Datasheet: 低消費電力・高効率ステップダウンスイッチングレギュレータ

注文コード No.N A 2 1 0 4
LV5980MC
Bi-CMOS 集積回路
低消費電力・高効率
ステップダウンスイッチング
レギュレータ
http://onsemi.jp
概要
LV5980MCはパワートランジスタ(PchMOS)内蔵1ch降圧型DC/DCコンバータである。推奨動作範囲4.5V
～23V、最大電流3A。動作電流は約63μAで、低消費電力を実現している。
特長および機能
・1chショットキ整流パワーPchMOS内蔵DC/DCコンバータIC
・軽負荷モード電流の代表値63μA
・動作入力電圧範囲：4.5V～23V
・出力オン抵抗：100mΩ
・出力設定電圧：1.235V
・発振周波数：370kHz
・パルス－バイ－パルス方式のOCP回路内蔵
・パルス－バイ－パルスが連続で発生した際にヒカップ動作に移行
・外付けコンデンサによりソフトスタート設定可能
・UVLO機能、過熱保護回路内蔵
アプリケーション
・Set top boxes
・LCDモニタ・TV
・事務用機器
・White Goods
・DVD/Blu-ray™ドライバ・HDD
・Point of Load DC/DCコンバータ
・POS System
応用回路図
効率
VIN
100
C1
90
C3
VIN
1μF
PDR
LV5980MC
C2
5V
10μF
×3
FB
R2
50
40
20
SS/HICCUP
47kΩ
C5
60
30
R1
C6
VIN=15V
70
R3
COMP
C7
VIN=8V
V IN=12V
VOUT
SW
D1
REF
80
L1 10μH
Efficiency -- %
10μF
×2
VOUT = 5V
GND
1μF 4.7nF 2.2nF
Semiconductor Components Industries, LLC, 2013
November, 2013
C1: GRM31CB31E106K [murata]
C2: C2102JB0J106M [TDK]
L1: FDVE1040-100M [TOKO]
D1: SB3003CH [SANYO]
10
0
0.1 2 3 5 7 1
2 3 5 7 10
2 3 5 7100 2 3 5 71000 2 3 5 710000
Load current -- mA
N2112NKPC 20120801-S00003 No.A2104-1/17
LV5980MC
絶対最大定格/Ta=25℃
項目
記号
条件
定格値
unit
電源電圧
VIN max
25
V
許容端子電圧
VIN-SW
30
V
VIN-PDR
6
V
REF
6
V
SS/HICCUP
REF
V
FB
REF
V
COMP
REF
V
1.35
W
許容消費電力
Pd max
指定基板付き ※1
動作周囲温度
Topr
－40～＋85
℃
保存周囲温度
Tstg
－55～＋150
℃
※1 指定基板:50.0mm×50.0mm×1.6mm,ガラスエポキシ4層基板
注1)絶対最大定格は、一瞬でも超えてはならない許容値を示すものである。
注2)絶対最大定格の範囲内で使用した場合でも、高温および大電流/高電圧印加、多大な温度変化等で連続して
使用される場合、信頼性が低下する恐れがある。詳細については弊社窓口まで相談すること。
最大定格を超えるストレスは、デバイスにダメージを与える危険性があります。最大定格は、ストレス印加に対してのみであり、推奨動作条件を超えての機能
的動作に関して意図するものではありません。推奨動作条件を超えてのストレス印加は、デバイスの信頼性に影響を与える危険性があります。
推奨動作条件/Ta=25℃
項目
電源電圧範囲
記号
条件
定格値
VIN
unit
4.5～23
V
unit
電気的特性/Ta=25℃,VIN=15V
項目
記号
条件
min
typ
max
1.210
1.235
1.260
V
VIN－5.5 VIN－5.0 VIN－4.5
V
基準電圧部
内部基準電圧
VREF
Pch Drive電圧
VPDR
IOUT=0～－5mA
三角発振器部
発振周波数
FOSC
310
370
430
kHz
ソフトスタート・ソース電流
ISS_SC
1.2
1.8
2.4
μA
ソフトスタート・シンク電流
ISS_SK
VIN=3V,VSS=0.4V
UVLOロック解除電圧
VUVLON
FB=COMP
3.3
3.7
4.1
V
UVLOロック電圧
VUVLOF
FB=COMP
3.02
3.42
3.82
V
－100
－10
100
220
380
μA/V
ソフトスタート回路部
μA
300
UVLO回路部
誤差増幅器
入力バイアス電流
IEA_IN
nA
エラーアンプ利得
GEA
出力シンク電流
IEA_OSK
FB=1.75V
－30
－17
－8
μA
出力ソース電流
IEA_OSC
FB=0.75V
8
17
30
μA
3.5
4.7
6.2
V
過電流リミッタ回路部
電流リミッタピーク値
ICL
過電流保護移行サイクル
NCYC
15
cycle
次ページへ続く。
No.A2104-2/17
LV5980MC
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項目
ヒカップコンパレータ
記号
条件
min
typ
max
unit
VtHIC
0.15
V
IHIC
0.25
μA
スレッショルド電圧
ヒカップタイマ放電電流
PWM比較器
最大オンデューティ
DMAX
94
%
出力部
出力オン抵抗
RON
IO=0.5A
軽負荷モード消費電流
ISLEEP
No Switching
サーマルシャットダウン
TSD
※2
100
mΩ
デバイス全体
63
170
83
μA
℃
※2 設計保証：設計により保証された値であり、IC単体での測定は行わない。
No.A2104-3/17
LV5980MC
外形図
unit:mm (typ)
3424
Pd max – Ta
2.0
0.835
0.375
2
0.42
0.2
1.75 MAX
1.27
6.0
3.9
1
許容消費電力, Pd max -- W
4.9
8
1.5
1.35
1.0
0.70
0.5
0
--40
--20
0
20
40
60
80
100
0.175
周囲温度, Ta -- °C
SANYO : SOIC8
指定基板パターン図
表
裏
2/3 層目
No.A2104-4/17
LV5980MC
ピン配置図
TOP VIEW
PDR
1
GND
2
8
SW
7
VIN
LV5980MC
SS/HICCUP
3
6
REF
COMP
4
5
FB
SOIC8
端子機能説明
端子
番号
1
端子名
PDR
機能
PchMOSFETのゲート駆動電圧。
VIN端子とPDR端子の間にバイパスコンデンサが必要になる。
2
GND
ICグランド端子。各基準電圧はグランド端子電圧を基準とする。
3
SS/HICCUP
ソフトスタート/ヒカップモード設定用コンデンサ接続端子。
約1.8μAの電流でソフトスタートコンデンサを充電する。
また、ヒカップモード時の再起動繰り返し周期を設定する。
4
COMP
誤差増幅器出力端子。
COMP端子とGND端子の間に位相補償を接続する。
本ICは電流モード制御のDCDCコンバータであるので、COMP端子電圧で出力電流の大小
を知ることができる。COMP端子電圧によって、間欠(省電力)モードと連続モード動作
を切換える。COMP端子は、約0.9Vと比較する起動コンパレータ(Init.comp)が接続され
ており、COMP端子電圧が0.9V以下で間欠(省電力)モード、約0.9V以上で連続モードと
なる。
5
FB
誤差増幅器反転入力端子。
この端子電圧が1.235Vになる様にコンバータは動作する。
出力電圧を外部で抵抗分割した電圧を印加すること。
6
REF
7
VIN
IC内部の基準電圧。
電源電圧入力端子。
UVLO機能で監視されており、VIN端子が3.7V以上になるとICは起動しソフトスタート動
作に入る。
8
SW
上側PchMOSFETドレイン端子。
No.A2104-5/17
LV5980MC
ブロック図
VIN
Wake-up
REF
Band-gap
TSD
REF
uvlo.comp
Bias
1.235V
Pch Drive
enable
PDR
ILIM
Logic
HICCUP_SD
pwm comp
SS_END.comp
SS/HICCUP
HICCUP_SD
enable
15pulse
counter
PbyP.comp
ocp.comp
HICCUP_SD
FB
error.amp
slope
OSC
COMP
S
Q
CK RQ
clk
Level-shift
SW
lnit.comp
PDR
gnd
GND
No.A2104-6/17
LV5980MC
端子機能
端子
端子名
番号
1
等価回路
PDR
VIN
1.3MΩ
1.5MΩ
10kΩ
PDR
10kΩ
10Ω
GND
2
GND
3
SS/HICCUP
VIN
GND
VIN
10kΩ
1kΩ
SS/HICCUP
10kΩ
1kΩ
GND
4
COMP
VIN
70kΩ
1kΩ
COMP
1kΩ
GND
5
FB
VIN
10kΩ
1kΩ
FB
1kΩ
GND
次ページへ続く。
No.A2104-7/17
LV5980MC
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端子
端子名
番号
6
REF
等価回路
VIN
10Ω
REF
10Ω
51kΩ
1MΩ
450kΩ
GND
7
VIN
VIN
GND
8
SW
VIN
22mΩ
SW
No.A2104-8/17
LV5980MC
各機能説明
省電力機能
本ICでは軽負荷時の効率を向上するため、省電力機能を搭載している。
軽負荷時に不用な回路をシャットダウンすることで、ICの動作電流を最小限に抑え、高効率を実現
している。
出力電圧の設定
出力電圧VOUTの設定はVOUT－FB間の抵抗R3とFB－GND間の抵抗R2により設定可能である。出力電圧
VOUTの設定は、以下の式(1)より求められる。
R3
R3
VOUT = (1 + R2 ) × VREF = (1 + R2 ) × 1.235
[V]
(1)
ソフトスタート機能
ソフトスタート時間TSSはSS/HICCUP－GND間のコンデンサC5により設定可能である。TSSの設定値は
以下の式(2)より求められる。
TSS = C5 ×
VREF
1.235
ISS = C5 × 1.8 × 10-6
[ms]
(2)
ヒカップ過電流保護機能
過電流リミットICLはIC内部で4.7Aに設定されている。15回連続でインダクタ電流のピーク値が4.7A
以上の時に過電流検知とみなし、ICが停止する。停止期間THICはSS/HICCUP端子の放電時間により決
まる。SS/HICCUP端子が0.15V以下になるとICは再起動する。以後、SS/HICCUP端子の電圧が0.3V以上
の状態で過電流検知するとICは再び停止する。そして、SS/HICCUP端子の電圧が1.235V以上になると
放電を開始する。過電流検知しなければICは正常に起動する。
15回連続で過電流リッミト値を
超えていると停止
ICL
IL
※SS/HICCUP端子の
放電時間により
決まる停止時間
SS/HICCUP
THIC
0.3V
0.15V
1.235V
SS/HICCUPが0.15V以下になると
ICソフトスタートで再起動
以後の動作
・SSが0.3V以上の状態で、
過電流を検知するとICは再び停止する。
・過電流を検知しなければ、
ICは正常に起動する。
FB
No.A2104-9/17
LV5980MC
主要部品選定
チョークコイルの選定
インダクタンス値は入力電圧、出力電圧、リップル電流の条件を決定すれば、下記の式(3)で求める
ことができる。
L=
VIN - VOUT
× TON
⊿IR
(3)
1
TON =
{((VIN - VOUT) ÷ (VOUT + VF)) + 1} × FOSC
FOSC
VF
VIN
VOUT
：発振周波数
：ショットキーダイオードの順方向電圧
：入力電圧
：出力電圧
・インダクタ電流：ピーク値IRP
インダクタの電流ピーク値IRPは下記の式(4)で求められる。
IRP = IOUT +
VIN - VOUT
× TON
2L
(4)
インダクタの定格電流値がリップル電流のピーク値よりも十分に大きなものを使用すること。
・インダクタ電流：リップル電流⊿IR
リップル電流⊿IRは下記の式(5)で求められる。
⊿IR =
VIN - VOUT
× TON
L
(5)
負荷電流IOUTがリップル電流の1/2以下のとき、インダクタの電流は不連続となる。
出力コンデンサの選定
出力コンデンサには大きなリップル電流が流れるので、スイッチング電源用低インピーダンス品を
使用すること。
本ICは電流モード制御方式のスイッチングレギュレータですので、セラミックコンデンサ、OSコン
などの等価直列抵抗(ESR)が極端に小さいコンデンサでも安心して使用することができる。
出力コンデンサに流れる交流分であるリップル電流は三角波のため、実効値は式(6)のようになる。
IC_OUT =
VOUT × (VIN - VOUT)
1
×
L × FOSC × VIN
2√3
[Arms]
(6)
入力コンデンサの選定
入力コンデンサには出力コンデンサよりも大きなリップル電流が流れる。よって、出力のコンデン
サと同様にリップル電流許容値に注意する必要がある。入力コンデンサに流れるリップル電流の実
効値は以下のようになる。
IC_IN = √D (1 - D) × IOUT
D=
[Arms]
(7)
TON
VOUT
T = VIN
上記式(7)において、DはON期間の時比率で、この値が0.5のときリップル電流が最大となる。入力コ
ンデンサは、上記式(7)で求めた許容リップル電流値を超えないように選定すること。上記式(7)よ
り、VIN＝15V,VOUT＝5V,IOUT＝1.0A,FOSC＝370kHzとした場合、IC_INの値は約0.471Armsになる。
次ページへ続く。
No.A2104-10/17
LV5980MC
前ページより続く。
入力コンデンサからVIN、GNDにいたる基板配線は電流変化が大きくなるので、インピーダンスが低
くなるように太い配線にて引くこと。また、回生電流による電圧のバウンドを低減するために入力
コンデンサは出力トランジスタ直近に接続すること。負荷電流の過渡的な変動時(IOUT：大⇒小)、
出力電解コンデンサのエネルギーが入力コンデンサに回生される。この時に入力コンデンサ容量が
小さいと、入力電圧がアップする。このことを考慮した入力コンデンサの設定が必要である。出力
電圧、コイルのインダクタンスや負荷電流の変化によって、回生エネルギーは変化する。
外付け位相補償部品の選定
本ICは電流モード制御を採用しているため、簡単な位相補償により、出力コンデンサにESR低いセラ
ミックコンデンサやOSコンなどの固体高分子コンデンサを使用することができ、簡単に長寿命・高
品質なステップダウン電源回路を構成することができる。
周波数特性
本ICの周波数特性は以下の伝達関数で構成されている。
(1)出力抵抗ブリーダ
： HR
(2)エラーアンプの電圧ゲイン
：GVEA
電流ゲイン
：GMEA
(3)位相補償外付け素子のインピーダンス
： ZC
(4)電流センス・ループゲイン
：GCS
(5)出力平滑化インピーダンス
： ZO
VIN
1/GCS
OSC
FB
Current
sence loop
GVER
GMER
D
CLK
Q
C
R
SW
VOUT
COMP
VREF
R2
CC
HR
ZC
CO
ZO
R1
RC
RL
閉ループゲインは以下の式(8)で求められる。
G = HR • GMER • ZC • GCS • ZO
VREF
= V
• GMER •
OUT
1
RC + SC
C
RL
• GCS • 1 + SC • R
O
L
(8)
式(8)より、閉ループゲインの周波数特性は、出力コンデンサCOと出力負荷抵抗RLからなるポール
fp1と、位相補償の外付けコンデンサCCと抵抗RCで与えられる零点fz、エラーアンプの出力インピー
ダンスZERと位相補償の外付けコンデンサCCによって決まるポールfp2によって与えられる。また、
fp1･fz･fp2は以下の式(9)～(11)より求められる。
No.A2104-11/17
LV5980MC
fp1 =
fz =
1
2π • CO • RL
(9)
1
2π • CC • RC
fp2 =
(10)
1
2π • ZER • CC
(11)
外付け位相補償定数の算出
一般的にスイッチングレギュレータを安定動作させるには、閉ループゲインが1になる周波数(ゼロ
1
1
クロス周波数fZC)をスイッチング周波数の10 (高くても5 程度)にしなくてはならない。本ICのスイ
ッチング周波数は370kHzなのでゼロクロス周波数は37kHzとなる。ゼロクロス周波数にて閉ループゲ
インが1になる(式(8)＝1)という条件より以下の式(12)が成り立つ。
VREF
VOUT • GMER •
1
RC + SC
C
RL
• GCS • 1 + SC • R = 1
O
L
(12)
1
また、ゼロクロス周波数では位相補償のインピーダンス成分がRC>>SC となるため次の式(13)のよ
C
うになる。
VREF
RL
•
G
•
R
•
G
•
=1
MER
C
CS
VOUT
1 + 2π • fZC • CO • RL
(13)
位相補償外付け抵抗は式(13)の変形させた式(14)より求めることができる。
また、式(14)中にて2π・fZC・CO・RL>>1が成り立つため、外付け抵抗が負荷抵抗に依存しないこと
がわかる。
VOUT
1 + 2π • fZC • CO • RL
1
1
RC = V
• G
• G
•
RL
REF
MER
CS
(14)
出力5V、負荷抵抗5Ω(1A負荷)の時、位相補償の抵抗値は以下の値になる。
GCS=2.7A/V,GMER=220μA/V,fZC=37kHz
5
1
1
1 + 2 × 3.14 × (37 × 103) × (30 × 10-6) × 5
RC = 1.235 ×
×
= 48.898…× 103
-6 ×
5
2.7
220 × 10
= 48.90 [kΩ]
零点fzとポールfp1の周波数が同じ位置に存在すると互いに打ち消しあい、閉ループゲインの周波数
特性はひとつのポール周波数しか存在しなくなる。
つまり、ゲインが－20dB/decで低下し位相が90°しか回らない、絶対に発振しない特性が得られる。
fp1 = fz
1
1
=
2π • CO • RL
2π • CC • RC
CC =
RL • CO 5 × (30 × 10-6)
•
= 3.067…× 10-9
RC
48.9 × 103
= 3.07 [nF]
以上が理想の式から求められる外付け位相補償定数の算出方法になる。実際は、全温度範囲、全負
荷範囲、全入力電圧範囲で安定動作することを実験・確認して位相定数を決めている。提出する評
価ボードでも、上記の定数から絞り込み、位相補償の定数を決めている。実際のセットボードで要
求されるゼロクロス周波数、すなわち過渡応答を外付け位相補償抵抗で調整する。またノイズの影
響が大きい場合、外付け位相補償コンデンサをより大きな値にすることをお勧めする。
No.A2104-12/17
LV5980MC
パターン設計上の注意
基板のパターン設計はDC-DCコンバータの特性を大きく左右する。本ICは大電流を高速でスイッチン
グする。そのため、パターン配線のインダクタンス成分が大きいと、ノイズを発生させる原因とな
る。したがって、主回路のパターンは太く短く接続することが重要である。
(3)
オレンジ：ハイサイド MOSFET ON
赤色　：ハイサイド MOSFET OFF
L1
(2) VOUT
Cout
(4)
D1
C3
GND
Cin
(6)
(5)
(1) VIN
(1)入力コンデンサのパターン設計
VINとGNDの間にはノイズ除去のため、ICの近くへコンデンサを接続すること。
主回路の中でも特に『入力コンデンサからVINまでのパターン』と『GNDから入力コンデンサまで
のパターン』は電流の変化がもっとも大きくなる。そのため、VINまでのパターンとGNDから入力
コンデンサまでのパターンは太く・短く接続すること。
(2)インダクタおよび、出力コンデンサのパターン設計
インダクタおよび出力コンデンサに大電流が流れる。
そのため、このパターンも太く短く配線すること。
(3)電流径路を考慮したパターン設計
ハイサイドMOSFETがON(オレンジ矢印)の時とハイサイドMOSFETがOFF(赤色矢印)の時、2つの電流
径路が同じ径路を通り、且つ面積が最小になるように配線をすること。
(4)VIN－PDR間コンデンサのパターン設計
VIN－PDR間のコンデンサは最短距離で設置すること。
(5)小信号系GNDのパターン設計
小信号系のGNDは入力コンデンサの根本から電流の流れない径路を取ること。
OUT
FB
(6)FB－OUTラインのパターン設計
図：FB－OUTラインにて赤線で示す配線は出力コンデンサの近くへ取ること。
図：FB-OUTライン
No.A2104-13/17
LV5980MC
標準的性能特性
アプリケーション曲線
Ta=25℃
効率
100
効率
100
VOUT = 1.235V
90
90
V IN=5V
70
15V
8V
60
12V
50
40
70
40
20
20
10
0.1 2 3 5 7 1
2 3 5 7100 2 3 5 71000 2 3 5 710000
2 3 5 7 10
Load current -- mA
VOUT = 3.3V
90
VIN=5V
8V
70
VOUT = 5V
VIN=8V
90
15V
15V
60
50
40
12V
80
12V
Efficiency -- %
Efficiency -- %
効率
100
80
2 3 5 7100 2 3 5 71000 2 3 5 710000
Load current -- mA
効率
100
15V
50
30
2 3 5 7 10
12V
8V
60
30
10
0.1 2 3 5 7 1
V IN=5V
80
Efficiency -- %
80
Efficiency -- %
VOUT = 1.8V
70
60
50
40
30
30
20
20
10
0.1 2 3 5 7 1
10
0.1 2 3 5 7 1
2 3 5 7 10
2 3 5 7100 2 3 5 71000 2 3 5 710000
2 3 5 7 10
Load current -- mA
2 3 5 7100 2 3 5 71000 2 3 5 710000
Load current -- mA
動作波形(応用回路図,Ta=25℃,VIN=15V,VOUT=5V)
Light load mode
Output Voltage
IOUT = 10mA
IOUT = 10mA
VSW
5V/DIV
VOUT
20mV/DIV
IL
0.5A/DIV
IL
0.5A/DIV
10μs/DIV
10μs/DIV
No.A2104-14/17
LV5980MC
Discontinious current mode
Output Voltage
IOUT = 200mA
IOUT = 200mA
VSW
5V/DIV
VOUT
20mV/DIV
IL
0.5A/DIV
IL
0.5A/DIV
2μs/DIV
2μs/DIV
Continious current mode
Output Voltage
IOUT = 2A
IOUT = 2A
VSW
5V/DIV
VOUT
20mV/DIV
IL
1A/DIV
IL
1A/DIV
2μs/DIV
2μs/DIV
Load Transient response
Soft start and shutdown
IOUT = 0.5 Q 2.5A, Slew Rate = 100μA
IOUT = 2A
VIN
20V/DIV
VOUT
0.2V/DIV
VSS/HICCUP
2V/DIV
IOUT
2A/DIV
VOUT
2V/DIV
500μs/DIV
2ms/DIV
Over current protection
OUT - GND short
VOUT
5V/DIV
VSS/HICCUP
5V/DIV
VSW
20V/DIV
IOUT
5A/DIV
20ms/DIV
No.A2104-15/17
LV5980MC
特性曲線
Ta=25℃,VIN=15V
軽負荷モード消費電流
内部基準電圧
90
1.26
Internal reference voltage -- V
80
Input current -- μA
70
60
50
40
30
20
1.25
1.24
1.23
1.22
10
0
--50
--25
0
25
50
75
100
125
1.21
--50
150
--25
0
Temperature -- °C
50
75
125
150
100
125
150
100
125
150
125
150
100
過電流リミッタピーク値
5
140
4.9
120
4.8
Current limit peak -- A
Output on resistance -- mΩ
出力オン抵抗
160
100
80
60
40
20
0
--50
25
Temperature -- °C
4.7
4.6
4.5
4.4
4.3
--25
0
25
50
75
100
125
4.2
--50
150
--25
0
Temperature -- °C
25
50
75
Temperature -- °C
発振周波数
400
UVLO
3.8
3.7
380
UVLO release voltage
370
UVLO voltage -- V
Oscillatory frequency -- kHz
390
360
350
340
330
320
3.6
3.5
3.4
UVLO lock voltage
3.3
310
300
--50
--25
0
25
50
75
100
125
3.2
--50
150
--25
0
Temperature -- °C
ソフトスタート・ソース電流
75
0.33
HICCUP timer charge current -- μA
Soft start source current -- μA
50
ヒカップタイマー放電電流
2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
--50
25
Temperature -- °C
--25
0
25
50
75
Temperature -- °C
100
125
150
0.31
0.29
0.27
0.25
0.23
0.21
0.19
0.17
--50
--25
0
25
50
75
100
Temperature -- °C
No.A2104-16/17
LV5980MC
推奨フットパターン図：SOIC8
SOLDERING FOOTPRINT*
1.52
0.060
7.0
0.275
0.6
0.024
4.0
0.155
1.270
0.050
SCALE 6:1
mm
( inches
(
*For additional information on our Pd-Free strategy and soldering
details, please download the ON Semiconductor Soldering and
Mounting Techniques Reference Manual, SOLDERRM/D.
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(参考訳)
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PS No.A2104-17/17

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