0 ESD簡(jiǎn)介
靜電放電即ESD(Electro-Static discharge),是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移。
.1 靜電積累
靜電是兩種介電系數(shù)不同的物質(zhì)磨擦?xí)r,正負(fù)極性的電荷分別積累在兩個(gè)特體上而形成。當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí),其中一個(gè)趨從于另一個(gè)吸引電子,因而二者會(huì)形成不同的充電電位。有許多因素會(huì)影響電荷的積累,包括接觸壓力、摩擦系數(shù)和分離速度等。靜電電荷會(huì)不斷積累,直到造成電荷產(chǎn)生的作用停止、電荷被泄放或者達(dá)到足夠的強(qiáng)度可以擊穿周圍物質(zhì)為止。就人體而言,衣服與皮膚之間的磨擦發(fā)生的靜電是人體帶電的主要因之一。
.2 靜電放電特性
靜電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)幅度很大(達(dá)幾百伏/米)頻譜極寬(從幾十兆到幾千兆),對(duì)電子產(chǎn)品造成干擾甚至損壞(電磁干擾)ESD引起的器件擊穿,是電子工業(yè)最普遍,最嚴(yán)重的靜電危害。
靜電對(duì)電子產(chǎn)品損害的特點(diǎn)隱蔽性:人體不能直接感知靜電,除非發(fā)生靜電放電。人體也不一定能有電擊的感覺(jué),這是因?yàn)槿梭w感知的靜電放電電壓為2~3KV,所以靜電具有隱蔽性。
潛在性:有些電子元器件受到靜電損傷后的性能沒(méi)有明顯的下降,但多次積累放電會(huì)給器件造成內(nèi)傷而形成隱患。因此靜電對(duì)器件的損傷具有潛在性。
隨機(jī)性:電子元件什么情況下會(huì)遭受靜電破壞呢?可以這么說(shuō),從一個(gè)元件產(chǎn)生以后,一直到它損壞以前,所有的過(guò)程都受到靜電的威脅,而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機(jī)性,其損壞也具有隨機(jī)性。
復(fù)雜性:靜電放電損傷的實(shí)效分析工作,因電子產(chǎn)品的精,細(xì),微小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而費(fèi)時(shí),費(fèi)事,要求較高的技術(shù)并往往需要使用掃描電鏡等高精密儀器。
.3 靜電危害
引起電子設(shè)備的故障或誤動(dòng)作,造成電磁干擾.如:驅(qū)動(dòng)電路程序被ESD打亂,出現(xiàn)花屏,白屏,聲音不正常。
擊穿集成電路和精密的電子元件,半導(dǎo)體元件或者促使元件老化,降低生產(chǎn)成品率。
高壓靜電放電造成電擊,危及人身安全。
在易燃易爆品或粉塵、油霧的生產(chǎn)場(chǎng)所極易引起爆炸和火災(zāi)。
芯片損壞或擊穿(高速端口、高阻輸入端口、模擬端口等ESD電壓較低)
1 ESD靜電標(biāo)準(zhǔn)
一般ESD有三種類型:
第一個(gè)是人體模型,簡(jiǎn)稱HBM,它模擬了在工廠環(huán)境中攜帶靜電的人體觸摸接地設(shè)備的過(guò)程,HBM的波形如綠線所示。值得一提的是HBM標(biāo)準(zhǔn)是為了衡量芯片,能否在生產(chǎn)、組裝和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中免受ESD的損害,并非適用于日常使用的場(chǎng)景;
第二個(gè)是帶電裝置模型,簡(jiǎn)稱CDM,它模擬了一個(gè)帶靜電的器件接觸電路的情景,CDM的模擬波形如藍(lán)線所示,CDM會(huì)在小于20ns的時(shí)間內(nèi)有一個(gè)非常高的電流脈沖,和HBM相似CDM也是為了衡量芯片生產(chǎn)、制造過(guò)程中可能會(huì)遇到的ESD而設(shè)計(jì)的,并非適用于日常使用場(chǎng)景。
第三個(gè)是IEC 61000-4-2模型,這是一個(gè)為日常使用設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn),它可以幫助我們衡量芯片確保是否能在日??赡芙佑|到的ESD中,免受損壞,如紅色波形所示,它用了更高的電流脈沖 并且持續(xù)的時(shí)間也更長(zhǎng)。
對(duì)于ESD有不同的等級(jí),四級(jí)為最高級(jí),一般在ESD芯片的手冊(cè)里也會(huì)表明這些參數(shù),下面截取了TI公司的TVS保護(hù)二極管:ESDS302, ESDS304手冊(cè)的內(nèi)容。
2. ESD防護(hù)設(shè)計(jì)
電源加TVS管
特別是對(duì)于裸露在外的一些接口,比如USB、LVDS、網(wǎng)口、SD卡等,對(duì)這些接口進(jìn)行接觸放電時(shí),靜電很容易就會(huì)“串”到電源線上,靜電由本來(lái)的共模變成了差模,此時(shí)電源上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的尖峰,很多芯片都承受不了,發(fā)生死機(jī),復(fù)位等問(wèn)題。對(duì)于電源VCC的ESD保護(hù),可以并接TVS管來(lái)解決。TVS管與穩(wěn)壓二極管很相似,都有一個(gè)額定的電壓,不同的是它的響應(yīng)速度特別快,對(duì)靜電有很好的泄放作用。要注意的是布局布線的時(shí)候,TVS管要盡量靠近接口的位置,TVS的陰極以最近的路徑接到接口的外殼地。
敏感器件電源添加LC濾波
有些IC特別容易受靜電影響,進(jìn)行ESD試驗(yàn)時(shí),總是發(fā)生復(fù)位或者死掉。究其原因,一般都是電源引腳受到干擾。對(duì)此可以對(duì)其電源添加LC濾波。一般芯片的VDD管腳旁邊都會(huì)有一個(gè)去耦電容,但是這個(gè)去耦電容是沒(méi)有辦法有效攔截靜電的,甚至是幾十uF的鉭電容并接小電容,效果仍舊不佳。這時(shí)候,如果再串一個(gè)小電感,情況就得到很好的改觀。靜電放電會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰,同屬于高頻干擾,LC可以很好地將高頻濾除,使通過(guò)電感之后的尖峰大大減弱,IC就不容易死機(jī)或者復(fù)位。
PCB鋪地要求
PCB要盡可能多的鋪地。如果是雙面板,兩面都要大面積鋪銅,而且還要有足夠的地過(guò)孔;如果是四層板或以上,主要元件層的臨近平面層要設(shè)置成地層。比如四層板,如果主要元件在頂層,那么分層為:頂層->地層->電源層->底層;如果主要元件在底層,分層為:頂層->電源層->地層->底層。
3 TVS介紹
TVS,瞬態(tài)抑制二極管(TVS)又叫鉗位型二極管,是目前國(guó)際上普遍使用的一種高效能電路保護(hù)器件,它的外型與普通二極管相同,但卻能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率,它的主要特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下,當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí),其工作阻抗立即降至極低的導(dǎo)通值,從而允許大電流通過(guò),同時(shí)把電壓鉗制在預(yù)定水平,其響應(yīng)時(shí)間僅為10-12毫秒,因此可有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件。TVS允許的正向浪涌電流在TA=250C,T=10ms條件下,可達(dá)50~200A。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率,并把電壓鉗制到預(yù)定水平, 雙向TVS適用于交流電路,單向TVS一般用于直流電路??捎糜诜览讚簟⒎肋^(guò)電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等,是一種理想的保護(hù)器件。耐受能力用瓦特(W)表示。
TVS管的非線性特性比壓敏電阻好,當(dāng)通過(guò)TVS管的過(guò)電流增大時(shí),TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢,因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細(xì)保護(hù)的電子電路中,應(yīng)用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是最小的,一般用于最末級(jí)的精細(xì)保護(hù),因其通流量小,一般不用于交流電源線路的保護(hù),直流電源的防雷電路使用TVS管時(shí),一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。TVS管便于集成,很適合在單板上使用。
3.1 TVS的參數(shù)
TVS的伏安特性曲線,下圖給出的是雙向TVS管。如果是單向的,是反接在電路中,特性曲線的橫向正半軸不是這樣。
VBR:TVS二極管最小擊穿電壓。也就是在流過(guò)規(guī)定電流(IR )時(shí),加于TVS兩極的最小擊穿電壓;在25℃時(shí),低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì)產(chǎn)生雪崩的。當(dāng)TVS流過(guò)規(guī)定的1mA電流(IR )時(shí),加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR 。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度,可把VBR分為5%和10%兩種。為了滿足IEC61000-4-2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),TVS二極管必須達(dá)到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊,部份半導(dǎo)體廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于某些有特殊要求的可攜設(shè)備應(yīng)用,設(shè)計(jì)者可以依需要挑選元件。
VRMW:正常工作時(shí)候可承受的電壓。這個(gè)電壓在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓。該電壓值下對(duì)應(yīng)的電流非常小,為nA級(jí)別,因此理解為:此電壓表示電路正常工作時(shí),TVS的電流非常小,也就是在電路中隱形,沒(méi)有發(fā)揮作用,如果是理想狀態(tài)下,該電壓狀態(tài)下的TVS電流應(yīng)該為0。選型時(shí),比如電路中的信號(hào)電壓為3V,那么選擇TVS管的Vrmw需要大于3V;如果選擇Vrmw小于3V的TVS,那么在電路正常工作電壓為3V時(shí),就會(huì)有比較大的電流流進(jìn)TVS,干擾電路正常工作;
IPP:最大峰值脈沖電流。處于反向狀態(tài)時(shí), 允許通過(guò)的最大脈沖峰值電流;
VC:鉗位電壓:當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20ms的脈沖峰值電流IPP流過(guò)TVS時(shí),在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC與VBR之比稱為鉗位因子,一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止?fàn)顟B(tài)提供的電壓,也就是在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)TVS的電壓,它不能大于被保護(hù)回路的可承受極限電壓,否則元件面臨被損傷的危險(xiǎn)。
下面結(jié)合具體的datasheet來(lái)看:
該TVS的Vrwm為3.6V,主要看測(cè)試條件,是在電流為500nA的情況下;
VBR最小擊穿電壓為4.5-7.5V,測(cè)試條件是在1mA的情況下;
Vclamp(浪涌鉗位電壓)根據(jù)不同的電流測(cè)試條件下,有不同的電壓值。
舉例說(shuō)明Vc:
(1)網(wǎng)上找到的測(cè)試圖片
TVS 元件與壓敏電阻在8kV IEC 61000-4-2 應(yīng)力沖擊測(cè)試下的輸出波形對(duì)比。從圖中可以看出,安森美半導(dǎo)體的TVS 元件可以迅速將ESD 應(yīng)力降低,即從8 kV 靜電電壓鉗位到5 至6 V 的水平;但壓敏電阻的曲線則下降得很慢,而且無(wú)法降到很低的水平。該曲線表明,TVS 器件的恢復(fù)時(shí)間非常短,經(jīng)過(guò)TVS 器件泄漏到后面電路的能量也非常少,特別適合于便攜式設(shè)備的應(yīng)用。而在多重應(yīng)力條件下,兩者的差別就表現(xiàn)得更為突出。由于TVS 采用二極管工作原理,受到電擊后,會(huì)立即擊穿,然后關(guān)閉,對(duì)器件沒(méi)有損傷,因此可以說(shuō)沒(méi)有壽命限制。對(duì)于壓敏電阻而言,它采用的是物理吸收原理,每經(jīng)過(guò)一次ESD 事件,材料就會(huì)受到一定的物理?yè)p傷,形成無(wú)法恢復(fù)的漏電通道;而且,要達(dá)到更好的吸收效果,就要使用更多的材料,使其體積增加,進(jìn)而限制了在今天小型化產(chǎn)品當(dāng)中的應(yīng)用。
(2)TI公司的芯片
這是官方手冊(cè)給出的浪涌電流、鉗位電壓以及功率的波形圖,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有具體理解,8/20us代表的浪涌時(shí)間(不明白的地方是給進(jìn)來(lái)的浪涌電流和電壓分別為?)。根據(jù)橫縱坐標(biāo)可以看到電流最大達(dá)到了12A左右,最大的電壓為6V左右,之后就一直下降為0(是否可以理解浪涌結(jié)束?),這兩個(gè)參數(shù)與鉗位電壓Vclamp給出的參數(shù)基本保持一致。
疑問(wèn):假如這個(gè)測(cè)試條件是給了一個(gè)電壓很高的瞬間浪涌,那么TVS可以把電壓直接降到一個(gè)比較低的水平,用來(lái)保護(hù)后續(xù)電路?
(3)鉗位波形
紅色表示沒(méi)有加入ESD保護(hù)器件,電壓會(huì)有一個(gè)很高的浪涌;
藍(lán)色表示加入了ESD保護(hù)二極管,會(huì)被鉗位到 比較低的水平。
3.2 TLP曲線(傳輸線性脈沖曲線)
所謂的TLP 測(cè)試,就是一種利用矩形短脈(50~200 ns)來(lái)測(cè)量ESD 保護(hù)元件的電流-電壓特性曲線的方法。這個(gè)短脈沖用來(lái)模擬作用于保護(hù)元件的短ESD 脈沖,而恒定阻抗的傳輸線路可以生成恒定幅度的方波。下圖為TLP 測(cè)試的結(jié)構(gòu)示意圖:
TLP 測(cè)試通過(guò)方波測(cè)試脈沖加到待測(cè)器件(DUT)的兩個(gè)引腳之間進(jìn)行測(cè)試。TLP 測(cè)試前要先對(duì)電路中的傳輸線路充電,測(cè)試時(shí)將被測(cè)器件接入,傳輸線路通過(guò)被測(cè)器件放電。改變電路和輸入電壓和傳輸線路的長(zhǎng)度可以模擬不同能量的ESD 脈沖,從而得到器件的ESD 大電流抑制能力。TLP 測(cè)試先從小電壓脈沖開(kāi)始,隨后連續(xù)增加直到獲得足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn),以作出完整的I-V 曲線。通常測(cè)試脈沖的幅度會(huì)加大到使DUT 徹底損傷為止,作而獲得其精確的允許最大脈沖電流。
可以通過(guò)TLP曲線觀察鉗位電壓:
舉個(gè)例子當(dāng)1A的電流被釋放到ESD二極管,它的鉗位電壓大約為8.4V;當(dāng)放電電流為2.7A,鉗位電壓為9V ;當(dāng)放電電流為5.8A時(shí) ,鉗位電壓為10V 。(這里可以對(duì)應(yīng)上面的用不同的測(cè)試條件,來(lái)獲得完整的TLP曲線)
系統(tǒng)會(huì)承受的鉗位電壓對(duì)于8000V的IEC ESD沖擊而言,我們只需要看TLP曲線中16A的那一點(diǎn) 。對(duì)于這一個(gè)二極管而言,鉗位電壓大約是13.4V。TLP曲線的斜率對(duì)于理解二極管保護(hù)的好壞很重要。
綠色的曲線代表另一顆ESD保護(hù)二極管。更高的斜率代表它在對(duì)應(yīng)電流時(shí)有更低的鉗位電壓。根據(jù)歐姆定律這條曲線的斜率為動(dòng)態(tài)電阻1/Rdyn。所以 當(dāng)你關(guān)注鉗位電壓時(shí),選擇動(dòng)態(tài)電阻更小的ESD保護(hù)二極管,就代表它擁有更小的鉗位電壓 。
下面是TI的一款TVS芯片的TLP曲線,有一個(gè)婉轉(zhuǎn)的曲線,不太明白。
3.3 寄生電容CL
在芯片的手冊(cè)中命名為:Line capacitance(I/O對(duì)地或者I/O對(duì)I/O)
電容器量CL是由TVS雪崩結(jié)截面決定的,是在特定的1MHz頻率下測(cè)得的。CL的大小與TVS的電流承受能力成正比,C太大將使訊號(hào)衰減,如下圖。因此,CL是數(shù)據(jù)介面電路選用TVS的重要參數(shù)。電容器對(duì)于數(shù)據(jù)/訊號(hào)頻率越高的回路,二極管的電容器對(duì)電路的干擾越大,形成噪音或衰減訊號(hào)強(qiáng)度,因此需要根據(jù)回路的特性來(lái)決定所選元件的電容器范圍。高頻回路一般選擇電容器應(yīng)盡量小(如LCTVS、低電容器TVS,電容器不大于3pF),而對(duì)電容器要求不高的回路電容器選擇可高于40pF。
那么,選擇ESD二極管時(shí)應(yīng)該選擇哪種電容?不幸的是,由于每種設(shè)計(jì)都有自己的電容預(yù)算,因此不存在適合每種接口的最大ESD電容要求。但是這張表給出的幾種常用接口的一般電容和ESD選型的建議。
4 TVS選型
計(jì)算接口信號(hào)幅值的范圍來(lái)確定ESD保護(hù)產(chǎn)品的工作電壓;
根據(jù)信號(hào)類型決定使用單向或是雙向的ESD保護(hù)產(chǎn)品;
根據(jù)信號(hào)速率決定該接口最大可接受ESD保護(hù)產(chǎn)品的電容;
根據(jù)電路系統(tǒng)最大可承受電壓沖擊,在TLP中尋找對(duì)應(yīng)的鉗位電壓;
確保ESD保護(hù)產(chǎn)品可達(dá)到或超過(guò)IEC 61000-4-2 Level 4,8KV接觸放電和15KV空氣放電;
以USB 2.0為例
第一步是確認(rèn)接口的電壓范圍,對(duì)USB2.0而言,Vbus 可能達(dá)到5伏,所以我們可以確定的是,需要選取的ESD保護(hù)二極管的,工作電壓需要達(dá)到5伏或略微高于5伏 。正常工作中 D+和D-負(fù)責(zé)傳輸差分信號(hào),幅值范圍在0到3.6伏之間 ,所以我會(huì)選擇工作電壓在3.6伏,或者更高的ESD保護(hù)二極管。
接下來(lái) 我們需要確定ESD二極管的極性配置,在我們希望的應(yīng)用中 ,因?yàn)閂bus和D+ D-都是大于等于零的正向信號(hào) ,所以單向和雙向的二極管都是有的,選擇單向二極管有助于提供更好的提供負(fù)壓保護(hù)。而選擇雙向二極管,可以提供更靈活的設(shè)計(jì)空間,因?yàn)?a href="http://wenjunhu.com/tags/pi/" target="_blank">pin腳可以自定義接地 。
接下來(lái),我們需要確定ESD二極管,應(yīng)該具有的電容,因?yàn)閂bus線路是直流電信號(hào),電容對(duì)信號(hào)無(wú)影響 。但對(duì)于D+和D-而言,在高速USB中,信號(hào)速率可以達(dá)到480兆,所以我們需要考慮對(duì)電容的影響 。雖然最大的ESD電容還取決于,整個(gè)系統(tǒng)的電容總預(yù)算 ,但一般而言 我們推薦該接口的電容小于2.5pF ,如果系統(tǒng)中其器件具有更高的電容值 ,那么此處可能需要選擇更小電容的二極管。
接下來(lái) 我們看看保護(hù)系統(tǒng)所需的鉗位電壓 ,在這種情況下,我們需要考慮USB switch和Battery Charger能承受的最大電壓沖擊 ,我們假設(shè)battery charger在TLP脈沖20伏時(shí),會(huì)發(fā)生故障 USB。switch在TLP16脈沖16伏時(shí)會(huì)發(fā)生故障,這意味著為了保護(hù)battery charger ,順利通過(guò)8000伏的IEC ESD沖擊,ESD二極管必須在16安,TLP又小于20伏的鉗位電壓。同理 為了保護(hù)USB switch,ESD二極管必須在16安TLP時(shí) ,有小于16伏的鉗位電壓。
4 手機(jī)ESD防護(hù)
手機(jī)電路中需要進(jìn)行ESD防護(hù)的部位有:SIM 卡插座與CPU 讀卡電路、鍵盤電路、耳機(jī)、麥克風(fēng)電路、電源接口、數(shù)據(jù)接口、USB 接口、彩屏LCD 驅(qū)動(dòng)接口。
4.1 殼體的設(shè)計(jì)
盡量增加殼體的厚離,即增加外殼到電路板之間的距離,或者通過(guò)一些等效方法增加殼體氣隙的距離,這樣可以避免或者大大減少ESD 的能量強(qiáng)度。通過(guò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn),可以增大外殼到內(nèi)部電路之間氣隙的距離從而使 ESD 的能量大大減弱。根據(jù)試驗(yàn),8kV 的ESD 在通過(guò)過(guò)4mm 的距離后能量一般衰減為零。
可以用 EMI 油漆噴涂在殼體的內(nèi)側(cè)。EMI 油漆是導(dǎo)電的,可以看成是一個(gè)金屬的屏蔽層,這樣可以將靜電導(dǎo)在殼體上;再將殼體與PCB(Printed Circuit Board)的地連接,將靜電從地導(dǎo)走。這樣處理的方法除了可以防止靜電,還能有效抑制EMI 的干擾。如果有足夠的空間,還可以用一個(gè)金屬屏蔽罩將其中的電路保護(hù)起來(lái),金屬屏蔽罩再連接PCB 的GND。用金屬屏蔽罩將 LCD 模塊保護(hù)起來(lái)的例子。
4.2 手機(jī)PCB設(shè)計(jì)
因?yàn)槭謾C(jī)通常是多層板,有高頻信號(hào),在設(shè)計(jì)時(shí)布局、布線有很多需要注意的地方。
4.3 電路設(shè)計(jì)
在殼體和 PCB 的設(shè)計(jì)中,對(duì)ESD 問(wèn)題加以注意之后,ESD 還會(huì)不可避免地進(jìn)入到手機(jī)電路中,尤其是以下幾個(gè)部件:SIM 卡的CPU 讀卡電路、鍵盤電路、耳機(jī)、麥克風(fēng)電路、數(shù)據(jù)接口、電源接口、USB 接口、彩屏LCD 驅(qū)動(dòng)接口,這些部位很可能將人體的靜電引入手機(jī)中。所以,需要在這些部分中使用ESD 防護(hù)器件。
5 總結(jié)
總之,靜電的防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程,從靜電的產(chǎn)生、靜電的積累、靜電的釋放、靜電釋放的路徑的選擇和釋放靜電的量的控制全方位考慮,但是因?yàn)殪o電破壞的復(fù)雜性,至今還沒(méi)有一個(gè)很好的方法去完全解決靜電問(wèn)題。但是這也不代表我們對(duì)靜電問(wèn)題束手無(wú)策,在靜電保護(hù)的過(guò)程中,我們只要遵循一個(gè)原則:靜電的積累必然有靜電的釋放,所以我們只要給靜電選好放電的路徑和放電的去處即放電地,就能很好的進(jìn)行靜電的釋放。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:ESD介紹及TVS的原理和應(yīng)用
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