流Q2的B极电流,调节反馈电阻R20就可以控制流过背光发光二极管的电流并通过Q1使电流达到稳定。
(3)LCD_BL是CPU控制信号,此信号为方波,信号频率是固定的,例如7.5KHz。
通过软件调节改变信号占空比,控制Q2导通时间,可控制单位时间内流过发光二极管的电流,改变TFT-LCD的亮度。
(4)TFT-LCD亮度设定一个默认值0,将亮度分为7~11个等级,即-5/-4/-3/-2/-1/0/1/2/3/4/5,如厂商提供的LCD背光电流标称值为20mA,则意味调整背光电流最好不要超过此值太多,否则对背光LED寿命有影响。
由于背光LED单体差异,当工作电流小于标称值时,LED的发光亮度差异比较大。
下表数据为某相机使用以上电路作为TFT-LCD背光亮度调整对,对同一款TFT-LCD测试获得的数据。
LCD背光测试资料
LCD亮度等级-505
电流电压电流电压电流电压
1#4mA13.5V4mA13.5V15mA13.5V
2#4mA13.5V4mA13.5V16mA13.5V
3#4mA13.5V15mA13.5V19mA13.5V
4#5mA13.5V17mA13.5V21mA13.5V
备注_亮度等级_-5,LCD_BLduty=30%0default,LCD_BLduty=60%-5,LCD_BLduty=95%从以上测试结果资料发现,在default0时,1#和2#级LCD亮度是低于亮度要求标准,(亮度标准不小于250cd/m2,表中只列出背光电流值,没有列出测试的亮度数值)并且工作电流远小于规格要求。
(5)相机背光亮度软件设定的default0,采用输出占空比为60%~70%,在此默认值情况下调节电路,使背光电流恒定在厂商要求的规格(如20mA)可以确保TFT-LCD亮度值比较稳定。
以上电路虽然线路简单,软件调整方便,但实际效果不理想,因为背光LED差异,很难确保TFT-LCD亮度控制的一致性。
新一代相机都使用恒流源背光,用软件调整信号幅度来实现亮度调整。
背光恒流驱动电路,如图2所示。
图2背光恒流源驱动电路MAXIM公司
MAX1567是许多数码相机使用的一款电源芯片,它内部集成有六个通道,可提供六路电源给相机使用,软启动电路也集成在IC内部,确保在开机时不会出现大电流。
其中MAIN、SET-UP、SET-DOWN三个通道的MOSFET都集成在IC内部,为PCB设计小型化提供了方便,DL1~DL3三个通道根据设计者的要求可做为升压型或降压型电路使用,其中DL3通道又可做为一个背光恒流源通道使用。
以TOPPLY公司的TP018ALED为例,规格要求背光电压为10.5V,电流为20mA,所以电路设计选用升压型电路,为确保电池在低电压状态下能够比较容易开机,电感L计算后选取3.3uH,使升压型电路工作在非连续模式。
说明:
(1)升压电路输出电压调节:
电阻R1,R2串联到地,R2上的分压反馈给ICPIN1脚,此脚内部OFFSET电压为1.25V,要求电流小于100nA,电阻R1和R2计算如下:
VOUT=10.5V,
ILEAKCURRENT=VOUT/R1<100nA,则R1>105MΩ,选取R1=110MΩ
由VFBH=VOUT*R2/(R1+R2)=1.25,计求得R2=14.8MΩ,
(2)电流反馈回路电阻选取:
TP018ALED背光电流为20mA,PIN39为电流反馈端,内部OFFSET电压为0.2V,输入阻抗非常大,电阻R接近于串联在背光LED电路中,可得出R=10Ω。
(3)恒流调节过程:
当FB3L脚OFFSET电压为0.2V时,说明背光电流达到规定值20mA,当PIN39引脚反馈电压小于0.2V时,即背光电流未到规定值,则升压电路控制端PIN35输出的控制信号占空比增大,使输出电路电压升高,从而提高驱动电流,达到恒流设计的20mA为止。
(4)在设计测试过程中发现,因TFT-LCD单体差异,即使背光电源达到规定要求的10.5V,电流也未必达到20mA,所以亮度会有差异。
解决的办法是升压电路输出电压设计值要比规定要求的10.5V高一些,根据测试调节值分析,比规定值高出2~3V比较合适。
依VOUT=13.5V设计,求得R1=140MΩ,R2=14.2MΩ。
从而确保TFT-LCD背光亮度的一致性,此设计通过生产验证达到设计目的。
(5)TFT-LCD输入信号一般有模拟及数字两种方式,对于模拟输入信号,通过软件调节R,G,B三基色信号的幅值,并由示波器测量可达到控制亮度的目的。
具体软件调节方式的软件程序在此不详细列出。
结语
通过以上TFT-LCD背光亮度调整及驱动两种方式的分析,第二种TFT-LCD背光恒流电路及软件亮度调整是一种比较理想的方式,在数码相机应用中得到了验证,是一款比较合理的解决方案。
核心器件:
DS3984DS3988
LCD电视应用中可以采用多种架构产生驱动CCFL所需的交流波形,驱动多个CCFL时所要面对的三个关键的设计挑战是选择最佳的驱动架构、多灯驱动、灯频和脉冲调光频率控制。
本文对四种常用驱动架构进行了对比分析,并提出多灯设计中解决亮度不均以及驱动频率可能干扰画面等问题的方法,并给出基于DS3984/DS3988的电路方案。
液晶显示器(LCD)正在成为电视的主流显示技术。
LCD面板实际上是电子控制的光阀,需要靠背光源产生可视的图像,LCD电视通常用冷阴极荧光灯提供光源。
其他背光技术,例如发光二极管也受到一定的重视,但由于成本过高限制了它的应用。
由于LCD电视是消费品,压倒一切的设计考虑是成本—当然必须满足最低限度的性能要求。
驱动背光灯的CCFL逆变器不能明显缩短灯的寿命。
此外,由于要用高压驱动,安全性也是一个必须考虑的因素。
LCD电视应用中,驱动多个CCFL时所要面对的三个关键的设计挑战是:
挑选最佳的驱动架构;多灯驱动;灯频和脉冲调光频率的严格控制。
挑选最佳的驱动架构
可以用多种架构产生驱动CCFL所需的交流波形,包括Royer(自振荡,self-oscillating)、半桥、全桥和推挽。
表1详细归纳了这四种架构各自的优缺点。
表1:
CCFL驱动架构比较。
1.Royer架构
Royer架构(图1)的最佳应用是在不需要严格控制灯频和亮度的设计中。
由于Royer架构是自振荡设计,受元件参数偏差的影响,很难严格控制灯频和灯电流,而这两者都会直接影响灯的亮度。
因此,Royer架构很少用于LCD电视,尽管它是本文所述四种架构中最廉价的。
图1:
Royer驱动器简单,但不太精确。
2.全桥架构
全桥架构最适合于直流电源电压非常宽的应用(图2),这就是几乎所有笔记本PC都采用全桥方式的原因。
在笔记本中,逆变器的直流电源直接来自系统的主直流电源,其变化范围通常在7V(低电池电压)至21V(交流适配器)。
有些全桥方案要求采用p沟道MOSFET,比n沟道MOSFET更贵。
另外,由于固有的高导通电阻,p沟道MOSFET的效率更低。
图2:
全桥驱动器很适合于大范围的直流电源。
3.半桥架构
相比全桥,半桥架构最大的好处是每个通道少用了两只MOSFET(图3)。
但是,它需要更高匝比的变压器,这会增加变压器的成本。
还有,如同全桥架构一样,半桥架构也可能会用到p沟道MOSFET。
图3:
半桥驱动器比全桥驱动器少用两个MOSFET。
4.推挽架构
推挽驱动器有很多好处:
这种架构只用到n沟道MOSFET(图4),这有利于降低成本和增加逆变器效率;它很容易适应较高的逆变器直流电源电压;采用更高的逆变器直流电源电压时,只需选择具有合适的漏-源击穿电压的MOSFET即可。
不管逆变器的直流电源电压如何,都可采用同样的CCFL控制器。
但采用n沟道MOSFET的全桥和半桥架构就无法做到这一点。
图4:
推挽驱动器非常简单,还可精确控制。
推挽架构最大的缺点是要求逆变器直流电源电压的范围小于2:
1。
否则,当直流电源电压处于高端时,由于交流波形的高振幅因数,系统的效率会降低。
这使推挽架构不适用于笔记本PC,但对于LCD电视非常理想,因为逆变器直流电源电压通常会稳定在±20%以内。
多灯驱动
CCFL已在笔记本PC、数码相机、导航系统以及其他具有较小LCD屏的设备中使用多年。
这些类型的设备通常只用一个CCFL,因此,传统设计只用一个CCFL控制器。
随着大尺寸LCD面板的出现,带来对多CCFL的需求,有必要采用新的方式来应对这种新的需求。
可能的方式之一是采用一个单通道CCFL控制器来驱动多个灯(图5)。
这种方式中,CCFL控制器只通过其中的一个灯来监测灯电流,而以几乎相同的交流波形同时驱动所有并联的灯。
然而,这种方式存在着几个缺陷。
图5:
由于亮度不均匀以及其他的一些考虑,用一个单通道CCFL控制器控制多个灯不太理想。
第一个问题是如何保持所有灯的亮度一致,以便使显示器不会出现明显的亮区和暗区。
用相同的波形驱动所有灯,由于灯阻抗的差异,会造成亮度不均匀。
而且,CCFL的亮度随温度而变。
由于热气上升,面板顶部的灯会比面板底部的灯热,这也会造成亮度不均匀。
用一个单通道CCFL控制器驱动多个灯的第二个缺点是,单灯的失效(例如破损)会造成所有灯关闭。
第三个缺点,由于是并联驱动所有灯,同时打开和关闭这些灯,这就要求逆变器直流电源必须采用更大的电容增强去耦效果,这会增加逆变器的成本和尺寸。
解决上述诸问题的一条途径就是每个灯用一个单独的CCFL控制器。
然而,这种方式的主要缺点就是增加的CCFL控制器带来了额外的成本。
为LCD面板提供背光的理想方案是多通道CCFL控制器,它的每个通道独立驱动和监测每个灯。
这种多通道CCFL控制器既解决了亮度不均匀和单灯失效问题,并降低了去耦要求,而且还具有高成本效益。
对灯和脉冲调光的严格控制
由于LCD电视需要显示动态且连续移动的画面,它有一些在静态显示应用(例如计算机监视器和笔记本PC)中所没有的特殊要求。
CCFL的驱动频率可能会干扰LCD屏上显示的画面。
如果灯频接近视频刷新频率的某个倍频,就会在屏幕上出现缓慢移动的线或带。
通过严格控制灯频在±5%以内,可以消除这种问题。
用于调节灯亮度的脉冲调光频率也要求同样的严格控制。
这种调光方式通常是采用30Hz至200Hz频率范围的脉宽调制(PWM)信号,在短时间内将灯关闭,达到调光目的。
由于关闭时间很短,不足以使电离态消失。
如果脉冲调光频率接近垂直同步频率的倍频,也会产生滚动线。
同样,将脉冲调光频率严格控制在±5%以内就可以消除这个问题。
另外,在有些LCD电视中,为了改善LCD屏的图像响应,还要求缓慢的CCFL脉冲调光频率与视频垂直同步频率同步起来。
解决LCD电视背光挑战的方案
DS3984(四通道)和DS3988(八通道)CCFL控制器解决了本文所提到的所有这些设计挑战。
可将这些器件配置为每个通道驱动一个灯(图6),或者每通道多个灯(图7),用户可灵活裁减设计,以满足自己的性价比目标。
多个DS3984/DS3988可轻松级联,以支持任意数量的灯来为LCD电视屏提供背光。
图6:
DS3984/DS3988单独驱动和监视每个灯,为LCD电视和PC监视器提供均匀亮度。
图7:
DS3984/DS3988的每个通道也可驱动多个灯
DS3984/DS3988采用推挽驱动架构,可以使用更低成本、更高效率的n沟道MOSFET。
逆变器直流电源电压也可采用更高的电压。
单独的灯控制和监测可提供均匀的亮度,并减少逆变器的元件总数。
采用单独的灯控制时,如果某一个灯失效,仅会使这个失效的灯停止工作,其他灯继续工作,并不会受影响。
片上振荡器产生的灯频和脉冲调光频率被严格限定在±5%水平,消除了对于显示图像的影响,并且也可被同步至外部时钟源。
冷阴极荧光灯
冷阴极荧光灯(CCFL)是一种长而细的密封玻璃管,内充惰性气体。
当给灯管施加高电压时,气体被电离,产生紫外线(UV)。
紫外线打到内壁涂敷的荧光材料上使其激发,发出可见光。
CCFL有许多优点,包括:
它是优良的白光源;低成本;高效率(光输出与输入电功率之比);长寿命(>25千时);稳定、确定的工作状态;容易调节亮度;重量轻。
CCFL有一些特殊性能,必须仔细考虑以最大化其效率、寿命和实用性。
然而,这些特性带来了一些特殊的设计挑战。
例如,为了最大化灯管的寿命,需要采用交流波形驱动CCFL。
任何直流成分会使一部分气体聚集在灯管的一端,造成不可逆转的光梯度,使灯管的一端比另一端更亮。
此外,为了最大化其效率(光输出与输入电功率之比),需要用接近正弦的波形驱动灯管。
因此,CCFL通常需要一个直流-交流逆变器来将直流电源电压变成40kHz至80kHz的交流波形,工作电压通常在500VRMS至1000VRMS。
在LCD个电视中的灯等间隔地分布在整个LCD背板上,以提供最佳的光分布。
重要的是,所有灯要工作在相同的亮度下。
尽管在CCFL灯管和LCD面板之间安排有散光器,可协助均匀分布背光,不均匀的灯管亮度仍然很容易被察觉,并影响电视的图像质量。
因LCD面板尺寸而异,用到的CCFL灯数量可能会多达30甚至40个。
TFT-LCD的结构
从TFT-LCD的切面结构图(图1)可以看到LCD是由二层玻璃基板夹住液晶组成的,形成一个平行板电容器,通过嵌入在下玻璃基板上的TFT对这个电容器和内置的存储电容充电,维持每幅图像所需要的电压直到下一幅画面更新。
液晶的彩色都是透明的必须给LCD衬以白色的背光板上才能将五颜六色表达出来,而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色灯光。
因此在TFT-LCD的底部都组合了灯具,如CCFL或LED。
图1 TFT-LCD的切面结构图
TFT-LCD需要背光
由于LCD面板本身并不发光,因此需要背光,液晶显示器就必须加上一个背光板,来提供一个高亮度,而且亮度分布均匀的光源。
LCD实际上是打开来自其后面光源的光来表现其色彩的。
目前的常用背光源是CCFL或LED。
CCFL背光源
现在几乎所有的较大面积的LCD显示器都使用CCFL(冷阴极荧光灯)背光,这些CCFL的驱动需要非常高的交流电压波形。
一般笔记本和显示器的面板只需要一个CCFL控制器,然而大面板、TV类型的显示器要求更亮的背光,也即需要更多的CCFL,因而需要更多的驱动器。
来自这些CCFL的光还必须匹配,否则显示屏的图像亮度将不均匀。
采用CCFL技术作为背光源会严重影响在LCD显示器上显示的色谱。
典型的CCFL背光使LCD显示器只能再现不到50%的NTSC信号所能传输的色彩。
为了改善CCFL的不足,TI和MAXIM等IC厂商分别推出几款高性能电源管理器件如TPS65160、MAX1997/8、MAX1513/4,它们不但具备高转换效率,还能满足薄膜晶体管(TFT-LCD)液晶屏幕的所有电压需求,为液晶显示器提供完备的供电方案。
并提供安全的大电流控制能力,适用于现今大型液晶显示器和液晶电视的电源管理器件(图2)。
它们内置高效率的直流转换控制器、两个电荷泵、多种安全功能,以及可调式开机电源顺序控制。
电压输入的范围较宽;内置1.5-2.6A交换升压转换器,为系统提供源极电压VCOM=15V/1.5A,一个大电流背板驱动器;一个珈玛基准电压Vgamma=15V/30mA;而1.8A异步降压转换器供应逻辑电压VLOGIC=3.3V/1.5A;还提供可调式稳压输出的正电荷泵输出VGON=23V/50mA和负电荷泵驱动器输出VGOFF=-5V/50mA,以保证屏幕显示画面质量。
它们拥有快速瞬时响应能力,其高达95%的电源转换效率有助于节省电力。
它们还包含多种安全功能,例如升压转换器的电压过载保护、降压转换器的短路保护,以及过热关机功能,从而避免了温度或功耗过高所造成的损害。
除此之外,电压过低锁定(UVLO)功能会在电压过低时将器件关机,提供进一步保护。
采用薄型QFN封装,最大高度仅0.8mm,适合超薄型LCD面板。
图2 TFT-LCD显示器系统需要多档电源电压。
LED背光源
如今用新的大功率、高亮度的LED技术作为背光源,可以将对NTSC信号色谱的覆盖率提高到超过100%。
另外,这些新LED背光没有CCFL背光所需的水银,非常适合绿色环保应用。
LED背光还具有很多其它优点。
对于大面积面板,可采用分离的红色、绿色和蓝色LED,这使显示器的色温可以很容易进行调整。
这些器件的快速响应特性还使它们非常适合于频闪背光(strobingbacklight)应用。
LED的驱动需要一定的电压和电流,手提产品的电源都是电池,因此就需要升降压电压变换的电源管理电路。
如今各种微型电压升降压芯片技术也日显成熟,产品也在不断增加,符合PMP/MP4、DSC、DV的TFT-LCD需要的,能同时多路输出它们需要的不同电压的集成电源管理芯片组(SOC)也在迅速推出之中。
TFT-LCD显示器系统需要多档电源电压,如PMP/MP4常用的三星3.5_和4_的TFT-LCD,它们的结构如图3所示,它们由TFT玻璃(TFTglass)、颜色滤波器(Colorfilter)、显示区(Displayarea)、背光板和背光源(Backlight)四部分叠加组成。
图4是三星3.5_的TFT-LCD电路图。
它们的主要技术参数是:
VIN=2.1-4.0V,VSW=15V/1.4A、VS=15V;用6个LED串联做背光源,每个LED的VF=3.4V、IF=20mA,因此需要一个24V/50mA的电压来驱动。
常常选用带电感的DC/DC来升压,再加上倍压电路,输出多档电源电压满足TFT-LCD的需要,如图5所示。
目前MP3、PMP/MP4、DSC、DV等的小尺寸TFT-LCD屏的低成本背光驱动方案常常是采用这种方法来设计实用电路的。
图3 三星4_的TFT-LCD结构图
图4 三星3.5_的TFT-LCD电路图
图5 升压、倍压产生多档电源电压电路
新背光源
正在研发的新背光源还有好多种,如日本DiaLight开发成功了一款采用碳纳米管的场发射型高亮度背光灯,适用于LCDTV等大屏显示器。
从原理上讲,可实现15万cd/m2的超高亮度。
除可作为电视机和手机的背光灯使用外,还可用作特殊光源。
此背光灯通过在使用碳纳米管的平面电极(发射极)上施加高压电场,使放射出的电子射向荧光板而发光。
除了高发光效率、低能耗和高亮度发光外,还具有无汞、长寿命以及高速响应等特点。
比如说,按32英寸的背光灯换算,发光效率为80lm/W、亮度为1万5000cd/m2、耗电量为85W、寿命为5万小时、响应速度为100μs。
相比,采用冷阴极管(CCFL)的情况是:
效率为50lm/W、亮度为1万2000cd/m2、耗电量为110W,寿命为5万小时、响应速度为10_15ms;采用白色LED的情况是:
效率为30lm/W、亮度为9500cd/m2、耗电量为185W、寿命为5万小时、响应速度为数十ns。
TI可调光冷阴极荧光灯电子镇流器电路
6.3.1 采用TI的UC3871可调光冷阴极荧光灯电子镇流器
采用TIUC3871的可调光冷阴极荧光灯电子镇流器典型应用电路如图6-53所示。
它是一个谐振式电路,主要用于荧光灯和LCD背光照明驱动电路。
该电路主要由三部分电路组成:
一个是采用Buck电路的PWM控制输出电压可调的稳压器,为谐振推挽 变换电路供电;另一个是工作于零电压开关的谐振推挽变换电路,利用它提供一个稳定的、可调的高压交流电压,为冷阴极荧光灯供电;还有一个工作于PWM控制方式的低压直流稳压电源的工作频率同步于零电压开关的谐振推挽变换电路的工作频率。
这三部分电路简单图如图6-54所示。
这个电路可用于笔记本电脑和便携式仪器的LCD显示器的背光照明光源等应用场合。
在这些应用场合中,需要一个电压可调的高压交流电源(用于驱动冷阴极荧光灯)和一个为使LCD正常工作所需的输出电压可调的低压直流供电电源。
UC3871可提供工作电流很小的待机功能,以降低电器的电池耗电,省掉了一个待机开关。
这个电路的主要技术指标如下:
1输入直流工作电压Vin:
4.5~1.8V。
2LCD的供电:
Vlcd,-12~-24V;Ilcd,25mA。
3荧光灯启动电压V启动:
900V(峰值)。
4荧光灯工作电压V工作:
350V(峰值)。
5荧光灯工作电流I工作:
0.5~5mA(平均值)。
6谐振推挽变换电路工作频率:
50kHz。
图6-53所示为采用UC3871的可调光冷阴极荧光灯电子镇流器和LCD驱动电路。
UC3871可以提供这个电路所需的所以功能。
Buck变换器电路提供整个电路所需的过零信号和同步信号,并为ZVS谐振推挽变换电路供电。
UC3871内Buck变换器中的调制器的输出信号直接驱动外接的P沟道MOSFET晶体管,占空比变化范围为0~100%。
UC3871内为LCD供电的驱动电路也可直接驱动外接P沟道MOSFET晶体管,但是它的占空比变化范围为0~95%。
图6-55为UC3871内的振荡和同步电路框图,振荡器同步频率范围为3:
1,而实际应用中这个同步频率范围1.5:
1就可以了。
UC3871内的过零检测比较器用以检测推挽变压器中心轴头的电压,当谐振波形过零时,产生一个同步脉冲。
UC3871的13引脚过零检测的阈值电压为0.5V,具有激励延迟信号失调的补偿功能。
同步脉冲宽度定义为:
定时电容放电电流为4mA时,定时电容上的放电电压放电至0.1V时所需的时间。
这个脉冲宽度决定了为LCD供电的调制器最小关断时间,并且这个脉冲宽度决定了为推挽谐振变换器提供供电的Buck变换器的最小线性控制范围。
定时电容在200μA充电电流下的最大充电电压为3V,当定时电容至1V时过零检测信号才有效,以避免产生多个脉冲同步信号,并由此设定同步电路的最大工作频率。
如果充电电容上的电压达到3V时而过零检测信号还未产生,这时UC3871内会产生一个内部时钟信号,用以限制同步电路的最小工作频率。
UC3871内
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