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共模騷擾的成因與對策
劉 萍，沙 斐
（北方交通大學抗電磁干擾研究中心,，北京100044）
摘 要：共模騷擾往往是造成電子電氣產(chǎn)品工作失靈或輻射發(fā)射測試超標的主要原因,。它主要可以分為兩種：一種是侵入設(shè)備的共模騷擾,，另一種是從設(shè)備內(nèi)部輻射出來的共模騷擾,。侵入設(shè)備的共模騷擾主要由地環(huán)路引起,，因此在設(shè)計上采用平衡電路或設(shè)法切斷地環(huán)路可以提高設(shè)備的抗干擾性能,。設(shè)備內(nèi)的共模騷擾通過連接線向外輻射,，相當于一副不對稱振子天線,，可以采用共模濾波器或屏蔽電纜等措施,。但最根本的應(yīng)該是在印刷電路板設(shè)計、元器件布置和連接線的安排上下功夫，抑制共模騷擾源的產(chǎn)生,。本文將理論與實例相結(jié)合,，對這兩種共模騷擾的成因、表現(xiàn)形式和抑制對策進行了系統(tǒng)的介紹,。
關(guān)鍵詞：共模騷擾,；地環(huán)路；共模輻射,；共模濾波器
1 引言
共模騷擾是讓許多系統(tǒng)工程師頭疼的問題,，往往造成電子電氣產(chǎn)品工作失靈或者輻射發(fā)射測試超標。本文將對共模騷擾的產(chǎn)生和抑制進行研究,。
電流在導線上傳輸時有兩種方式：共模方式和差模方式,。一對導線上若流過差模電流，則兩條線上的電流大小相等,，方向相反,。驅(qū)動源是線與線之間的差模源。一般有用信號都是差模電流,。一對導線上若流過共模電流,，則兩條線上的電流方向相同。驅(qū)動源是線與地之間的共模源,。騷擾在傳輸線上既可以以差模方式出現(xiàn),，也可以以共模方式出現(xiàn)。概括說來,，共模騷擾可以分為兩種,，一種是設(shè)備外部的騷擾通過設(shè)備的互連線以共模電流的形式侵入設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生干擾，另一種是設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的騷擾通過設(shè)備互連線以共模電流的形式向設(shè)備外部發(fā)射騷擾,。共模騷擾通常指線與地之間的騷擾,。下面就對這兩種共模騷擾的成因、表現(xiàn)形式和抑制對策分別進行闡述,。
2 共模電流的侵入
2．1 地環(huán)路中產(chǎn)生的共模電流騷擾
圖1為地環(huán)路的示意圖,。
圖中兩設(shè)備用一對電纜傳輸線連接，圖中設(shè)備Ⅰ（發(fā)送部分）,、設(shè)備Ⅱ（接收部分）分別接各自的地,，這是一個不平衡傳輸電路。在理想情況下,，兩設(shè)備的地電位相等,，傳輸線對中僅存在有用信號UDM的差模電流IDM，途經(jīng)是＋UDMZS信號線阻抗Zt負載ZL回流線阻抗Zt－UDM,。
但是,，實際情況往往沒有這么理想,，兩個設(shè)備的接地點P和Q之間很可能會存在電位差UCM。例如,，設(shè)備Ⅰ處有高電流入地或瞬態(tài)強電流入地,，使P點地電位彈升，或者電纜傳輸線處在較強的騷擾電磁場中,，地環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,，相當于在PQ間存在電位差UCM,。此時,，由UCM產(chǎn)生的噪聲電流將同時通過信號線和回流線，方向是相同的,，因此是共模電流,，途徑如圖2所示。
由于各條途經(jīng)中的阻抗不一樣,，共模電流大小也不同,，因此在ZL兩端產(chǎn)生了差模壓降，從而對設(shè)備2的正常工作產(chǎn)生干擾,。
傳輸線對上是否存在共模電流騷擾可以方便地用電流鉗測出,。將電流鉗夾住傳輸線，差模電流不會在電流鉗中產(chǎn)生感應(yīng)電壓,，共模電流則可以,。將該電壓輸入示波器或頻譜儀就可以分析共模騷擾的波形和頻譜特性［1］。
2．2 抑制共模電流傳導騷擾的對策
2．2．1 采用平衡電路
如果用圖3的平衡電路來代替圖1的不平衡電路,，則情況可以大大改善,。圖中信號線和回流線對地阻抗是平衡的，由UCM驅(qū)動的共模電流在兩條線中是相等的,，因而在ZL兩端沒有差模噪聲壓降,，所以用平衡電路可以避免從共模到差模的轉(zhuǎn)換。例如,，計算機的RS－422串行接口采用這種平衡傳輸方式,，因此可提高傳輸線的抗干擾能力。
2．2．2 切斷地環(huán)路
由于產(chǎn)生共模電流的根本原因是地電位差的存在,，所以切斷地環(huán)路是抑制共模電流騷擾最直接的方法,。這種方法常用的措施有以下幾種：
（1）隔離變壓器
在電路1和2之間插入隔離變壓器，如圖4（a）所示,。電路1的有用信號可以通過變壓器的磁場耦合傳輸?shù)诫娐?SPAN lang=EN-US style="FONT-SIZE: 12px; FONT-FAMILY: Verdana, Arial, Helvetica, sans-serif; PADDING-BOTTOM: 0px; PADDING-TOP: 0px; PADDING-LEFT: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-RIGHT: 0px">2去,，而地環(huán)路產(chǎn)生的共模電流由于方向相同在變壓器初級繞組中相互抵消，起到了隔離作用,。但是一般變壓器并非理想的,，初級繞組和次級繞組間存在著分布電容,，所以共模電流可能通過這些分布電容從初級流到次級去，并進一步流向負載,。為了減小分布電容,，提高變壓器的隔離效果，應(yīng)該在初,、次級間加一層金屬屏蔽層,，其結(jié)構(gòu)是用一層銅箔繞一匝，但在交接處必須墊上絕緣層,，不能讓其變成短路環(huán),，否則差模電流也被隔離了，見圖4（b）,。該銅箔起到了初級與次級間的電場屏蔽作用,，即減小了兩者之間的分布電容。該銅箔應(yīng)接地,，而且要接在負載端,，否則不起作用，這可用圖4（c）解釋,。屏蔽體如接在A端的地上,，則共模噪聲仍可通過C2耦合到負載上去，所以在B端接地,。隔離變壓器的缺點是不能傳輸直流信號和頻率很低的信號,。
（2）共模扼流圈
在電路1與電路2之間插入共模扼流圈，如圖5所示,。共模扼流圈可以傳輸差模信號,，直流和頻率很低的差模信號都可以通過，而對于高頻共模噪聲則呈現(xiàn)很大的阻抗,，所以它可以用來抑制共模電流騷擾,。此外，用鐵氧體磁環(huán)套在兩根導線上也同樣可以起到共模扼流圈的作用,。
（3）光電耦合器
在電路1與電路2之間插入光電耦合器,，如圖6所示。光電耦合器只能傳輸差模信號,，不能傳輸共模信號,，所以完全切斷了兩個電路之間的地環(huán)路。光電耦合器可以傳輸直流和低頻信號,，響應(yīng)速度快,，輸入輸出端的分布參數(shù)小，而且體積小,，重量輕,，便于安裝,，目前已廣泛應(yīng)用在數(shù)字電路中，頻率高達10 MHz,。
3 共模電流的輻射
測量設(shè)備通過空間傳播的輻射騷擾強度時常常遇到下述情況,，如設(shè)備不接各種輸入輸出線或控制線時則輻射噪聲較小，可能不超過標準規(guī)定的要求,，但是接上這些線以后輻射噪聲在某些頻段會顯著增加,，有時可增10～20 dB。實驗證明噪聲強度的增加與外接線終端是否接負載,，即是否有差模的負載電流關(guān)系不大,，因此這是共模電流輻射問題。一對緊貼著的導線如果流過差模電流則導線各自在空間產(chǎn)生的電磁場可以相互抵消,，因為兩根導線中的電流大小相等方向相反,。當導線對上流過共模電流時各自產(chǎn)生的電磁場可以相互疊加,。
3．1 共模電流輻射的基本模式
3．1．1 電流驅(qū)動模式
圖7是電流驅(qū)動模式的示意圖,。圖中UCM是共模電壓源，設(shè)備內(nèi)部有很多這樣的源,，例如各種數(shù)字信號電路,、高頻振蕩源等。ZL為回路負載,，IDM為回路的差模電流,，該電流流過AB兩點間的回流地（例如PCB的地線），回到差模源,。如AB間存在一定電感LP,，則會產(chǎn)生壓降UCM。這里,，UCM就是產(chǎn)生共模輻射的驅(qū)動源,。要產(chǎn)生輻射，除了源以外還必須有天線,。這里的天線由兩部分組成,，一部分是由A點向左看的地線部分，另一部分是由B點向右看的地線部分和外接電纜,。其組成的輻射系統(tǒng)的等效原理圖如圖7（b）所示,，這實際上是一副不對稱振子天線。由于共模電流ICM是由差模電流IDM產(chǎn)生的,，所以稱這種模式為電流驅(qū)動模式,。以下舉二例說明電流驅(qū)動產(chǎn)生的共模輻射，其基本解決辦法見文獻［1］的2．3節(jié),。
例1 在PCB上為了把數(shù)字部分和模擬部分隔離,，常把地分割成數(shù)字地和模擬地,。如果這兩部分之間有信號聯(lián)系，如圖8所示,，并且數(shù)字地和模擬地的連接部分AB比較細長存在一定電感,，則差模電流IDM將在AB連接線的電感上產(chǎn)生共模驅(qū)動電壓源，從而引起共模輻射,。天線一部分是數(shù)字地,，另一部分是模擬地和外接地線。
例2 PCB的地通過AB線與機殼相連接,，如圖9所示,。PCB上有扁平信號線與機殼貼近，于是差模源通過分布電容耦合到機殼上,，引起差模電流IDM,。IDM通過AB線回到PCB的差模源。如果AB線存在一定電感LP,，則IDM在LP上產(chǎn)生電壓降UCM,，成為共模驅(qū)動電壓，從而引起共模輻射,。這時的天線一部分是外接地線,，另一部分是機殼。這種輻射常發(fā)生在以下情況,，例如設(shè)備內(nèi)部的地址線,、數(shù)據(jù)線等扁平電纜貼近機殼，分布電容較大,，PCB和機殼之間的連接線細長或接觸不良等等,。
3．1．2 電壓驅(qū)動模式
電壓驅(qū)動模式的原理如圖10所示，圖中差模電壓源UDM直接驅(qū)動天線的兩個部分,，即上金屬部分和下金屬部分,，從而產(chǎn)生共模輻射。共模輻射電流ICM為
式中：CA為上下兩部分金屬之間的分布電容,。
下述例子說明了電壓驅(qū)動產(chǎn)生的共模輻射,。
例3 圖11示出的是開關(guān)電源的一部分。其中,，Q是大功率的開關(guān)管,，它可以看成是差模電壓源UDM。共模電流ICM的途徑是由Q通過開關(guān)管和散熱片之間的分布電容Cd到達散熱片,，散熱片是共模天線的一個極,，然后以空間位移電流的形式即通過CA到達外部接線，外部接線是天線的另一個極,，共模電流再由PCB地回到Q,。
3．2 產(chǎn)生共模輻射的條件
產(chǎn)生共模輻射的條件一是要有共模驅(qū)動源,，二是要有共模天線。任何兩個金屬體之間只要存在RF電位差就構(gòu)成一副不對稱振子天線,，兩個金屬體分別是它的兩個極,，RF電位差即為共模驅(qū)動源，它通過不對稱振子天線間的空間輻射電磁能量,。當頻率達到MHz級時,，nH級的小電感和pF級的小電容都將產(chǎn)生重要的影響。兩個導體連接處的小電感會產(chǎn)生RF電位差,。如例1中數(shù)字地模擬地連接線的小電感,，例2中PCB與機殼之間連接線的小電感等都是產(chǎn)生共模驅(qū)動源的的根源。沒有物理連接點的金屬體也可能通過小電容變成天線的一部分,。如例3中散熱片與開關(guān)管物理上是絕緣的,，但可以通過它們之間的小電容在RF頻率上連接起來，構(gòu)成共模天線的一部分,。
共模天線的一個極必定是設(shè)備的外部接線,，另一個極可以是設(shè)備內(nèi)部PCB的地線、電源面,、機殼,、散熱片、金屬支撐架等等,。當天線的兩個極總長度大于λ／20時，天線的輻射才可能有效,。當天線長度與驅(qū)動源諧波的波長符合l＝nλ／20（n＝1,，2，3,，…）時天線發(fā)生諧振,，輻射能量最大。
在天線總長度確定時,，源在天線上的位置是天線輻射能量的決定因素,。天線在源的同一側(cè)時產(chǎn)生的共模輻射要比天線在兩側(cè)時小得多［1］。
3．3 抑制共模輻射騷擾的對策
通過分析共模輻射產(chǎn)生的條件,，我們可以很容易想到抑制共模輻射騷擾也是從這兩方面入手,，一是對共模天線進行處理，二是減小共模驅(qū)動源對外的輸出功率,。
3．3．1 從共模天線入手
減小天線長度即設(shè)備外部電纜的長度可以減小輻射,，但實際應(yīng)用中電纜長度往往是確定的，無法縮短,，因此可用以下方法,。
（1）改變共模源在天線上的位置
3．2條已經(jīng)講過,，萬一設(shè)備內(nèi)部存在共模輻射源，則電纜是很好的共模輻射天線,，而天線在源的同一側(cè)時產(chǎn)生的共模輻射要比天線在兩側(cè)時小得多,。所以，在PCB設(shè)計時,，所有的連接器最好都放在PCB的一側(cè),。所有的信號線、控制線,、電源線也最好從機箱的一側(cè)引出,，盡量避免從兩側(cè)引出電纜。
（2）減小分布電容Cd
對于電流驅(qū)動的共模輻射,，如例2,，減小信號線與機殼之間的分布電容Cd，就可以減小差模電流IDM,，從而減小了IDM在AB線電感Lp上的電壓,，即共模驅(qū)動電壓UCM，這樣就減小了共模輻射,。減小分布電容Cd的方法非常簡單,，只要將該設(shè)備內(nèi)部的地址線、數(shù)據(jù)線等扁平電纜遠離機殼就可以了,。對于電壓驅(qū)動的共模輻射,，如例3，減小開關(guān)管和散熱片之間的分布電容Cd,，則可以減小共模電流ICM,，從而減小共模輻射。要減小Cd,，可以選用低介電常數(shù)的材料作絕緣墊,，增加墊片的厚度。也可以用靜電屏蔽的方法,，如圖12所示,。一般，開關(guān)管的外殼是集電極,，在集電極和散熱片之間墊上一層夾心絕緣物,，即絕緣物中間夾一層銅箔，作為靜電屏蔽層,，接在輸入直流0 V地上,，散熱片仍接機殼地，這層靜電屏蔽層將大大減小集電極和散熱片之間的電場耦合。
（3）電纜屏蔽層與機箱良好搭接
圖13是一種典型共模輻射的簡化圖,。屏蔽機箱內(nèi)存在一個共模驅(qū)動源（可能是高速數(shù)字器件,、時鐘發(fā)生器、開關(guān)電源等）,。很顯然,，共模驅(qū)動源產(chǎn)生的共模電流會沿著屏蔽電纜向外輻射。如果將電纜的屏蔽層與金屬機箱完整搭接,，那么共模電流就會迅速通過金屬機箱流入地中,，不會在空間產(chǎn)生輻射，這就等于抑制了共模輻射,。在這個方法中,，需要注意兩個問題。一是電纜屏蔽層應(yīng)與金屬機箱360°完整搭接,，并保證良好的電連續(xù)性,。如果連接時屏蔽層的編織網(wǎng)被集中在一側(cè)，扭成“豬尾巴”狀的辮子,，芯線有很長一段露出屏蔽層（見圖14）,，則會產(chǎn)生“豬尾巴效應(yīng)”，很大程度上降低了屏蔽層的屏蔽效果,，也不能很好地抑制共模輻射,。二是屏蔽機箱應(yīng)該具有良好的電連續(xù)性，接縫處要保證金屬之間接觸良好,，這樣才能達到較高的屏蔽效能,，才能保證共模電流在金屬機箱上的均勻流動。
?。?SPAN lang=EN-US style="FONT-SIZE: 12px; FONT-FAMILY: Verdana, Arial, Helvetica, sans-serif; PADDING-BOTTOM: 0px; PADDING-TOP: 0px; PADDING-LEFT: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-RIGHT: 0px">4）在PCB上或上方不允許有任何電氣上沒有連接并懸空的金屬存在
PCB上的集成電路芯片上有時有些閑置的門電路引腳,，這些引腳相當于小天線，可以接收或發(fā)射干擾,，所以應(yīng)該把它們就近接回流地或電源線。懸空的金屬,，特別是大面積的金屬分布電容大,，容易產(chǎn)生電場耦合。任何金屬構(gòu)件如果存在電位差就可能產(chǎn)生共模輻射,，所以必須把它們良好地就近接地,。例如散熱片、金屬屏蔽罩,、金屬支架,、PCB上沒被利用的金屬面都應(yīng)該接地。
3．3．2 從共模驅(qū)動源入手
（1）改進印制板上的電路布置
印制板電路布線時應(yīng)盡量減小供電環(huán)路和信號環(huán)路的面積，因為環(huán)路的面積越大,，電感就越大,，就越容易產(chǎn)生共模電流源。同時,，還應(yīng)盡量減小回流地線的阻抗,。各種地線之間的連接不能用太細的軌線。例如,，圖8和圖9中AB連接線應(yīng)增加寬度,，或者多加幾根連接線。
（2）在PCB上分割出專用的“EMC”地
為了抑制共模干擾,，建議在靠近連接器處把PCB的地層分割出一塊,，作為專用的“EMC地”，如圖15所示,。EMC地上必須不存在任何數(shù)字信號的回流,，因此也稱為“無噪聲地”。EMC地應(yīng)與機殼良好搭接,，搭接阻抗（主要是電感）要盡可能地減小,，可采取多點搭接方法，以保證EMC地和機殼具有相等的電位,。EMC地和數(shù)字地之間仍保持電氣連接,。連接器處的每條I／O線包括信號線和回流線都應(yīng)分別并聯(lián)高頻去耦電容至EMC地，去耦環(huán)路的電感越小越好,，例如可用表面安裝式電容,。這樣I／O線所攜帶的PCB的共模干擾電流在輸出前通過去耦電容被旁路了。同時外部干擾例如靜電,、浪涌脈沖等如通過I／O線侵入,，則還沒有到達元器件區(qū)域時就被去耦電容旁路到設(shè)備的機殼上，從而保護了內(nèi)部元器件的安全工作,。
（3）在傳輸線輸出端口插入濾波器
在傳輸線的輸出端口插入濾波器可以抑制高頻共模騷擾沿著傳輸線向外傳輸,。濾波器的種類有反射式的電容濾波器、電感濾波器,、電源濾波器,，以及吸收式的鐵氧體濾波器等。下面分別進行闡述,。
把電容器并接在導線和地之間就構(gòu)成了電容共模濾波器,，它可以讓高頻共模噪聲通過電容器流入地中，從而避免了影響后續(xù)電路的正常工作,。穿芯電容也是一種共模電容濾波器,，使用時穿芯電容用螺栓或焊接方法固定在金屬板上,，有用信號可以通過其芯線穿過金屬板，而高頻噪聲則通過芯線與金屬板之間的電容入地,。
用于抑制共模高頻噪聲的電感共模濾波器一般就是指共模扼流圈,。將它插入傳輸導線對中，可以同時抑制每根導線對地的共模高頻噪聲,，而對于傳輸線中的差模電流則沒有影響,，這在2．2．2條已經(jīng)作過介紹。
差模和共模濾波器級聯(lián)在一起可以組成多級濾波器,，它可以同時抑制兩種模式的高頻噪聲,。阻帶范圍不同的濾波器級聯(lián)可以擴展阻帶的頻率范圍。多級濾波器的另一個優(yōu)點是其濾波器性能受兩端負載阻抗的影響較小,。電源濾波器是多級低通濾波器級聯(lián)的一個實例,。它的作用往往是雙向的,，它不僅可以阻止電網(wǎng)中的噪聲進入設(shè)備,，也可以抑制設(shè)備產(chǎn)生的噪聲污染電網(wǎng)。圖16是電源濾波器的典型結(jié)構(gòu),。上圖包括二級電感共模濾波器串聯(lián),。下圖是一級電感共模濾波器和一級電感差模濾波器串聯(lián),。圖17是其典型安裝圖［2］。在安裝電源濾波器的時候應(yīng)該注意以下幾點：
①在交流電源線一進入機箱的地方就應(yīng)該安裝電源濾波器,。不能讓電源進線在機箱中走了相當長一段距離以后才進入濾波器,。因為如果這樣走線的話，電網(wǎng)中的各種噪聲就會通過這段電源線在機箱內(nèi)輻射,，或者耦合到設(shè)備內(nèi)部的敏感電路中去,，構(gòu)成干擾。同時設(shè)備內(nèi)部一些高速數(shù)字器件或其信號線上的信號也會耦合到電源線上,，沿著電源線向外發(fā)射,，使該設(shè)備在電磁兼容達標測試中超過標準所規(guī)定的噪聲輻射和傳導限值。
②電源線和數(shù)字信號線應(yīng)該分別從不同處進入機箱,，并且要相隔一定距離,。
③電源濾波器的金屬外殼在電源進線處與機箱緊密聯(lián)成一體。
④最好能如圖17所示,，安裝一個金屬屏蔽盒,。金屬盒要用螺釘固定在機箱上，與機箱緊密聯(lián)成一體,。
⑤進入電源濾波器的電源線和輸出電源濾波器的電源線（金屬屏蔽盒內(nèi)）都要盡可能的短，并且濾波前和濾波后的電源線要盡量互相遠離,。
鐵氧體吸收型濾波器（見圖18）是目前應(yīng)用發(fā)展很快的一種低通濾波器,，已廣泛應(yīng)用于各種電路中。當導線中的電流穿過鐵氧體時低頻電流幾乎可以無衰減地通過，但高頻電流卻會受到很大的損耗,，轉(zhuǎn)變成熱量散發(fā),，所以鐵氧體和穿過其中的導線即成為吸收式低通濾波器。鐵氧體濾波器與電感器的功能是相同的,。只是前者是吸收型的,，后者是反射型的。鐵氧體的高頻濾波性能比電感器好,，并且使用起來更加方便靈活,。根據(jù)不同的使用場合鐵氧體濾波器可以做成多種形式，最常用的是磁環(huán)和磁珠,。它們可以用在以下場合,。
①磁環(huán)可套在交流電源線對、直流電源線對,、信號線對上,，也可套在電纜線把上用于抑制共模噪聲；
②磁環(huán)可套在高頻元件引腳上,，防止電路產(chǎn)生高頻振蕩,；
③磁珠可串接在電源的正負導線中，用于抑制差模噪聲,。
使用鐵氧體磁環(huán)時應(yīng)注意以下問題：
①電纜或?qū)Ь€應(yīng)與環(huán)內(nèi)徑密貼,，不要留太大空隙。
②磁環(huán)越長阻抗越大,，如果一個不起作用可以多穿幾個磁環(huán),。
③有時為增加阻抗可以把導線在磁環(huán)上多繞幾圈（如圖18所示），增加匝數(shù),。但由于匝與匝之間存在分布電容,，所以一般最多繞2～3匝。
④磁環(huán)內(nèi)的導線如流過直流或低頻交流電流的強度較大則會使其濾波作用失效,。
⑤磁珠比較適用于低阻抗電路,。但是，如果能在磁珠后面再并接一個電容組成類似L－C濾波器來降低負載阻抗,，則磁珠的濾波效果會明顯增加,，也可用于負載阻抗稍高的電路了。
4 結(jié)語
侵入設(shè)備的共模騷擾主要由地環(huán)路引起,，因此在設(shè)計上采用平衡電路或設(shè)法切斷地環(huán)路可以提高設(shè)備的抗干擾性能,。設(shè)備內(nèi)的共模騷擾通過連接線向外輻射，相當于一副不對稱振子天線,，可以使用共模濾波,、加鐵氧體磁環(huán)或電纜屏蔽等方法在“天線”上采取措施,，但最根本的還是應(yīng)該在印刷電路板設(shè)計、元器件布置和連接線的安排上下功夫,，以抑制共模騷擾源的產(chǎn)生,。在設(shè)備設(shè)計階段就考慮共模騷擾問題并提前采取措施，才能達到事半功倍的效果,。
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