DVS與AVS的原理及應(yīng)用

隨著人們生活質(zhì)量的提高，對各種便攜電子產(chǎn)品的功能要求越來越高，而的功能會導(dǎo)致設(shè)備的功耗大幅。人們期望便攜式電子產(chǎn)品的電池?fù)碛懈�長的壽命，不僅僅是使用上的便利，也是減少對環(huán)境的傷害。這對電源管理系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求。

　　在電池供電的嵌入式系統(tǒng)中，或采用高效率的電源管理芯片，或采用大容量的電池以能耗問題。但這兩種辦法已無法滿足快速增長的芯片動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　電路邏輯翻轉(zhuǎn)時（造成瞬態(tài)開路電流和負(fù)載電流）會產(chǎn)生動態(tài)功耗，而未發(fā)生翻轉(zhuǎn)時的漏電流則是靜態(tài)功耗的主因。對一個給定負(fù)載的電路，其動態(tài)功耗的值與供電電壓的平方成正比，與電路的運(yùn)行頻率成正比。隨著芯片運(yùn)行頻率的提高和工藝尺寸的不斷縮小、密度，其動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗也在不斷增長，加劇了電源管理的性。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　本文主要討論便攜式電子產(chǎn)品的微器功耗控制問題，不討論待機(jī)模式下的功耗控制。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　的電源節(jié)能方式    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗。》

　　提高電源轉(zhuǎn)換效率的要求推動著電源從最初的LDO發(fā)展到今天效率超過90%的多模式DC/DC轉(zhuǎn)換器。LDO在輸入、輸出電壓差較小時有較高的效率，而DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率與其負(fù)載有關(guān)。目前許多公司都推出了在不同負(fù)載下能改變控制模式的新型控制芯片。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗。》

　　電源轉(zhuǎn)換器的效率已經(jīng)接近極限，目前研究方向已轉(zhuǎn)向如何通過優(yōu)化電源管理系統(tǒng)的效率，以滿足便攜設(shè)備的要求。在這種設(shè)備中，總能量的30%~50%會被微器消耗。簡單地使用最新的半導(dǎo)體工藝并不能保證低功耗、高性能。例如，PC顯示卡領(lǐng)域的巨頭NVIDIA公司的GPU芯片的制造工藝并不總是最先進(jìn)的，但其高能低耗的特征卻是人們所共知的。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　提高系統(tǒng)供電效率、減少無謂的能量損耗的節(jié)電技術(shù)可以分為兩類：動態(tài)技術(shù)和靜態(tài)技術(shù)。靜態(tài)技術(shù)使用不同的低功耗模式，對芯片內(nèi)部不同組件的時鐘或電源實行按需開關(guān)等。例如，大多數(shù)器具有多種節(jié)電模式，在空閑與睡眠模式下可以關(guān)閉部分模塊的時鐘信號來禁用內(nèi)部電路或模塊，也可以在某些節(jié)電模式下通過切斷或降低供電電壓實現(xiàn)節(jié)能目的。又如，在某些多相供電的電路中，當(dāng)負(fù)載較輕時，可以將其中某些供電的相回路關(guān)掉，這樣既能提高電源效率，又能降低損耗，AMD公司的PSI技術(shù)這種原理。   <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　動態(tài)技術(shù)則是根據(jù)芯片所運(yùn)行的應(yīng)用程序針對計算能力的不同，動態(tài)調(diào)節(jié)芯片的運(yùn)行頻率和電壓，從而達(dá)到最大化節(jié)能的目的。對微器，內(nèi)核電壓可以根據(jù)內(nèi)部時鐘頻率與“工作負(fù)載”調(diào)節(jié)到最低與最高電壓的電壓值，這種方法稱為動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）。提供內(nèi)核電壓的轉(zhuǎn)換器在運(yùn)行過程中根據(jù)DVS規(guī)范調(diào)節(jié)輸出電壓。這種類型的轉(zhuǎn)換器通常與器有可以互相通信的數(shù)字接口，例如數(shù)字電源管理芯片常用的I2C接口、PowerWise接口等等。未采用數(shù)字接口的設(shè)計無法實現(xiàn)更多種電壓調(diào)節(jié)，但也有廠商推出了使用硬件管腳來設(shè)置輸出電壓的器件，例如TI公司的TPS65021、新產(chǎn)品TPS780xx。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)技術(shù)與SoC有源和無源漏電管理技術(shù)一起使用時，能顯著降低SoC的功耗。例如Freescale的iMX31器、ARM公司的ARM器等。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　使設(shè)計人員更方便地進(jìn)行電源管理，廠商開發(fā)了電源管理軟件模塊用于嵌入式操作系統(tǒng)。運(yùn)用這種軟件模塊，可以有效地降低軟件編制中的工作量，優(yōu)化系統(tǒng)的電源管理。PC操作系統(tǒng)中的電源管理規(guī)范APM、APIC電源管理與操作系統(tǒng)結(jié)合的典范。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗。》

　　DVS與AVS的原理    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　1 DVS的工作原理    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗。》

　　DVS通常用在為器供電的DC/DC變換器中。器工作在全速下和空閑下所的電壓是不同的，DVS使系統(tǒng)控制器可以在的時候改變DC/DC變換器的輸出電壓。在移動設(shè)備中，DVS顯著延長了電池的壽命，但并不影響用戶程序的運(yùn)行時間。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　現(xiàn)代的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）技術(shù)與數(shù)字技術(shù)已經(jīng)融合在一起，它將器與電源轉(zhuǎn)換器連接在一起，通過I2C等數(shù)字總線動態(tài)地調(diào)節(jié)供電電壓，調(diào)節(jié)器的頻率。當(dāng)然，簡單的電源管理并不管理總線，TI公司最新推出的TPS728xx系列LDO基于這種思想，它通過硬件管腳提供1～4種輸出電壓，可在運(yùn)行時從中選擇1個電壓輸出，實現(xiàn)簡單的DVS。
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溫馨提示：將鼠標(biāo)指針放在圖片上，滾動鼠標(biāo)可以動態(tài)改變圖片大小，方便分析電路圖。   <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　圖1 DVS開環(huán)控制原理框圖    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　和AVS相比，動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）基于對系統(tǒng)的負(fù)載預(yù)測，在一個開環(huán)電壓控制系統(tǒng)中用多組不同能耗級別的頻率、電壓對來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。，DVS的響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)精度較基于反饋的AVS還是稍遜一籌。圖1為DVS的原理框圖。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　使用常規(guī)的DC/DC變換器實現(xiàn)DVS，在電路上額外的元器件進(jìn)行反饋，的元件MOSFET及電阻。反饋源可以取自器的輸出引腳，它能表明器當(dāng)前是否處于低功耗模式。，上大多數(shù)電源芯片都可以實現(xiàn)DVS，一片可調(diào)輸出電壓的電源芯片和一個外部輸入的控制信號就足夠了。   <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　2 AVS的工作原理    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗。》

　　CPU和DSP對數(shù)據(jù)速度的要求不斷提高，對電源模塊的供電要求也就相應(yīng)地提高了，這主要體現(xiàn)在對電源的輸出電流大小變化率和輸出電壓峰峰值的要求上。于使用精巧的電路、大容量低ESR電容等缺乏靈活性的純硬件設(shè)計的缺點(diǎn)，AVS的引入不僅有利于電源模塊的熱設(shè)計，而且輸出電壓峰峰值小、恢復(fù)時間短，有效地改善了模塊的動態(tài)響應(yīng)，特別適用于低電壓、大電流的場合。   <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　自適應(yīng)電壓AVS基于跟蹤系統(tǒng)器的性能變化，由嵌入式自適應(yīng)先進(jìn)電源控制器（APC）做出自適應(yīng)電壓。APC通過PowerWise接口將系統(tǒng)器的性能（頻率）、溫度變化準(zhǔn)確地傳遞給外部自適應(yīng)電源管理芯片。然后，該電源管理單元根據(jù)性能自動供給系統(tǒng)器的電壓，使器運(yùn)行在能確保應(yīng)用軟件正確運(yùn)行的最低電壓和頻率下。DVS和AVS的核心是先進(jìn)電源控制器（APC）。圖2為AVS的原理框圖。
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　　圖2 AVS的閉環(huán)控制原理框圖   <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　在DVS模式中，APC根據(jù)來自時鐘管理單元CMU的頻率請求，從內(nèi)部的DVS表中取出相應(yīng)的電壓值，并傳送給PMIC。然后使用一個定時器來延遲CMU對于頻率的確認(rèn)，直到電壓穩(wěn)定為止。   <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　在AVS工作模式中，當(dāng)CMU為一個新的工作請求一個新的頻率，并為該設(shè)定一個新的HPM時鐘時，AVS的頻率就開始變化。隨后APC環(huán)路控制器使用硬件性能監(jiān)視器HPM數(shù)據(jù)來確定所需的調(diào)節(jié)頻率。它反復(fù)調(diào)節(jié)電源電壓，直到能滿足新頻率的要求（如圖3）。這一過程聽起來雖然比較，但是具有補(bǔ)償工藝和溫度波動、時鐘頻率變化、電源變換器偏移等優(yōu)點(diǎn)。與電壓固定的系統(tǒng)相比，AVS模式實現(xiàn)的動態(tài)電壓控制最多能降低70%的功耗。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　目前許多器芯片支持動態(tài)電壓、頻率控制，比如InteI公司的芯片支持SpeedStep，AMD公司芯片支持的NCQ技術(shù)，ARM支持的IEM（Intelligent Energy Manager）和AVS（Adaptive Voltage Scaling）等。不過，要讓動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)發(fā)揮作用，真正實現(xiàn)節(jié)能，只有芯片的支持還是不夠的，還軟件與硬件的綜合設(shè)計。
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　　圖3 AVS的控制環(huán)路示意圖   <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　一個典型的動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作流程如下（主要部件及關(guān)系參見圖3）。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　①采集與系統(tǒng)負(fù)載有關(guān)的信息，計算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。過程可以用軟件實現(xiàn)，也可以用硬件實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)的過程是在操作系統(tǒng)的核心調(diào)用中安放鉤子，根據(jù)核心函數(shù)調(diào)用的頻度使用不同的算法來判斷系統(tǒng)的負(fù)載。CPU負(fù)載跟蹤與性能預(yù)測的工作也可以由硬件完成，如Freecscale的i.Mx31，通過采集核心信號中斷線、Cache、內(nèi)存總線的使用等，計算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。這樣，一確保了負(fù)載計算的準(zhǔn)確性；另一減輕了CPU用于負(fù)載跟蹤與性能預(yù)測的負(fù)擔(dān)。不過，硬件實現(xiàn)的缺點(diǎn)無法靈活地選擇預(yù)測算法。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗。》

　�、诟鶕�(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前負(fù)載，預(yù)測系統(tǒng)在下一時間段的性能。有多種預(yù)測算法可以選擇，要根據(jù)具體的應(yīng)用來決定。同樣的，預(yù)測也可由軟件或硬件實現(xiàn)。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　�、蹖㈩A(yù)測的性能轉(zhuǎn)換成的頻率，從而芯片的時鐘設(shè)置。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　�、芨鶕�(jù)新的頻率計算相應(yīng)的電壓，并通知電源管理模塊供給CPU的電壓。這特別的電源管理芯片，比如Freescale公司的MC13783NS公司的支持PowerWise特性的系列電源管理芯片。支持微小的電壓（25mV）并且能在極短的時間內(nèi)（幾十μs）完成電壓的。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　綜上所述，支持閉環(huán)AVS功能的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)配置有以下的基本元件：內(nèi)置于器的先進(jìn)電源控制器APC、集成PWI從屬器的電源管理芯片，以及將兩者連接在一起的PWI串行總線。電源管理集成電路負(fù)責(zé)為器提供不同的電壓，電壓大小則由先進(jìn)電源控制器內(nèi)的PWI主控器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)，辦法是由主控器將有關(guān)的命令傳往PWI從屬器，再由相關(guān)的電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　先進(jìn)電源控制器APC負(fù)責(zé)接收主器的命令，為電壓控制過程提供一個不受器影響的操作環(huán)境，以及實時跟蹤邏輯電路的操作速度。APC永遠(yuǎn)處于戒備，不斷監(jiān)測系統(tǒng)的一切參數(shù)，例如，系統(tǒng)溫度、負(fù)載、瞬態(tài)、工藝他有關(guān)的變動，每當(dāng)APC收到有關(guān)頻率即將轉(zhuǎn)變的消息，立刻分析判斷，以確定若以新頻率操作，系統(tǒng)最少多大供電電壓才可保持穩(wěn)定。整個過程由閉環(huán)電路負(fù)責(zé)監(jiān)控。   <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

 　　其他考慮的問題    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　電壓的降壓將導(dǎo)致與外部芯片接口的管腳的閾值電平發(fā)生變化，當(dāng)與外部邏輯相連時，使用電平變換邏輯進(jìn)行轉(zhuǎn)接，以適配接口兩側(cè)的閾值電平。例如一個電壓為0.8～1.2V的AVS電路和一個固定電壓1.2V的電路接口，則AVS電路的接口邏輯1.2V接口進(jìn)行適配設(shè)計。類似的，DVS或AVS導(dǎo)致的頻率變化，與外部的同步電路設(shè)計接口時，計算接口的時序余量，時序不能匹配，則還添加額外的同步或延時電路來進(jìn)行時序。

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　　在頻率和電壓時，要特別注意的順序。當(dāng)頻率由高到低時，應(yīng)該先降頻率，再降電壓；相反，當(dāng)升高頻率時，應(yīng)該先升電壓，再升頻率。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗。》

　　輸出電壓范圍及電壓變化期間的斜率是考慮的兩個參數(shù)。在電壓發(fā)生變化的DVS周期中，控制輸出電壓的斜率，采用外部組件可以實現(xiàn)控制，也可以采用在內(nèi)部降低參考電壓變化的調(diào)速電容器，部署通過較小的步長（如25mV）將輸出電壓從初始值調(diào)節(jié)到目標(biāo)值的數(shù)字計數(shù)器等。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗。》

　　不斷降低的電壓電平對輸出電壓的精度也提出了更高的要求。，很難找到合適的標(biāo)準(zhǔn)器件來滿足相關(guān)。采用外部反饋分壓器，則電阻器的容差會內(nèi)部電路的總?cè)莶�。此類系統(tǒng)中的整體精度始終低于采用內(nèi)部固定輸出電壓的方案，盡管后者2個額外的外接組件。，對于采用在工作過程中微調(diào)的內(nèi)部電阻分壓器的轉(zhuǎn)換器而言，定義一系列不同的電壓，而且在-40～+85℃溫度范圍內(nèi)達(dá)到±1％的整體DC精度。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　在不同的負(fù)載下實現(xiàn)最佳的瞬態(tài)響應(yīng)或較低的輸出電壓容差，還采取其他措施，除了內(nèi)部設(shè)計之外，還優(yōu)化外部元件。采用較低的電感值，電流以較快的速度提高，這尤其適合快速瞬態(tài)響應(yīng)。在瞬態(tài)下，沒有負(fù)載，則較低的電感值較為有利，它將較低的電壓僅為輸出電容器充電并且具有較低的電壓過沖。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　影響動態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的另一個最關(guān)鍵因素是預(yù)測的可靠性。沒有一種預(yù)測算法是100％準(zhǔn)確的，也沒有一種算法可以應(yīng)用于的程序；而對于某些應(yīng)用（如音頻、視頻等），預(yù)測失敗的結(jié)果是不可接受的。但隨著預(yù)測算法的進(jìn)步，動態(tài)電壓、頻率控制技術(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用，它節(jié)省能量。而節(jié)能對許多便攜式設(shè)備，常常是第一要求。    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　總結(jié)    <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

　　電源管理對手持設(shè)備具有日趨重要的意義。一個合理優(yōu)化的系統(tǒng)是將電源管理的觀念貫穿于設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，并且平衡考慮多因素設(shè)計完成的。智能地對微器供電電壓和運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，非常有利于在保證用戶工作效率不降低的條件下節(jié)省不能耗。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，會有越來越多的節(jié)能技術(shù)涌現(xiàn)，為手持產(chǎn)品的發(fā)展助力。   <<與廣大電子愛好者更好的互動交流，容源電子網(wǎng)已開通電子論壇，歡迎來到電子論壇與同行們分享、學(xué)習(xí)經(jīng)驗�！�

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