PCB布线要点

xizhixun · 发表于 2008-11-6 17:09

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1 电源、地线的处理
（1）、在电源、地线之间加上去耦电容。
（2）、尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm,最经细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5 mm，对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用)
（3）、用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。
2 布线中网络系统的作用
标准元器件两腿之间的距离为0.1英寸(2.54mm),所以网格系统的基础一般就定为0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍数，如：0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。

CPU的数椐线4-6mil,电源线要看载流大小而定
导线宽度最小不少于0.2mm，在高密度，高精度的印制电路中，导线宽度和间距一般可取0.3mm；导线宽度在大电流情况下还要考虑其温升。当铜箔厚度为50um,导线宽度1～1.5mm，通过电流为2A时，温升很小，所以公共地线应尽可能的粗，通常使用大于2～3mm的线条

线条和焊盘尺寸： ( o% n8 {2 _+ ]% Z6 D
根据板材的不同，对于焊盘和线条的要求也不同：
1.
FR-4基材由于是由多层防弹布纤维经纬编织而成，
1)一般线条宽度以及线间距可作至5mil左右，但考虑成品的报废率，一般将线条和间隙控制在7mil以上。再及，考虑到弯曲震动对铜箔的伤害问题，一般将线条控制在10mil以上。
2) 如果焊盘孔不经孔化，焊盘一般不小于直径80mil。如果焊盘孔经过孔化处理，焊盘可以适当缩小，但为吃锡可靠，一般不小于直径50mil。

2.CEM-1基材是由多层高强度纸粘合，并在顶层辅以一层防弹布纤维而制成。
1）这种板子使用丝网油印工艺，应此线条宽度以及间距都不易控制，需要留出相当的裕量。一般线条宽度需要控制在12mil以上，线和线之间间距也需要控制在12mil以上，而大面积覆铜和相邻部分铜箔间距需要控制在18mil以上。
2）由于铜箔的附着力不佳，一般焊盘直径不应小于80mil，并且建议尽可能加大焊盘附近的铜箔，以增加附着力。

无论板材如何，线条和覆铜至板边、V型槽以及板内异型孔等的距离应该控制在40mil以上。
⑶ 字符
字符采用Sans Serif字体。字体尺寸不小于40mil高、6mil宽。
字符应尽量靠近元器件。如果器件旁没有足够的空位放置字符，必须将字符放置远离元件，则需要以箭头指示字符所属元件。
一块板子上的字符只可以有水平(头向上)和竖直(头向左或向右)两个方向。
(4) 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200x150mm时．应考虑电路板所受的机械强度。

PCB布线
& f, w1 Z; w: C
印刷线路板与元器件的高频特性：
在高频情况下，印刷线路板上的走线、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感与电容等不可忽略。电容的分布电感不可忽略，电感的分布电容不可忽略。电阻会产生对高频信号的反射和吸收。走线的分布电容也会起作用。当走线长度大于噪声频率相应波长的1/20时，就产生天线效应，噪声通过走线向外发射。
印刷线路板的过孔大约引起0.5pF的电容。一个集成电路本身的封装材料引入2~6pF电容。一个线路板上的接插件，有520nH的分布电感。一个双列直插的24引脚集成电路插座，引入4~18nH的分布电感。

其中元器件位号一般根据元器件种类以不同的英文字符表示，一般以英文首位字母表示：
电阻 R
电容 C
电感 L
变压器 T
二极管 D
三极管 Q
继电器 RL
集成电路 IC、U
接插件 CB、CZ

1．直角走线
直角走线一般是PCB布线中要求尽量避免的情况，那么直角走线究竟会对信号传输产生多大的影响呢？从原理上说，直角走线会使传输线的线宽发生变化，造成阻抗的不连续。其实不光是直角走线，顿角，锐角走线都可能会造成阻抗变化的情况。直角走线的对信号的影响就是主要体现在三个方面：一是拐角可以等效为传输线上的容性负载，减缓上升时间；二是阻抗不连续会造成信号的反射；三是直角尖端产生的EMI。
传输线的直角带来的寄生电容可以由下面这个经验公式来计算：
C=61W(Er)1/2/Z0
在上式中，C就是指拐角的等效电容（单位：pF），W指走线的宽度（单位：inch），εr指介质的介电常数，Z0就是传输线的特征阻抗。举个例子，对于一个4Mils的50欧姆传输线（εr为4.3）来说，一个直角带来的电容量大概为0.0101pF，进而可以估算由此引起的上升时间变化量：
T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps
通过计算可以看出，直角走线带来的电容效应是极其微小的。
由于直角走线的线宽增加，该处的阻抗将减小，于是会产生一定的信号反射现象，我们可以根据传输线章节中提到的阻抗计算公式来算出线宽增加后的等效阻抗，然后根据经验公式计算反射系数：ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)，一般直角走线导致的阻抗变化在7%-20%之间，因而反射系数最大为0.1左右。而且，从下图可以看到，在W/2线长的时间内传输线阻抗变化到最小，再经过W/2时间又恢复到正常的阻抗，整个发生阻抗变化的时间极短，往往在10ps之内，这样快而且微小的变化对一般的信号传输来说几乎是可以忽略的。
总的说来，直角走线并不是想象中的那么可怕。至少在GHz以下的应用中，其产生的任何诸如电容，反射，EMI等效应在TDR测试中几乎体现不出来，高速PCB设计工程师的重点还是应该放在布局，电源/地设计，走线设计，过孔等其他方面。

2．差分走线
差分信号（Differential Signal）在高速电路设计中的应用越来越广泛，电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计，什么另它这么倍受青睐呢？在PCB设计中又如何能保证其良好的性能呢？带着这两个问题，我们进行下一部分的讨论。何为差分信号？通俗地说，就是驱动端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。
差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面：
a.抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。
b.能有效抑制EMI，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。
c.时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。
对于PCB工程师来说，最关注的还是如何确保在实际走线中能完全发挥差分走线的这些优势。也许只要是接触过Layout的人都会了解差分走线的一般要求，那就是“等长、等距”。等长是为了保证两个差分信号时刻保持相反极性，减少共模分量；等距则主要是为了保证两者差分阻抗一致，减少反射。“尽量靠近原则”有时候也是差分走线的要求之一。下面重点讨论一下PCB差分信号设计中几个常见的误区。
误区一：认为差分信号不需要地平面作为回流路径，或者认为差分走线彼此为对方提供回流途径。造成这种误区的原因是被表面现象迷惑，或者对高速信号传输的机理认识还不够深入。差分电路对于类似地弹以及其它可能存在于电源和地平面上的噪音信号是不敏感的。地平面的部分回流抵消并不代表差分电路就不以参考平面作为信号返回路径，其实在信号回流分析上，差分走线和普通的单端走线的机理是一致的，即高频信号总是沿着电感最小的回路进行回流，最大的区别在于差分线除了有对地的耦合之外，还存在相互之间的耦合，哪一种耦合强，那一种就成为主要的回流通路.在PCB电路设计中，一般差分走线之间的耦合较小，往往只占10~20%的耦合度，更多的还是对地的耦合，所以差分走线的主要回流路径还是存在于地平面。当地平面发生不连续的时候，无参考平面的区域，差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路，尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线来的严重，但还是会降低差分信号的质量，增加EMI，要尽量避免。也有些设计人员认为，可以去掉差分走线下方的参考平面，以抑制差分传输中的部分共模信号，但从理论上看这种做法是不可取的，阻抗如何控制？不给共模信号提供地阻抗回路，势必会造成EMI辐射，这种做法弊大于利。
误区二：认为保持等间距比匹配线长更重要。在实际的PCB布线中，往往不能同时满足差分设计的要求。由于管脚分布，过孔，以及走线空间等因素存在，必须通过适当的绕线才能达到线长匹配的目的，但带来的结果必然是差分对的部分区域无法平行.
PCB差分走线的设计中最重要的规则就是匹配线长，其它的规则都可以根据设计要求和实际应用进行灵活处理。
误区三：认为差分走线一定要靠的很近。让差分走线靠近无非是为了增强他们的耦合，既可以提高对噪声的免疫力，还能充分利用磁场的相反极性来抵消对外界的电磁干扰。虽说这种做法在大多数情况下是非常有利的，但不是绝对的，如果能保证让它们得到充分的屏蔽，不受外界干扰，那么我们也就不需要再让通过彼此的强耦合达到抗干扰和抑制EMI的目的了。如何才能保证差分走线具有良好的隔离和屏蔽呢？增大与其它信号走线的间距是最基本的途径之一，电磁场能量是随着距离呈平方关系递减的，一般线间距超过4倍线宽时，它们之间的干扰就极其微弱了，基本可以忽略。此外，通过地平面的隔离也可以起到很好的屏蔽作用，这种结构在高频的（10G以上）IC封装PCB设计中经常会用采用，被称为CPW结构，可以保证严格的差分阻抗控制（2Z0）.
差分走线也可以走在不同的信号层中，但一般不建议这种走法，因为不同的层产生的诸如阻抗、过孔的差别会破坏差模传输的效果，引入共模噪声。此外，如果相邻两层耦合不够紧密的话，会降低差分走线抵抗噪声的能力，但如果能保持和周围走线适当的间距，串扰就不是个问题。在一般频率（GHz以下），EMI也不会是很严重的问题，实验表明，相距500Mils的差分走线，在3米之外的辐射能量衰减已经达到60dB，足以满足FCC的电磁辐射标准，所以设计者根本不用过分担心差分线耦合不够而造成电磁不兼容问题。
3．蛇形线
蛇形线是Layout中经常使用的一类走线方式。其主要目的就是为了调节延时，满足系统时序设计要求。设计者首先要有这样的认识：蛇形线会破坏信号质量，改变传输延时，布线时要尽量避免使用。但实际设计中，为了保证信号有足够的保持时间，或者减小同组信号之间的时间偏移，往往不得不故意进行绕线。那么，蛇形线对信号传输有什么影响呢？走线时要注意些什么呢？其中最关键的两个参数就是平行耦合长度（Lp）和耦合距离（S），很明显，信号在蛇形走线上传输时，相互平行的线段之间会发生耦合，呈差模形式，S越小，Lp越大，则耦合程度也越大。可能会导致传输延时减小，以及由于串扰而大大降低信号的质量，其机理可以参考第三章对共模和差模串扰的分析。下面是给Layout工程师处理蛇形线时的几点建议：
1．尽量增加平行线段的距离（S），至少大于3H，H指信号走线到参考平面的距离。通俗的说就是绕大弯走线，只要S足够大，就几乎能完全避免相互的耦合效应。
2．减小耦合长度Lp，当两倍的Lp延时接近或超过信号上升时间时，产生的串扰将达到饱和。
3．带状线（Strip-Line）或者埋式微带线（Embedded Micro-strip）的蛇形线引起的信号传输延时小于微带走线（Micro-strip）。理论上，带状线不会因为差模串扰影响传输速率。
4．高速以及对时序要求较为严格的信号线，尽量不要走蛇形线，尤其不能在小范围内蜿蜒走线。
5．可以经常采用任意角度的蛇形走线，能有效的减少相互间的耦合。
6．高速PCB设计中，蛇形线没有所谓滤波或抗干扰的能力，只可能降低信号质量，所以只作时序匹配之用而无其它目的。
7．有时可以考虑螺旋走线的方式进行绕线，仿真表明，其效果要优于正常的蛇形走线。

印刷电路板中各元件之间的接线安排方式如下：
（１）印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。
（２）电阻、二极管、管状电容器等元件有“立式”，“卧式”两种安装方式。　　
（３）同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远，否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用这样“一点接地法”的电路，工作较稳定，不易自激。
（４）总地线必须严格按高频－中频－低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便翻来复去乱接，级与级间宁肯可接线长点，也要遵守这一规定。特别是变频头、再生头、调频头的接地线安排要求更为严格，如有不当就会产生自激以致无法工作。
调频头等高频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。
（５）强电流引线（公共地线，功放电源引线等）应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，可减小寄生耦合而产生的自激。
（６）阻抗高的走线尽量短，阻抗低的走线可长一些，因为阻抗高的走线容易发笛和吸收信号，引起电路不稳定。电源线、地线、无反馈元件的基极走线、发射极引线等均属低阻抗走线，射极跟随器的基极走线、收录机两个声道的地线必须分开，各自成一路，一直到功效末端再合起来，如两路地线连来连去，极易产生串音，使分离度下降。

印刷板图设计中应注意下列几点
　　１．布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。
　　２．各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。
　　３．电阻，二极管的放置方式：分为平放与竖放两种：
　　（１）平放：当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好；对于1/4W以下的电阻平放时,两个焊盘间的距离一般取10mm，1/2W的电阻平放时,两焊盘的间距一般取12～13mm；二极管平放时，1N400X系列整流管,一般取8mm;1N540X系列整流管,一般取10～12.5mm。
　　（２）竖放：当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放，竖放时两个焊盘的间距一般取2.5～5mm。
　　４．电位器：IC座的放置原则
　　（１）电位器：在稳压器中用来调节输出电压，故设计电位器应满中顺时针调节时输出电压升高，反时针调节器节时输出电压降低；在可调恒流充电器中电位器用来调节充电电流折大小，设计电位器时应满中顺时针调节时，电流增大。
　　电位器安放位轩应当满中整机结构安装及面板布局的要求，因此应尽可能放轩在板的边缘，旋转柄朝外。
　　（２）IC座：设计印刷板图时，在使用IC座的场合下，一定要特别注意IC座上定位槽放置的方位是否正确，并注意各个IC脚位是否正确，例如第1脚只能位于IC座的右下角线或者左上角，而且紧靠定位槽（从焊接面看）。
　　５．进出接线端布置
　　（１）相关联的两引线端不要距离太大，一般为5～8mm左右较合适。
　　（２）进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。
　　６．设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。
　　７．在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并按一定顺充要求走线，力求直观，便于安装，高度和检修。
　　８．设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。

９．布线条宽窄和线条间距要适中，电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距相符；
　　１０．设计应按一定顺序方向进行，例如可以由左往右和由上而下的顺序进行。

布局
高低压模块要间隔6.4mm以上。要注意留出散热片，接插件，固定架的位置。一些不能布线的地方可以用FILL。还要考虑散热，热敏元件。电阻，二极管的放置方式：分为平放与竖放两种：
（１）平放：当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况平放较好；对于1/4W以下的电阻平放时,两个焊盘间的距离一般取4/10英寸，1/2W的电阻平放时,两焊盘的间距一般取5/10英寸；二极管平放时，1N400X系列整流管,一般取3/10英
寸;1N540X系列整流管,一般取4～5/10英寸。
（２）竖放：当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放，竖放时两个焊盘的间距一般取1～2/10英寸。

布线：
先设置好规则里面的内容，VCC，GND 大功率等大电流的线可以设置的宽点（0.5mm-1.5mm），一般1mm可以通过1A的电流。对于大电压的线间距可以设置大点，一般1mm为1000V。设置好了，先布VCC，GND 等一些比较重要的线。注意各个模块的区分。对单面板最好可以加一些条线。加过孔，不一定横平竖直，集成块的焊盘间一般不走线，大电流的宽线可以在solder层画上线，以便后面上锡；走线用45度角
布线与布线注意的问题：
①、电位器的调节一般是顺时针为加大（电压，电流等）
②、高频（>20MHz）一般是多点接地。<10MHz 还是<1MHz单点接地。其间为混合接地。
③、根据需要，不是所有器件都要按标准封装，可以是跨接或立的焊接。
④、在印制板布线时，应先确定元器件在板上的位置，然后布地线，电源线。在安排高速信号线时，最好考虑低速信号线。元气件的位置按电源电压，数字模拟，速度快慢，电流大小等分组。安全的条件下，电源线应尽量靠近地。减小差摸辐射的环面积，也有助于减小电路的交扰。
当需要在电路板上布置快速，中速，低速逻辑电路时，高速的应放在靠近边缘连接器范围内，而低速逻辑和存储器，应放在远离连接器范围内。这样对共阻抗偶合，辐射和交扰的减小都是有利的。接地最重要的了。
1对于标准PCB板（板厚1.6mm=0.063 inch），最小过孔内径一般为10mil-20mil。
（与厂家工艺有关）
2 对于过孔，钻孔后电镀会使内直径减少2－4mil(镀锡的厚度)
3 焊盘的内径一般比引脚直径大10-28 mil，可以保证焊接质量。

地的分类与作用

1.
& Q1 o+ L6 t0 N, l0 S信号“地”
" F2 ^/ c- o. y8 o信号“地”又称参考“地”，就是零电位的参考点，也是构成电路信号回路的公共段，图形符号“⊥”。
1）  直流地：直流电路“地”，零电位参考点。
2）  交流地：交流电的零线。应与地线区别开。
3）  功率地：大电流网络器件、功放器件的零电位参考点。
4）  模拟地：放大器、采样保持器、A/D转换器和比较器的零电位参考点。
5）  数字地：也叫逻辑地，是数字电路的零电位参考点。
6）  “热地”：开关电源无需使用变压器，其开关电路的“地”和市电电网有关，既所谓的“热地”，它是带电的，图形符号为：“  ”。
7）  “冷地”：由于开关电源的高频变压器将输入、输出端隔离；又由于其反馈电路常用光电耦合、既能传送反馈信号又将双方的“地”隔离；所以输出端的地称之为“冷地”，它不带电。图形符号为“⊥”。

2. 保护“地”
保护“地”是为了保护人员安全而设置的一种接线方式。保护“地”线一端接用电器，另一端与大地作可靠连接。

3. 音响中的“地”
1）  屏蔽线接地：音响系统为防止干扰，其金属机壳用导线与信号“地”相接，这叫屏蔽接地。
2）  音频专用“地”：专业音响为了防止干扰，除了屏蔽“地”之外，还需与音频专用 “地”相连。此接地装置应专门埋设，并且应与隔离变压器、屏蔽式稳压电源的相应接地端相连后作为音控室中的专用音频接地点。

l 不同地线的处理方法。
1. 数字地和模拟地应分开
在高要求电路中，数字地与模拟地必需分开。即使是对于A/D、D/A转换器同一芯片上两种 “地”最好也要分开，仅在系统一点上把两种“地”连接起来。

2. 浮地与接地
系统浮地，是将系统电路的各部分的地线浮置起来，不与大地相连。这种接法，有一定抗干扰能力。但系统与地的绝缘电阻不能小于50MΩ，一旦绝缘性能下降，就会带来干扰。通常采用系统浮地，机壳接地，可使抗干扰能力增强，安全可靠。

3. 一点接地/ H7 L$ \0 s7 A; Z. f
在低频电路中，布线和元件之间不会产生太大影响。通常频率小于1MHz的电路，采用一点接地。

4. 多点接地
在高频电路中，寄生电容和电感的影响较大。通常频率大于10MHz的电路，采用多点接地。

PCB布局、布线基本原则

一、元件布局基本规则
1. 按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开；
2.定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm
内不得贴装元、器件，螺钉等安装孔周围3.5mm（对于M2.5）、4mm（对于M3）内不得贴装元器件；
3. 卧装电阻、电感（插件）、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路；
4. 元器件的外侧距板边的距离为5mm；
5. 贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm；
6. 金属壳体元器件和金属件（屏蔽盒等）不能与其它元器件相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于2mm。定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其它方孔外侧距板边的尺寸大于3mm；
7. 发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均衡分布；
8. 电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。特别应注意不要把电源插座及其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊接及电源线缆设计和扎线。电源插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔；
9. 其它元器件的布置：
所有IC元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一印制板上极性标示不得多于两个方向，出现两个方向时，两个方向互相垂直；
10、板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状铜箔填充，网格大于8mil(或0.2mm)；
11、贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。重要信号线不准从插座脚间穿过；
12、贴片单边对齐，字符方向一致，封装方向一致；
13、有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致。
二、元件布线规则
1、画定布线区域距PCB板边≤1mm的区域内，以及安装孔周围1mm内，禁止布线；
2、电源线尽可能的宽，不应低于18mil；信号线宽不应低于12mil；cpu入出线不应低于10mil（或8mil）；线间距不低于10mil；
3、正常过孔不低于30mil；
4、
双列直插：焊盘60mil，孔径40mil；
1/4W电阻： 51*55mil（0805表贴）；直插时焊盘62mil，孔径42mil；
无极电容： 51*55mil（0805表贴）；直插时焊盘50mil，孔径28mil；
5、
注意电源线与地线应尽可能呈放射状，以及信号线不能出现回环走线

http://www.china-pcb.net/pcbtech/index.asp
http://www.china-pcb.net/down/Software.asp?id=5451
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