Hallo Leute, um die Simulation des Eingangsfilters meiner 50V/50A Vollbrücke in SMD-Technik zu verbessern möchte ich die Impedanz einzelner Leiterstrukturen bestimmen. Ist es richtig, dass dies die Domäne der Platzhirsche wie Altium ist? Oder kann ich z.B. bei Kicad zwei Punkte anklicken und er rechnet die Induktivität dazwischen aus. Ich nutze z.Z. Eagle 6.3 und LTspice. Mir würde bereits ein Tool reichen, wo ich die Induktivität einer Freiformfläche bestimmen könnte Vielen Dank für Tips, Bernd
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Bernd K. schrieb: > Hallo Leute, > um die Simulation des Eingangsfilters meiner 50V/50A Vollbrücke in > SMD-Technik zu verbessern möchte ich die Impedanz einzelner > Leiterstrukturen bestimmen. Und wozu soll dann dein LTspice Modell gut sein? Außerdem, schon mal was von Suffixen gehört? 0.000002 schreibt kein Mensch, eher 2u. https://www.analog.com/media/en/simulation-models/spice-models/ltspicegettingstartedguide.pdf?modelType=spice-models Seite 23 > Ist es richtig, dass dies die Domäne der Platzhirsche wie Altium ist? Glaub ich nicht so recht, auch wenn Altium vieles (zu vieles?) kann. > Oder kann ich z.B. bei Kicad zwei Punkte anklicken und er rechnet die > Induktivität dazwischen aus. Ich nutze z.Z. Eagle 6.3 und LTspice. > Mir würde bereits ein Tool reichen, wo ich die Induktivität einer > Freiformfläche > bestimmen könnte. Das kann man vielleicht so machen, aber ich bezweifle, daß das ein sinnvoller Weg ist. Zeig lieber mal dein Layout, dann kann man Hinweise zur Verbesserung geben.
Hallo Falk, mittels der Simulation möchte ich herausfinden, ob Schaltung bei die 62kHz/50A auch ohne externen 10mF-Elko arbeitet, ohne TVS-Dioden und Mosfets zu überhitzen. Man erkennt die 4 Mosfets. Oben im Bild ist 50V unten 0V. Auf der "Rückseite" sind Wago-Klemmen und Kupfer zur Verstärkung der Strompfade. (75µm-Kupfer) In der Mitte erkennt man oberhalb des Loches den 1µF Kondensator C2 (LT-Spice). Die 25µF Kondensatorbank C1 wird oben über eine 100µ Kupferfolie an 0V angeschlossen. Sie überspannt die Platine wie ein 3. Layer. (die genannten MLCC-Kapazitäten werden bei 60V erreicht) Mich interessiert die Induktivität der Anschlussleitung von C1 jeweils zu den LowSide-Source- und Highside-Drain-Anschlüssen. Unter Umständen muss ich mit R2 dämpfend eingreifen. (Snubber) Ansonsten gilt natürlich - Versuch macht kluch.
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Bernd K. schrieb: > Hallo Falk, > mittels der Simulation möchte ich herausfinden, ob Schaltung bei die > 62kHz/50A Hoppla! Bei welcher Spannung? > auch ohne externen 10mF-Elko arbeitet, ohne TVS-Dioden und > Mosfets zu überhitzen. Da fehlt noch der Schaltplan. > Man erkennt die 4 Mosfets. Oben im Bild ist 50V unten 0V. Auf der > "Rückseite" sind Wago-Klemmen und Kupfer zur Verstärkung der Strompfade. > (75µm-Kupfer) > In der Mitte erkennt man oberhalb des Loches den 1µF Kondensator C2 > (LT-Spice). Zeig mal lieber den Eagle-Schaltplan. > Die 25µF Kondensatorbank C1 wird oben über eine 100µ Kupferfolie an 0V > angeschlossen. Sie überspannt die Platine wie ein 3. Layer. > (die genannten MLCC-Kapazitäten werden bei 60V erreicht) > Mich interessiert die Induktivität der Anschlussleitung von C1 jeweils > zu den LowSide-Source- und Highside-Drain-Anschlüssen. Ohne Bild wird das eher schwierig zu bewerten sein. Siehe Netiquette. "Daran denken, dass die Leute im Forum nicht neben einem sitzen und alles so vor sich sehen wie der Fragesteller" > Unter Umständen > muss ich mit R2 dämpfend eingreifen. (Snubber) > Ansonsten gilt natürlich - Versuch macht kluch. Ja, aber vorher sollte man schon mal ein wenig drüber nachdenken.
Hier ist der Schaltplan. Das Modul funktioniert - ich will es nur im oben genannten Sinne verbessern. Wenn Berechnungen von freigewählten Geometrien zu schwierig sind, könnte man ja einfach die Platine ausmessen. Welche preiswerten Meßgeräte funktionieren im nH-Bereich noch ordentlich? (meine zeigen nur Null an)
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Bernd K. schrieb: > Ist es richtig, dass dies die Domäne der Platzhirsche wie Altium ist? Altium 21.5.1 kann sowas nicht.
Bernd K. schrieb: > Hier ist der Schaltplan. Das Modul funktioniert Ohje, das ist doch wieder der komische Treiber für die Halbbrücke. Es sit ein Wunder, daß der funktioniert und dir deine MOSFETs noch nicht abgeraucht sind. > - ich will es nur im > oben genannten Sinne verbessern. > Wenn Berechnungen von freigewählten Geometrien zu schwierig sind, könnte > man ja einfach die Platine ausmessen. "einfach": > Welche preiswerten Meßgeräte funktionieren im nH-Bereich noch > ordentlich? (meine zeigen nur Null an) Du hast da Problem erkannt. Aber was bringt dir der Meßwert? Am Ende geht es darum, die Verbindung so kurz und flächig wie möglich zu machen. Die Profis nehmen ausreichend viele Lagen in der Platine mit ausreichend Kupferstärke. Du lötest eine extra Kupferlage an. Naja, Multilayer für Arme. Viel mehr kann man da kaum machen. Lass es so und sein glücklich. Die Unterschiede kannst du sowieso nur schwer messen, zumal dir dazu vermutlich die Meßmittel sowie die Erfahrung fehlt. https://chemandy.com/calculators/flat-wire-inductor-calculator.htm https://k7mem.com/Ind_Wires_Strip.html Hiermit kann man die Induktivität grob abschätzen.
Eigentlich bin ich der Ansicht, daß man die Flächen der stromführenden Polygone nach Möglichkeit maximieren sollte, die höchste erhältliche Kupferdicke wählen. Obwohl nicht gezeigt, setze ich eine durchgehende Kupferfläche auf der entgegengesetzten Seite voraus. Für die Kontaktierung der Masseanschlüsse oben verwende so viel wie möglich kleinere Vias, weil Parallelschaltung von Induktivitäten, jene teilt. Jedes Via hat eine gewisse Induktivität. Je mehr Vias, desto weniger Verbindungs-Induktivität. Nun bin ich zwar der Meinung, daß die gegebenen stromführenden Flächen schon eine adäquat niedrige Leitungsimpedanz haben. Vielmehr solltest Du auch die Induktivitäten und parasitischen Eigenschaften Deiner Komponenten kennen und berücksichtigen und in Ersatzschaltung modellieren. Sei gewarnt, daß der gedankenlose Einsatz von KerCos mit niedrigem ESR die Probleme verstärken kann, weil niedrige ESR mit den unvermeidlichen Induktivitäten Resonanzgebilde auf "unbequemen" Frequenzen bilden können. Auch bei einigen nH ergeben viele uF Frequenzen in ungewünschten Regionen. Da sollte man bei Parallel-Schaltung auch Cs mit höheren ESR vorsehen, um künstlich dämpfenden Einfluß zu haben. Wenn Dir ein schneller Oszi zur Verfügung steht und Du verstehst wie man die Tastköpfe richtig und deren Masseveebindung anschließt, dann kannst Du ja sehen ob es Resonanzprobleme gibt. Gedämpfte Schwingungen bei den Schaltflanken deuten auf zu niedriges Gesamt ESR hin und Du mußt nötigenfalls nachhelfen.
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Gerhard O. schrieb: > Eigentlich bin ich der Ansicht, daß man die Flächen der stromführenden > Polygone nach Möglichkeit maximieren sollte, die höchste erhältliche > Kupferdicke wählen. Prinzipiell richtig, sagt aber wenig über die HF-Eigenschaften eines Polygons aus. > Obwohl nicht gezeigt, setze ich eine durchgehende > Kupferfläche auf der entgegengesetzten Seite voraus. Für die > Kontaktierung der Masseanschlüsse oben verwende so viel wie möglich > kleinere Vias, weil Parallelschaltung von Induktivitäten, jene teilt. > Jedes Via hat eine gewisse Induktivität. Je mehr Vias, desto weniger > Verbindungs-Induktivität. Auch prinzipiell richtig, aber auch hier fehlt immer wieder die quantitative Bewertung! Nicht jede Schaltung muss um jedes Nanohenry kämpfen. Ich sehe viel zu oft irgendwelche Platinen, die mit VIAs durchsiebt sind. Bei den meisten bezweifle ich die Notwendigkeit oder gar den nachweisbaren Vorteil dieser Unmengen an VIAs. Und aus solchen Verallgemeinerungen wird dann mal ganz schnell ein unsinniger Kult. Wieviel Nanohenry hat denn ein VIA ungefähr bei dir? Wieviel nH sind kritisch?
Falk B. schrieb: > Gerhard O. schrieb: >> Eigentlich bin ich der Ansicht, daß man die Flächen der stromführenden >> Polygone nach Möglichkeit maximieren sollte, die höchste erhältliche >> Kupferdicke wählen. > > Prinzipiell richtig, sagt aber wenig über die HF-Eigenschaften eines > Polygons aus. > >> Obwohl nicht gezeigt, setze ich eine durchgehende >> Kupferfläche auf der entgegengesetzten Seite voraus. Für die >> Kontaktierung der Masseanschlüsse oben verwende so viel wie möglich >> kleinere Vias, weil Parallelschaltung von Induktivitäten, jene teilt. >> Jedes Via hat eine gewisse Induktivität. Je mehr Vias, desto weniger >> Verbindungs-Induktivität. > > Auch prinzipiell richtig, aber auch hier fehlt immer wieder die > quantitative Bewertung! Nicht jede Schaltung muss um jedes Nanohenry > kämpfen. Ich sehe viel zu oft irgendwelche Platinen, die mit VIAs > durchsiebt sind. Bei den meisten bezweifle ich die Notwendigkeit oder > gar den nachweisbaren Vorteil dieser Unmengen an VIAs. Und aus solchen > Verallgemeinerungen wird dann mal ganz schnell ein unsinniger Kult. > > Wieviel Nanohenry hat denn ein VIA ungefähr bei dir? Wieviel nH sind > kritisch? Hi, Das weiß ich momentan auch nicht. Ist aber wesentlich unter 1nH und ist von Via Barrel Oberfläche und Dicke der LP abhängig. Bei Parallel -Schaltung ist es bei den zu erwartenden Frequenzen ziemlich vernachlässigbar. Das ist erst bei Mikrowellenfrequenzen von größerer Bedeutung. Bei Mikrowellen ist es wegen des Hauteffekts kritisch, daß die Vias nicht mit Lot gefüllt sind. Eine Modellierung der VerdrahtungsInduktivitöten ist hier ein overkill und auch schlecht erfassbar. Viel mehr Augenmerk muß auf die gewählten Cs gelenkt werden. Die großflächigen Polygonverbindungen und zahlreichere Vias sorgen automatisch für bestmögliche Performanz. Es sind die Komponenten selber, die da meßbar zu Problemen beitragen werden. Wie gesagt, schaffen hier oszilloskopische Untersuchungen mehr Einsicht. Falls beim schnellen Schalten gedämpfte Schwingungen erkennbar sind, deutet das auf ein zu hohes Q der Cs hin und kann hier behutsam Änderungen erzwingen. Ich bin der Ansicht, daß Messuntersuchungen hier mehr bringen als ambitionierte Simulation und CAD Analysis. Ich mache mir viel mehr Sorge mit den KerCos und deren optimale Bemessung. Darum geht es m. M. N. hier mehr. Das Ziel hier, muß möglichst schlechtes Q zu erzielen um unerwünschtes Anstossen von Schwingungen zu unterbinden. Jedenfalls wäre das meine Design Strategie.
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Gerhard O. schrieb: > Jedenfalls wäre das meine Design Strategie. Ja, das kann ich praktisch zu 100% unterschreiben ;-)
Tools um Induktivitäten aus geometrischen Strukturen zu berechnen gibt es, Stichwort FEM. Z.B. Comsol Multiphysics, Ansys Maxwell etc. Die meisten davon sind aber als Privatperson unbezahlbar. Ausserdem zählt bei diesen Tools mehr als bei vielen anderen dass man wirklich wissen muss was man tut und wie das Ergebnis zu verstehen ist. Das ist nichts was man in ein paar Wochen einfach so lernt. Ich habe unzählige bunte Bildchen in Papern gesehen die schlussendlich schön aussahen aber nutzlos waren weil der Ersteller die Resultate falsch interpretiert hat oder nicht gemerkt hat dass die Simulation unbrauchbare Resultate geliefert hat (z.B. aufgrund numerischer Probleme). Bezeichnend in diesem Zusammenhang sind diese Aussagen über die ich auch sonst immer wieder stolpere: Bernd K. schrieb: > Mich interessiert die Induktivität der Anschlussleitung von C1 jeweils > zu den LowSide-Source- und Highside-Drain-Anschlüssen. Falk B. schrieb: > Wieviel Nanohenry hat denn ein VIA ungefähr bei dir? Wieviel nH sind > kritisch? Die beiden Fragen implizieren einen Fehler den ich immer wieder höre, auch von sehr fähigen Ingenieuren, Technikern und Physikern. Das Problem ist, dass Induktivität nur für eine geschlossen Leiterschleifen definiert ist. Man kann keine Induktivität von einem Stück Leiterbahn definieren solange diese nicht eine geschlossene Schleife darstellt. Gerne zitierte Faustregeln wie "xx nH pro mm Leiterbahn" setzen immer voraus, dass die Schleife über eine unterbrechungsfreie Massefläche geschlossen wird. Für Vias ist dabei der Abstand zum anderen Via, das den Rückpfad darstellt, massgebend. Die Aussage "xx nH für ein einzelnes Via" ist sinnlos da nicht definiert. Mathematisch liegt das an der Tatsache, dass man zur Definition der Induktivität einen Spannungsbegriff und daher ein geschlossenes Linienintegral benötigt. Man berechnet daher Kommutierungsinduktivitäten für die gesamte Kommutierungsschleife und nicht für einzelne Leiterbahnen. Von Comsol gibts dazu auch ein pdf wo das mal angeschnitten wird da man wunderbar irgendwelche nicht existenten Induktivitätswerte berechnen lassen kann wenn man wenn man nicht weiss was man tut. Hab ich grad nicht zur Hand, es ging dabei um die Simulation eines einzelnen Stück Drahtes und dass das Ergebnis "überraschenderweise" von der Menge des umgebenden zwangsläufig mitsimulierten Raumvolumens abhängt. Ausserdem stellt sich die Frage was du mit dem Ergebnis schlussendlich machen würdest. Das Schaltverhalten der Mosfets wird von einem ganzen Stapel an Parasitics bestimmt, die Induktivitäten sind nur einer davon. Es gibt wissenschaftliche Publikationen zu dem Thema, meist mit dem Ziel aus den simulierten Schaltvorgängen die Schaltverluste zu bestimmen. Das zu simulieren kannst du mehr oder weniger vergessen. Du wirst sicher irgendein Ergebnis kriegen, allerdings wirst du abhängig von deinen gewählten Parametern (viele davon unbekannt) fast jedes gewünschte Ergebnis simulieren können das du möchtest, ohne Chance auf Verifikation. Es hat einen Grund wieso das fast niemand macht. Zum Layout selbst: ich würde das nicht ohne zweite Lage als Rückpfad machen wollen. Minimierung von Kommutierungsinduktivitäten macht man über koplanare Leiterflächen. Die Masseführung der Gatedrives is so auch eher ungünstig, die Leiterschleifen der Treiber zu den Gates sind je nach FET sehr gross. Ohne ordentlichen Zwischenkreiskondensator wirst du einiges an Ripplestrom auf der Zuleitung haben. Beachte zudem, dass bei MLCC je nach Keramikmaterial Impulsströme sehr kritisch sind. Wenn du den ganze Stromripple in die reinschiebst könnte das schiefgehen.
Vielen Dank an alle für eure Beiträge aus Praxis und Forschung! @Diode E: Danke für die Klarstellungen. Um Comsol mache ich lieber einen Bogen, das nutzen bei uns die Doktoranden. Man kann sicherlich Induktivitäten auch nicht einfach wie Bauelemente stückweise addieren, wenn deren Felder sich teilweise durchdringen (geknickten Leiterbahnen). Meinst Du 5A pro 1210-er MLCC sind auf Dauer zu viel? Maximale Rippleströme habe ich bei Simsurfing nicht gefunden: https://ds.murata.co.jp/simsurfing/mlcc.html?lcid=en-us&jis=false&partnumber=GRM31CC72A475KE11L&focuspartnumberonlist=true&md5=d4a869fdd431efb8f824ec48c8f39463 @Gerhard: diese Schwingungen bei hohem Q sieht man mit LTspice sehr schön, sobald es Parallelschaltungen von (leicht) verschiedenen MLCCs (Bild) gibt. Deshalb nutze ich jetzt ausschliesslich das 10fach-MLCC-Cluster. Es wirkt wie ein C. Andere Parallel-Cs wurden entfernt. @Falk: Danke für die Kalkulatoren-Links und Hinweise. Messtechnisch konnte ich jetzt auch mit meinem LC200A die nH auf der Platine auf +-5nH abschätzen. Praxistest: Der erste 5min-Test bei 30A lief 20% kühler als mit 10mF Elkos (Bild), was auf weniger Spikes hindeutet. Die Kerkos sind deutlich hörbar.
Von Cadence gibt es als Freeware TXLine, das ist zwar in erster Linie gedacht für Signalleitungen, wäre aber evtl auch mal einen Blick wert für dich. (Wurde mal in einer Vorlesung von einem Dozenten gezeigt, hab selbst noch nicht damit gearbeitet)
Diode E. schrieb: > Das > zu simulieren kannst du mehr oder weniger vergessen. Du wirst sicher > irgendein Ergebnis kriegen, allerdings wirst du abhängig von deinen > gewählten Parametern (viele davon unbekannt) fast jedes gewünschte > Ergebnis simulieren können das du möchtest, ohne Chance auf > Verifikation. Klingt nach einem Klimamodell ;-) > Beachte zudem, dass bei > MLCC je nach Keramikmaterial Impulsströme sehr kritisch sind. Wenn du > den ganze Stromripple in die reinschiebst könnte das schiefgehen. Wird eine singende Endstufe!
Kleines Update: Alle Angaben zu max. Rippleströmen findet man in https://ds.murata.co.jp/simsurfing/mlcc.html unter "Temperatur Rise" Diese Dinger vertragen zwar 5A rms Ripple aber kein hartes Aufladen an 50V. Von meinen 10 Stück endeten zwei im Kurzschluss. @Falk: Ja die Brücke "singt" recht laut. Darf sie auch.
Bernd K. schrieb: > @Falk: Ja die Brücke "singt" recht laut. Darf sie auch. Genau... Dauernde machanische Verformung tut dem MLCC immer gut! Vor allem die Anschlüsse mögen das... Hast du wenigstens Typen mit "weichem" Interface? Ansonsten ist das ein Brandbombe mit Zeit Zünder! Btw: beim keramischen Kondensator ist dU/dt die problematischere größe, da das "Singen" vom Piezo Effekt kommt und bei Überschreitung der Limts das passiert: Bernd K. schrieb: > hartes Aufladen an 50V. > Von meinen 10 Stück endeten zwei im Kurzschluss. Wenn für Keramik das aushält, dann sind die Übergänge zu den Kappen die nächste Schwachstelle bei dauernder Ripple Spannung. 73
Eine Induktivitaet ist natuerlich schon ohne Rueckleiter definiert. Faustregeln gehen von 1nH pro 1mm weg aus. zB ein 0603 Gehauese hat 1nH. Weshalb hat auch schon 1mm Leiter eine Induktivitaet ? Weil sie ein Magnetfeld aufbaut. Dieses Magnetfeld bedeutet im Aenderungsfall einen Spannungsabfall. Und aehnlich wie ein kapazitiver Belag wird die Wellenausbreitung verlangsamt. Dispersion. Zwei parallele Leiterstuecke koppeln magnetisch. Das tun die auch schon ohne Rueckleiter. Ein gutes Tool waere zB CST Microwave Studio, welches eine Leiterplatten Option hat. Damit hat Altium seine Modelle aufgebaut. Die sind allerdings mit vielen Nebenbedingungen behaftet. Allenfalls lohnt es sich mal mit CST ohne Nebenbedingungen zu rechnen. Es soll die Gerberdaten als 3D Gebilde, dh mit Leiterstack Informationen ansaugen koennen. Das ist sowieso angesagt, wenn man Stripline Antennen optimieren will/muss.
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Ja, ich habe schon befürchtet dass so ein Kommentar kommen könnte. Induktivität ist vermutlich eines der am häufigsten missverstandenen Konzepte in der Elektrotechnik. Purzel H. schrieb: > Eine Induktivitaet ist natuerlich schon ohne Rueckleiter definiert. Nun, wie schon oben geschrieben: nein. Comsol geht in diesem Simulationsbeispiel genau darauf ein weil immer wieder jemand ankommt und versucht sowas zu berechnen: https://www.comsol.com/blogs/computing-the-inductance-of-a-wire Purzel H. schrieb: > Faustregeln gehen von 1nH pro 1mm weg aus. zB ein 0603 Gehauese hat 1nH. Wie schon oben geschrieben: diese Faustregelen gelten nur wenn der Rückleiter definiert ist (in diesen Fällen: Massefläche unter dem Bauteil/Leiterbahn). Purzel H. schrieb: > Weshalb hat auch schon 1mm Leiter eine Induktivitaet ? Weil sie ein > Magnetfeld aufbaut. Dieses Magnetfeld bedeutet im Aenderungsfall einen > Spannungsabfall. Um diesen Spannungsabfall zu bestimmen musst du aber das B und E Feld integrieren und benötigst dazu eine Integrationsfläche bzw. einen geschlossenen Integrationspfad (d.h. du musst wissen "wie viel Feld" dieses Stück Leiterbahn einfängt). Diese Fläche hat zwangsläufig einen Rand (Integrationspfad für das E-Feld) welche deine Leiterschleife definiert.
Diode E. schrieb: > Ja, ich habe schon befürchtet dass so ein Kommentar kommen könnte. > Induktivität ist vermutlich eines der am häufigsten missverstandenen > Konzepte in der Elektrotechnik. Was die Praktiker hier sicherlich meinen, ist der Fall eines Rückleiters in unendlichem Abstand. Auch im Fall eines perfekt geschirmten Induktors dürfte dU/dt praktisch unabhängig vom Rückpfad sein. Ich nehme trotzdem an, dass Deine Aussage mathematisch korrekt ist. Beides trifft nur näherungsweise auf PCB-Situationen zu. Können mit dieser Aussage alle leben?
Leider nein, denn dieser Grenzfall existiert bei Induktivitäten nicht da die entstehenden Ausdrücke alle divergieren. Es gibt schlicht keine Induktivitäten von Einzelleitern, es ergibt weder praktisch nicht theoretisch irgendeinen Sinn. Ganz im Gegensatz zu Kapazitäten, bei denen man den Grenzfall einer Kugelkapazität mit unendlich entfernter Umgebung definieren und praktisch anwenden kann. Die Voraussetzung eines geschlossenen Pfades ist ein fundamental notwendiges Konzept für eine Induktivität, leider eines dass zu Beginn oft unituitiv ist. Und leider ist es oft auch praktisch relevant z.B. immer dann, wenn man parasitäre Induktivitäten messen oder in Layouts oder Busbars die Parasitics minimieren will. Vor allem weil man in der Praxis oft mehr als einen Leiter bzw. Leiterschleifen hat (z.B. bei Halbbrücken einen Gateloop und einen Hauptstrompfad) und daher auch Koppelinduktivitäten zwischen verschiedenen Schleifen relevant sind.
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