news 2026/10/24 4:56:49

PCA9422与PIC18F47K40的可穿戴电源管理方案

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张小明

前端开发工程师

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PCA9422与PIC18F47K40的可穿戴电源管理方案

说实话,第一次在样机里把 PCA9422 和 PIC18F47K40 放在一起的时候,我并没有马上想明白这两个芯片该怎么分工。PCA9422 一看就是个电源管理芯片,PIC18F47K40 又是很典型的 8 位 MCU,表面上看一个负责供电、一个负责逻辑,但实际上它们之间的耦合比想象中深得多。直到把三路 Buck 的电压分配、充电状态机、动态调压策略,以及 MCU 自身的休眠方式全部串起来,我才真正觉得这套电源管理方案是完整的。

这篇文章就用我实际调试这块板子的过程来聊:为什么会选这两个芯片、PCA9422 的寄存器配置怎么落地、PIC18F47K40 侧的状态机怎么写、整机待机电流怎么从几十微安压到个位数,以及我在样机阶段踩过的几个值得记住的坑。如果你正在做智能手环、便携健康监测设备、IoT 传感器节点这类电池供电产品,这套组合的思路可以直接参考。

1. 为什么是这两个芯片:可穿戴电源管理的分工逻辑

1.1 在便携设备里,电源管理到底管什么

很多人一提到电源管理,第一反应就是"把电池电压转成几个固定的电压轨"。但在真正做可穿戴产品的阶段,电源管理要管的事情远不止这些,我习惯把它拆成四件事:

第一是充电。便携设备几乎都是锂电池,充电本身就是一个完整的小闭环:充电电流设置、输入限流、恒流恒压切换、充电结束判断、充放电保护。这些如果全部用分立元件搭,BOM 和 PCB 面积都会爆炸。

第二是电压变换。系统里通常需要三个甚至更多电压轨:MCU 核心电压 1.2V 到 1.8V,传感器和无线模块要 2.8V 到 3.3V,显示屏驱动可能要 1.8V 或者更高。每一条轨都需要一颗 DC-DC 或者 LDO,而且彼此不能互相干扰。

第三是动态功率分配。可穿戴设备对功耗极其敏感,MCU 在高负载时可能希望电压高一点保证性能,待机时又希望电压降下来减少漏电。这个"动态调压"能力只有 PMIC 能方便地提供,独立 LDO 很难做到。

第四是监测和保护。过压、过流、欠压、充电故障,这些要靠硬件保护兜底,不能依赖 MCU 软件判断,否则一旦死机,整机电源就失控了。

想清楚这四件事之后,芯片选型的方向自然就明确了:我需要一个集成了充电、多路 DC-DC、可寄存器配置、自带保护功能的 PMIC,再配一个本身功耗足够低、外设足够灵活的 MCU 来制定策略。

1.2 PCA9422 在方案里负责哪些具体任务

PCA9422 在整个系统里的角色是"电源硬件平台"。我实际用到的功能主要有四个:

一是锂电池充电管理。它内置了充电通路,可以通过 I2C 配置充电电流、输入电流限制和充电结束条件。对于 150 到 300mAh 级别的小电池来说,这颗芯片的充电电流范围是够用的,不需要外部再串充电管理芯片。

二是三路 Buck 变换器。这是 PCA9422 最核心的价值。三路 Buck 的输出电压都可以通过寄存器单独配置,每路还支持多组电压档位快速切换。这一下子就把 MCU、传感器、无线模块的电源轨全部包下来了,PCB 上省掉了三颗独立的 DC-DC,面积和物料成本都明显下降。

三是输出动态调压能力。PCA9422 可以通过 I2C 在预配置的电压档位之间切换,这个特性特别适合配合 MCU 的动态电压频率调节。在 MCU 进低功耗模式之前,把核心电压从 1.8V 切到 1.2V,这部分的漏电收益非常直接。

四是状态监测与中断。它可以把充电状态、输入电源检测、故障状态等通过中断引脚上报给 MCU,MCU 不用轮询,真正实现了事件驱动。

1.3 PIC18F47K40 在这套方案里扮演什么角色

PIC18F47K40 并不是系统的"电源",它是电源策略的决策者。它的任务很明确:通过 I2C 读取 PCA9422 的状态寄存器,判断当前应该处于充电、激活、待机还是深度睡眠状态,然后决定各路 Buck 的电压和目标开关状态。

选这颗芯片的原因也很实在。第一,它的 eXtreme Low Power 特性,睡眠电流能做到微安级别以下,这对整机待机电流的预算很友好。第二,它的外设引脚选择 PPS 功能非常灵活,I2C 引脚可以映射到任意支持数字外设的 IO 口,画 PCB 时布线压力小很多。第三,MCC 图形化配置工具能快速生成外设初始化代码,特别是 I2C 和定时器部分,节省了大量反复查寄存器手册的时间。

它在整个系统里其实不累,但必须做到"该醒的时候醒,该睡的时候睡,醒了之后第一件事就是把 PCA9422 的各路输出调整到当前状态需要的电平"。

1.4 为什么不用 MCU 内置 PMU 或全分立方案

有人会问,现在很多 MCU 内部也集成了 DC-DC 或者 LDO,为什么还要专门外挂一颗 PMIC?我的看法是,内置 PMU 通常只能解决 MCU 自己的供电,管不了传感器和无线模块。而且内置 DC-DC 的输出能力和纹波指标往往有限,在射频模块附近可能引入噪声。

全分立方案我也试过。用一颗多路 LDO 加几个 MOSFET 做负载开关,确实能压低成本,但带来的问题是:充电曲线很难做精细,动态调压基本只能靠切换负载开关实现(做不到连续调压),而且故障保护全靠软件轮询,实时性很差。相比之下,PMIC 加 MCU 的方案本质上是把"模拟电源的脏活累活"交给 PMIC,把"什么时候用什么电"的调度逻辑留在 MCU 里,各司其职。

2. PCA9422 配置落地:充电、Buck 输出、动态调压细节

2.1 充电参数怎么定才安全

在配置充电参数前,先看清楚电池规格书。以常见的 200mAh 聚合物锂电池为例,充电电流我一般取 0.2C 到 0.5C,也就是 40mA 到 100mA。这个区间既能保证充电时间不至于太久,又不会让小电池发热。PCA9422 的充电电流可以通过寄存器配置,实际设置时要留一定余量,不要顶着最大值跑。

输入限流同样重要。如果用 USB 供电充电,输入限流要按 USB 标准来;如果用 5V 适配器,可以适当放宽。我遇到过的情况是,输入限流设得太小,设备边充电边运行时,充电电流被输入限流卡住,电池电量不升反降。

还有一个容易被忽略的参数是充电结束电流。PCA9422 判断充电完成不是看电压到没到 4.2V,而是看恒压阶段电流有没有跌到截止值。这个截止值设得太小,充电完成标志会一直不置位;设得太大,电池又充不满。一般按电池容量的 1/20 到 1/10 来设,200mAh 电池就设 10mA 到 20mA。

需要特别说明的是,PCA9422 的寄存器地址、位定义和具体取值范围,不同版本的数据手册可能略有差异。我这里不贴绝对地址表,原因是这种 PMIC 的寄存器相当密集,手写容易出错。建议你把原厂数据手册下载下来,按下面的流程操作:

  • 先读 DEVICE_ID 寄存器,确认 I2C 通信正常,顺便确认版本号;
  • 然后配置输入限流、充电电流、充电结束电流;
  • 再配置三路 Buck 的默认输出电压和档位寄存器;
  • 最后使能各路输出,观察实际输出电压是否和预期一致。

配置充电参数时,我习惯先让芯片以最小电流跑一轮完整充电,记录温度和电压变化,确认没问题后再把电流调上去。第一次就直接拉满充电电流,万一电池本身有问题,轻则保护电路触发,重则是安全风险。

2.2 三路 Buck 的电压规划与动态调压

三路 Buck 怎么分配电压轨,是整个方案设计里最值得花时间想清楚的一步。我在这块板子上是这样规划的:

电压轨供电对象典型电压备注
Buck1MCU 核心1.8V,低功耗时 1.2V配合动态调压,睡眠前降电压
Buck2无线模块 / 传感器3.3V睡眠时可关断,降低整机漏电
Buck3显示屏 / 外设接口1.8V系统运行时开启,待机时关断

这里最关键的设计思路是:Buck1 的电压不是"固定死的",而是有多组预设档位。PCA9422 允许在寄存器里预留好几组目标电压,MCU 通过 I2C 选档位,就能让 Buck1 在 1.2V 和 1.8V 之间切换。这个切换速度快,本质上是 PMIC 内部做了软启动和环路调整,比 MCU 自己切一个 GPIO 去控制 MOSFET 可靠得多。

动态调压的收益在低功耗场景里体现得非常明显。同样是 MCU 处于睡眠状态,核心电压 1.8V 时的漏电可能比 1.2V 时高出不少。尤其对 8 位 MCU 而言,虽然电压范围宽,但漏电和电压基本成正比,能把电压降下来就不要浪费。

切换电压档位时的顺序逻辑也要注意。正确做法是:MCU 先降低自身时钟频率,再通过 I2C 切换 PCA9422 的 Buck 档位,等电压稳定后,再执行 WFI 或者 SLEEP 指令。反过来,唤醒时先恢复高频率,再切回高电压,顺序不能反。这个顺序写错的话,轻则唤醒瞬间跑飞,重则 MCU 在电压切换过程中复位。

2.3 I2C 寄存器操作的通用套路

PCA9422 是标准的 I2C 从设备,通信本身不复杂,但实际代码里有几个地方值得注意。我的 I2C 驱动习惯用查询模式而不是中断模式,因为 PMIC 寄存器操作频率很低,中断模式反而增加代码复杂度。

写一个寄存器很简单:起始条件、设备地址、寄存器地址、数据、停止条件。读一个寄存器稍微绕一点:起始条件、设备地址、寄存器地址、重复起始、读设备地址、读数据。整个过程就是标准的 SMBus/I2C 读流程。

// 以 PIC18F47K40 的 MCC 生成 I2C 底层为基础 #define PMIC_ADDR_W 0x2C // 7位设备地址左移一位,实际以手册为准 #define PMIC_ADDR_R 0x2D void PMIC_WriteReg(uint8_t reg, uint8_t val) { while (I2C1_IsBusy()); I2C1_Start(); I2C1_Write(PMIC_ADDR_W); I2C1_Write(reg); I2C1_Write(val); I2C1_Stop(); } uint8_t PMIC_ReadReg(uint8_t reg) { uint8_t val = 0; while (I2C1_IsBusy()); I2C1_Start(); I2C1_Write(PMIC_ADDR_W); I2C1_Write(reg); I2C1_ReStart(); I2C1_Write(PMIC_ADDR_R); val = I2C1_Read(); I2C1_Ack(); I2C1_Stop(); return val; }

代码本身没什么可说的,真正容易出问题的是上拉电阻。I2C 总线的 SDA 和 SCL 需要外部上拉,上拉阻值不是随便选的。总线电容大、上拉电阻又太大时,上升沿会变慢,高速模式容易通信失败;上拉电阻太小时,信号沿是干脆了,但电流偏大,低电平电平值可能不够低,同样会出错。我的经验是在 100kHz 模式用 4.7k 到 10k,400kHz 模式用 2.2k 到 4.7k。如果板上挂的设备多,适当调小一点。

PCA9422 的 I2C 地址通常是固定的,但不同封装或不同系列可能有差异。样机阶段第一件事永远是先读 Device ID,确认地址对了、总线通了,再继续做后续配置。这个步骤省不掉。

3. PIC18F47K40 侧的状态机设计:把"控制"变成"策略"

3.1 引脚规划与 MCC 配置

PIC18F47K40 的引脚灵活性很高,I2C 引脚可以通过 PPS 映射到多个位置。我画板子的时候把 SDA 和 SCL 放在了一组相邻的引脚上,方便走线。MCC 配置时只需要在 Pin Manager 里勾选对应的 I2C 功能,代码生成时 PPS 寄存器会自动写好。

需要注意一个细节:PPS 映射的是数字外设功能,但引脚上如果开启了模拟功能(比如 ADC 通道),这个引脚的数字外设可能无法正常工作。我遇到过的情况是,PPS 配好了 I2C 引脚,代码也生成成功,但总线一直拉不低,排查半天发现是引脚默认被设成了模拟输入。解决方法是把该引脚的 ANSEL 位清掉,明确设置成数字功能。

除了 I2C,我还配置了 GPIO 中断用于接收 PCA9422 的中断输出,配置了一个定时器作为周期唤醒源,以及一个用于检测充电器插入的 ADC 通道(采样输入电压)。这些外设在 MCC 里配置好后,重点其实是后面的状态机逻辑。

3.2 轻量级 PMIC 驱动实现

我上面已经给了基础的读写函数,实际使用还需要在此基础上封装几个更接近业务逻辑的接口。比如设置某一路 Buck 的档位:

void PMIC_SetBuckVoltage(uint8_t buck_id, uint8_t level) { uint8_t reg = PMIC_BUCK1_VSEL0; // Buck1 档位寄存器基地址 if (buck_id == 2) reg = PMIC_BUCK2_VSEL0; if (buck_id == 3) reg = PMIC_BUCK3_VSEL0; PMIC_WriteReg(reg + level, 1); // 选中的档位置1 }

封装的好处是业务代码不需要知道寄存器细节,状态机里调用一个函数就能切换电压。这些接口不要做得太复杂,因为 8 位 MCU 的 RAM 和栈都有限,宁可直白一点也不要引入太多抽象层。

3.3 电源状态机的定义与迁移条件

整个系统的电源行为,我用一个状态机来管理。状态定义很简单,但状态之间的迁移条件和每个状态下对 PCA9422 的操作,是整个软件的核心。

状态含义Buck1Buck2MCU 状态PCA9422 充电
BOOT上电初始化1.8V关闭全速运行自动
CHARGING电池充电中1.8V关闭轻载循环使能
ACTIVE正常运行1.8V3.3V全速运行关闭
SLEEP待机1.2V关闭低速定时唤醒按需
FAULT故障保护按故障类型关闭低速运行停止

代码层面就是一个 switch-case:

typedef enum { SM_BOOT, SM_CHARGING, SM_ACTIVE, SM_SLEEP, SM_FAULT } pwr_state_t; void Power_Task(void) { switch (g_state) { case SM_BOOT: // 等待设备 ID 通信成功,读取状态 g_state = SM_ACTIVE; break; case SM_ACTIVE: // 检查充电插入事件、低功耗空闲计时 if (charger_plugged) { g_state = SM_CHARGING; } else if (idle_timeout) { g_state = SM_SLEEP; Power_EnterSleep(); } break; // 其他状态类似处理 } }

这个状态机的关键不是代码量,而是每个迁移动作的原子性:进入 SLEEP 前,必须先完成 PCA9422 的电压切换和 Buck2 关断,全部完成后再休眠;唤醒后,恢复电压和使能 Buck2,全部完成后才能回到 ACTIVE 逻辑。这个执行顺序如果打乱,就很容易出现"醒来的时候外设还没上电"的怪问题。

3.4 动态调压策略的具体落地

动态调压不是一个独立函数,而是嵌入在状态迁移里的。我实际做的操作序列是这样的:

进入 SLEEP 状态:

  1. 关闭 ADC,停止不必要的外设时钟;
  2. 降低主时钟频率(比如从 16MHz 降到 1MHz);
  3. 调用PMIC_SetBuckVoltage(1, LOW_VOLTAGE)把 Buck1 从 1.8V 切到 1.2V;
  4. 关闭 Buck2,断掉无线模块电源;
  5. 执行 SLEEP 指令。

退出 SLEEP 状态(定时器或外部中断唤醒):

  1. 恢复主时钟频率到 16MHz;
  2. 恢复 Buck1 电压到 1.8V;
  3. 等待电压稳定(这里要加一个小的延时,不能立刻读外设);
  4. 如果还需要无线模块,重新使能 Buck2;
  5. 回到 ACTIVE 状态继续执行。

这里为什么要先降频率再降电压?因为 MCU 在 16MHz 下工作时,如果电压瞬间降到 1.2V,可能会导致内部逻辑超时序,出现不可预期的行为。反过来恢复的时候,电压还没有升回来就先跑高频,同样可能出问题。顺序问题在规格书里不一定写得那么直白,但实际跑起来就会发现这样最稳。

4. 低功耗联动:把整机待机电流从几十微安压到个位数

4.1 先算一遍整机电流账单

低功耗设计的前提是把每一路电流都算清楚。我习惯在画板子阶段就列一个表格,预估每个器件的待机电流,然后等样机到手再实测对照。

以我的样机为例,估算表如下:

器件/模块待机电流估算备注
PIC18F47K40 睡眠约 1uA手册典型值在微安以下
PCA9422 静态约 2uAPMIC 自身工作电流
无线模块约 1uA仅保留唤醒引脚,供电可关断
传感器0uABuck2 关断后完全断电
分压电阻约 2uA如果有常开分压的话
其他漏电约 1uAPCB 表面漏电、电容漏电

目标是把总待机控制在 5uA 以内。注意,如果系统里有一颗常开的 LDO,哪怕它只有 1uA 的静态电流,也会显著影响预算。所以我尽量把所有外设都放在 Buck2 后面,待机时整个 Buck2 直接关断,不给这些模块任何漏电路径。

4.2 MCU 睡眠前和唤醒后的操作序列

低功耗状态的软件逻辑其实很简单,难的是想清楚"哪些东西可以断电,哪些不能"。MCU 内部 RAM 内容在睡眠时保持,但 LDO 的输出如果被关掉,RAM 数据就没意义了,所以 MCU 的电源轨绝对不能随意关断,只能降压处理。

PCA9422 在 MCU 睡眠时依然处于工作状态,它会继续维持 Buck1 的输出,同时实时监测充电状态和故障状态。这些监测工作是 PMIC 硬件自己完成的,不需要 MCU 参与,这也是为什么整个系统能睡得很深的原因。

唤醒源方面,我用了两路:一个是从 PCA9422 的 INT 引脚引出的中断,另一个是定时器周期唤醒。充电器插入、充电完成、输入电压跌落等事件都会让 PCA9422 拉低 INT 引脚,MCU 被唤醒后去读中断源寄存器,再决定进入哪个状态。

4.3 实测数据和优化过程

样机刚跑起来时,整机待机电流是 17.2uA,比目标高不少。逐项排查后发现三个主要问题。

第一,Buck2 虽然关闭了,但无线模块的 VDD 引脚仍然通过板上的 ESD 保护器件漏了一部分电流,导致关断不彻底。优化方案是在 Buck2 输出端加一个负载开关,或者把 Buck2 的放电电阻改到负载开关后面,保证关断后负载完全隔离。

第二,传感器模块的参考电压分压电阻是常开的,待机时 2uA 白白流失。优化方案是把分压电阻改到传感器电源轨后面,Buck2 关掉之后,分压电阻所在的支路也就断了。

第三,MCU 有几个闲置引脚在睡眠时仍然保持高电平输出,外部电路通过这些引脚产生了漏电。优化方案是把睡眠期间不使用的 GPIO 统一配置为模拟输入模式或者输出低电平,避免驱动外部电路产生电流路径。

做完这三项调整之后,实测待机电流降到了 3.8uA,比预想还低了一点。从这个过程可以看出来,整机功耗很多时候不是芯片自己吃掉的,而是外围电路路径的"边角料"消耗,排查时需要逐个路径找。

5. 调试中踩过的三个坑

5.1 I2C 上拉电阻太小导致总线波形异常

样机第一次上电,PCA9422 的 Device ID 读数时对时不对,稳定性和复现性很差。用逻辑分析仪看波形,发现 SCL 的低电平沿很干净,但 SDA 的上升沿明显偏缓,在 400kHz 模式下一眼就能看到梯形波。排查到最后,原因是上拉电阻我用了 1k,而板子上挂了 PCA9422 和一颗传感器,总线电容偏大,1k 上拉在边沿切换时形成了明显的 RC 充放电。

解决办法是把 SDA 和 SCL 的上拉电阻从 1k 换成 3.3k,并把通信频率从 400kHz 降到 100kHz。PMIC 的操作本来就少,100kHz 完全够用,换来的是整条总线的波形干净了很多。这个坑给我的教训是:I2C 上拉电阻不是越小越好,要看总线电容和通信速率来定,量产板更要留出边沿余量。

5.2 Buck 瞬态响应不足导致 MCU 掉电复位

另一个更隐蔽的问题是:当无线模块突然从休眠进入发射状态时,Buck2 的输出电压会出现一个明显的跌落,这个跌落会耦合到 Buck1 的输出上,导致 MCU 核心电压在极短时间内跌破复位阈值,系统随机复位。这个现象不是每次都发生,但一旦发生,非常难定位。

我用示波器同时抓了 Buck1 和 Buck2 的输出波形,才看到 Buck2 在发射瞬间掉了将近 200mV,而 Buck1 也被拉低了 100mV 左右,正好触到 MCU 的欠压复位门槛。

解决思路分两层。第一,在 Buck2 输出端增加了一颗 10uF 低 ESR 陶瓷电容,把瞬态响应兜住。第二,把无线模块的发射时序做了错峰处理,发射前先让 MCU 进入短暂的等待,避免无线模块高电流脉冲正好撞上 MCU 执行 Flash 擦写等电流敏感操作。这两步之后,复位现象没有再出现。

5.3 充电完成标志的"假性停滞"

第一次联调充电功能时,发现电池充到 90% 左右,充电状态寄存器一直是"正在充电",怎么等都等不到"充电完成"标志。初看以为是充电截止电流寄存器配置错了,但反复确认之后发现,问题出在截止电流值设得太低,而电池自身的自放电加上保护板静态电流,刚好和截止电流相当,充电器永远等不到电流跌到截止值以下。

类比一下,就像往一个漏水的桶里加水,你设的"加满"条件是水流量降到某个值,但桶底漏水的速度恰好大于这个值,结果永远满足不了"加满"条件。解决办法是把充电截止电流从 5mA 调整为 15mA,让充电完成条件比漏电速度快一点。之后充电过程能正常走完,状态标志也能正确置位。

另外一个经验是,不要用轮询去不断读充电状态寄存器,而是把 PCA9422 的充电完成中断引出来,接 MCU 的 INT 引脚。轮询的问题是 MCU 为了看充电状态必须频繁唤醒,而中断模式整个过程 MCU 可以一直睡觉,只在充电完成、充电异常等关键时刻被拉起来。这个改动也让整机功耗进一步降了一截。

6. 如果重新做一遍:这套方案的扩展思路

6.1 主控升级之后的 DVS 联动

如果后续产品需要换用性能更高的主控(比如带 Cortex-M 内核的芯片),PCA9422 的动态调压价值会更明显。高性能主控在活跃状态和低功耗状态之间的电压差更大,通过 I2C 切换电压档位,配合主控的 DVFS 机制,可以把功耗优化提升一个量级。这个思路和我在 PIC18F47K40 上做的完全兼容,只是把电压切换的触发源从 MCU 自身状态机,扩展成 RTOS 的任务调度钩子。

6.2 补上精准电量监测

PCA9422 能提供充电管理和电压监测,但"电池还剩多少毫安时"这种电量计功能,还需要额外的采集。我对精度要求高的应用,会在 ADC 基础上做电池开路电压建模,定期采样电池电压,再把放电曲线分段拟合。精度够用的前提是采样频率要跟得上负载变化,且要避免在充电过程中用开路电压法估算,那个阶段电池电压是虚高的。

更省心的方案是在系统里加一颗电池电量计芯片,通过 I2C 直接读电池剩余电量百分比。但这样 BOM 会多一颗芯片,是否值得要看产品定位,入门级产品用 MCU ADC 加软件拟合完全够用。

6.3 量产阶段的校准与测试要点

从样机走向量产时,有几个点需要在产线上做校准。一是 PCA9422 各电压档位的实际输出,PCB 走线阻抗不同会导致板端电压和寄存器设定值之间有偏差,量产时需要用万用表抽测,必要时在软件里做电压偏移校正。二是充电电流校准,产线要确认实际充电电流和设置值一致,防止因为元器件批次差异导致充电电流偏大。三是待机电流筛选,我建议在产线上加一道静置待机电流测试,超过阈值的板子直接剔除,避免输出给客户的产品功耗参差不齐。

这个项目做完之后,我最大的体会是:一颗好的 PMIC 只能解决"电源从哪里来"的问题,另一个更关键的问题是"电源什么时候给谁用"。把 PCA9422 的寄存器配置和 PIC18F47K40 的状态机完全打通之后,整套系统才算真正做到了"完整电源管理"。最后分享一个很朴素的经验,手边常备一台逻辑分析仪和一台示波器,调这类系统时,探头的价值永远大于反复看代码。

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