一種高性能的寄生供電方法

房淼森

摘 要： 對傳統(tǒng)的寄生供電技術加以改進，提出一種高性能的寄生供電方法，將寄生供電能力從微安量級提升至毫安量級。這種高性能的寄生供電方法可以在高要求的數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控等方面得到應用，使得寄生供電技術擁有更廣泛的應用價值。目前，該方法已經(jīng)申請國家專利，申請?zhí)枮?01410123946.7。

關鍵詞： 寄生供電； 受控上拉； 串行通信； 1?Wire

中圖分類號： TN911.7?34；TM 930.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0066?03

A method of high?performance parasitic power supply

FANG Miao?sen

（Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212000， China）

Abstract： The traditional parasitic power supply technology was improved. A method of high?performance parasite power supply is proposed， which makes the parasitic power supply capacity increased from microampere magnitude to milliampere one. This high?performance parasitic power supply method can be used in the situation like demanding data acquisition， real?time monitoring， etc. It can make parasitic power supply technology has a wider application. The national patent has been applied for this method， whose application number is 201410123946.7.

Keywords： parasitic power supply； controlled pull?up； serial communication； 1?Wire

0 引 言

寄生供電是一種利用主設備與從設備之間的通信數(shù)據(jù)線對從設備進行供電的方式，即連接主從設備的數(shù)據(jù)線既是數(shù)據(jù)信息傳送的通道， 也是從設備獲得電源能量的通道[1]。寄生供電通常出現(xiàn)在串行通信的過程中，如由美國DALLAS半導體公司提出的1?Wire[2?3]串行通信總線。寄生供電已經(jīng)在數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測等方面得到一定應用，如采用可以在寄生供電方式下工作的數(shù)字式單總線溫度傳感器DS18B20?PAR[4]構成的溫度檢測系統(tǒng)。當系統(tǒng)采用寄生供電時，從設備直接從數(shù)據(jù)線獲取電源，因此從設備無需額外的本地電源配置，減少了從設備外圍器件，從而降低了系統(tǒng)成本；同時，系統(tǒng)連線減少，方便對系統(tǒng)進行擴展，增加新的從設備。

通常的寄生供電方法供電能力有限，僅能提供微安量級的負載電流，如1?Wire協(xié)議中規(guī)定為每個通過寄生供電方式工作的從設備提供5 μA的電流，無法在使用寄生供電的從設備中擴展A/D，微控制器等單元。因此，在實時監(jiān)控及實時信號采集等方面，特別是在某些需要進行A/D轉換或其他高電源容量需求的從設備中，寄生供電并未得到廣泛應用。提出了一種高性能的寄生供電方法，可以在不影響總線正常通信的前提下大大提高寄生電源的供電能力，為使用寄生供電的從設備提供毫安量級的負載電流。

1 系統(tǒng)結構

1.1 傳統(tǒng)寄生供電系統(tǒng)結構

在寄生供電系統(tǒng)中，從設備獲得的電源容量很大程度上取決于上拉電阻的阻值大小。在目前的應用中，主設備與從設備之間主要采用直接連接方式[5]，并且在上拉電路部分單獨添加控制端口，采用臨時性強上拉為從設備供電，如圖1所示。

系統(tǒng)采用臨時性強上拉措施可以直接解決從設備在進行A/D轉換或其他高功耗操作需要的供電問題，卻增加了系統(tǒng)的I/O口線，并且主從設備在強上拉期間無法改變通信數(shù)據(jù)線的電平，影響系統(tǒng)通信。

1.2 改進后的寄生供電系統(tǒng)結構

本文對目前的的寄生供電系統(tǒng)結構加以改進，如圖2所示。在主設備與從設備之間的通信數(shù)據(jù)線上擴展受控上拉電路和寄生供電電路。其原理是受控上拉電路受通信數(shù)據(jù)線上的信號電平控制，自動選擇強上拉或弱上拉電阻值，對寄生供電電路中的儲能電容充電，從而產(chǎn)生寄生電源，對從設備進行供電。

1.2.1 受控上拉電路

受控上拉電路由單穩(wěn)態(tài)電路[6]、強上拉開關管和弱上拉電阻組成，如圖3所示。其中，單穩(wěn)態(tài)電路和強上拉開關管為受控上拉電路的核心組成部分。其工作原理是當通信數(shù)據(jù)線上電平無變化時，單穩(wěn)態(tài)電路工作在穩(wěn)態(tài)，強上拉開關管截止，受控上拉電路工作在弱上拉狀態(tài)；當通信數(shù)據(jù)線上電平由低電平變成高電平時，單穩(wěn)態(tài)電路工作在暫態(tài)，強上拉開關管飽和導通，受控上拉電路工作在強上拉狀態(tài)。

1.2.2 寄生供電電路

寄生供電電路由整流開關管和儲能電容組成，如圖4所示。其工作原理是當通信數(shù)據(jù)線上為高電平時，整流開關管飽和導通，儲能電容從通信數(shù)據(jù)線上獲取電能進行充電；當通信數(shù)據(jù)線上為低電平時，儲能電容放電，產(chǎn)生寄生電源，為從設備供電。

1.3 系統(tǒng)工作原理

以下通過圖例進行詳細說明，如圖5所示。為了方便進行分析，在此僅討論簡單的RC微分型單穩(wěn)態(tài)電路。其中，[U1]為通信數(shù)據(jù)線電壓，[U2]為微分型單穩(wěn)態(tài)電路輸出電壓，[U3]為強上拉開關管輸出電壓，[U4]為儲能電容兩端的電壓。

如圖5（a）所示，在[t1～t2]時間段內(nèi)，當通信數(shù)據(jù)線上的電平變高時，單穩(wěn)態(tài)電路將輸出暫態(tài)，其波形如圖5（b）所示。在單穩(wěn)態(tài)電路輸出暫態(tài)期間，若其輸出電壓大于強上拉開關管的閾值電壓[7]，強上拉開關管將飽和導通一定時間，其波形圖如圖5（c）所示。由于本例采用簡單的RC微分型單穩(wěn)態(tài)電路，無需采用復雜的單穩(wěn)態(tài)電路。當受控上拉電路工作在強上拉狀態(tài)期間，通信數(shù)據(jù)線上的高電平將控制寄生供電電路中的整流開關管導通，此時，主電源通過強上拉開關管和整流開關管對儲能電容充電，儲能電容兩端的電壓如圖5（d）所示。由于開關管導通電阻很低，因此，可以對儲能電容進行短時間快速充電而補充電能，同時也保證了通信信號的穩(wěn)定性，不會因為對電容充電時間過長引起數(shù)據(jù)脈沖畸變而干擾主從設備之間的數(shù)據(jù)通信。此外，為了使從設備有足夠的電能，進行不間斷工作，需根據(jù)通信協(xié)議以及從設備的負載選擇合適的儲能電容。

3 電路參數(shù)分析

系統(tǒng)要能夠正常工作，必須滿足一定的條件，下面以UART通信協(xié)議[8]為例。根據(jù)系統(tǒng)工作原理，考慮一個極端的通信周期，即10位傳送方式中只有停止位是高電平。在此條件下，儲能電容在一個通信周期中只可補充一次電量，充放電的過程如圖6所示。

下面給出一種該電路主要參數(shù)的計算方法：

（1） 確定單穩(wěn)態(tài)輸出的暫態(tài)時間[tp。]在0～[tp]時間段內(nèi)，電路處于強上拉狀態(tài)；為了避免因強上拉時間過長導致主、從設備發(fā)送器無法拉低總線電平，引起通信數(shù)據(jù)錯誤，[tp]必須小于等于通信過程中一位數(shù)據(jù)的傳送時間；考慮到雙方通信波特率[9]存在誤差以及單穩(wěn)態(tài)電路中RC參數(shù)存在離散性，設通信波特率為[S，]根據(jù)經(jīng)驗公式，在保證通信數(shù)據(jù)可靠的前提下應使得下式成立：

[tp=0.8×1S] （1）

（2） 考慮儲能電容容量。在[0～tp]時間段內(nèi)，電路處于強上拉狀態(tài)時，應完成對儲能電容快速充電。設從設備允許的供電電壓誤差最大為額定供電電壓的[K]倍，儲能電容為[C儲，]充電回路的時間常數(shù)為[τ充，]則電容在[0～tp]時間段內(nèi)從[KVpp]充電到[Vpp，]此處可以忽略弱上拉電阻對充電的影響。根據(jù)電容充電[10]的公式可得到儲能電容兩端電壓滿足的關系式：

[U儲=KVpp+（Vpp-KVpp）（1-e-tpτ充）] （2）

根據(jù)經(jīng)驗，[K]通常為0.9，取[tp=2τ充，]代入上述公式，儲能電容兩端電壓可達電源的98.6%以上，基本可以認為充滿。根據(jù)公式（1）和（2）進一步推導，可以得到儲能電容取值關系式：

[C儲=25R充S] （3）

其中，[R充]為主電源對儲能電容充電線路的阻抗，包括強上拉開關管、整流開關管和導線電阻。

（3） 計算電路的負載能力。對于放電過程，假設負載為恒流放電，故在[tp～tq]時間段內(nèi)，電容放電為一直線從[Vpp]恒流放電到[KVpp，]放電曲線如圖5所示。設負載電流為[I，]根據(jù)電容恒流放電公式可得到儲能電容在放電過程中滿足的關系式：

[KVpp=Vpp-IC儲（tq-tp）] （4）

此處分析可知，[tq]實際上與通信波特率[S]有關，當采用上述10位UART傳送并處于極端數(shù)據(jù)傳送周期情況時，有：

[tq=10S] （5）

通過公式（4）和（5），最終可得以下關系式：

[I=（1-K）VppC儲10S-τ充=（1-K）Vpp23R充] （6）

通常，設備供電電壓允許的最大誤差為10%，而電容充滿的電壓約為主電源電壓，通常為5 V；另外，如選擇合適型號的MOS管作為強上拉開關管和整流開關管，其導通電阻很容易控制在毫歐量級，可以忽略不計，因此充電回路的阻抗[R充]即為通信線路的導線電阻，若采用工程中常用的75?7同軸電纜，100 m的線阻約為0.8 Ω。將以上數(shù)據(jù)代入式（6），可得到通過該寄生供電方法對從設備供電，在上述極限通信情況下能達到的最大負載電流約為25 mA。若從設備采用接觸式寄生供電或從設備本身采用低壓供電，通過穩(wěn)壓器件[11]，負載電流還能成倍增加，足以滿足大多數(shù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電需求。

4 結 語

本文得益于受控上拉電路和寄生供電電路的設計方案，系統(tǒng)在受控上拉電路處于強上拉狀態(tài)時，可以對寄生供電電路中儲能電容進行低阻抗的快速充電；儲能電容的取值可以適當增大，以提高寄生電源的負載能力，并降低電源的紋波系數(shù)。

參考文獻

[1] 王峻松，朱瀟挺，任騰龍，等.一種改進的寄生供電串行通信總線及其收發(fā)器[J].微電子學，2007，37（6）：882?886.

[2] 楊曉林.單總線數(shù)字測控器件及其應用[J].江漢大學學報：自然科學版，2003，31（4）：19?21.

[3] 李鋼，趙彥峰.1?WIRE總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20原理及應用[J].現(xiàn)代電子技術，2005，28（21）：77?79.

[4] 唐為義，王艷霞，劉蕾.便攜式多點溫度采集系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2007（11）：50?51.

[5] 張彥兵，劉永前，李義強.1?WIRE總線驅動電路設計[J].傳感技術學報，2006，19（4）：1020?1022.

[6] 韓彬，王坤寧，周寧俠，等.基于可編程邏輯器件單穩(wěn)態(tài)電路的設計與實現(xiàn)[J].石油儀器，2011，25（6）：75?76.

[7] 李澤宏，李肇基，方鍵，等.自對準雙擴散MOS器件的閾值電壓分析[J].微電子學，2003，33（6）：513?516.

[8] 賴萬玖.UART協(xié)議及其在光傳輸中的應用[J].世界電子元器件，2003（7）：59?61

[9] 張緒錦.一種自動檢測串行通信波特率的方法[J].雷達科學與技術，2001（2）：14?18.

[10] 張廷鋒，許少衡.一種基于電容充放電的時間間隔測量方法[J].國外電子測量技術，2011，30（11）：30?32.

[11] 董亮，陳昭棟.小電流數(shù)顯穩(wěn)流電流源的開發(fā)[J].西南科技大學學報，2004，19（4）：24?26.

如圖5（a）所示，在[t1～t2]時間段內(nèi)，當通信數(shù)據(jù)線上的電平變高時，單穩(wěn)態(tài)電路將輸出暫態(tài)，其波形如圖5（b）所示。在單穩(wěn)態(tài)電路輸出暫態(tài)期間，若其輸出電壓大于強上拉開關管的閾值電壓[7]，強上拉開關管將飽和導通一定時間，其波形圖如圖5（c）所示。由于本例采用簡單的RC微分型單穩(wěn)態(tài)電路，無需采用復雜的單穩(wěn)態(tài)電路。當受控上拉電路工作在強上拉狀態(tài)期間，通信數(shù)據(jù)線上的高電平將控制寄生供電電路中的整流開關管導通，此時，主電源通過強上拉開關管和整流開關管對儲能電容充電，儲能電容兩端的電壓如圖5（d）所示。由于開關管導通電阻很低，因此，可以對儲能電容進行短時間快速充電而補充電能，同時也保證了通信信號的穩(wěn)定性，不會因為對電容充電時間過長引起數(shù)據(jù)脈沖畸變而干擾主從設備之間的數(shù)據(jù)通信。此外，為了使從設備有足夠的電能，進行不間斷工作，需根據(jù)通信協(xié)議以及從設備的負載選擇合適的儲能電容。

3 電路參數(shù)分析

系統(tǒng)要能夠正常工作，必須滿足一定的條件，下面以UART通信協(xié)議[8]為例。根據(jù)系統(tǒng)工作原理，考慮一個極端的通信周期，即10位傳送方式中只有停止位是高電平。在此條件下，儲能電容在一個通信周期中只可補充一次電量，充放電的過程如圖6所示。

下面給出一種該電路主要參數(shù)的計算方法：

（1） 確定單穩(wěn)態(tài)輸出的暫態(tài)時間[tp。]在0～[tp]時間段內(nèi)，電路處于強上拉狀態(tài)；為了避免因強上拉時間過長導致主、從設備發(fā)送器無法拉低總線電平，引起通信數(shù)據(jù)錯誤，[tp]必須小于等于通信過程中一位數(shù)據(jù)的傳送時間；考慮到雙方通信波特率[9]存在誤差以及單穩(wěn)態(tài)電路中RC參數(shù)存在離散性，設通信波特率為[S，]根據(jù)經(jīng)驗公式，在保證通信數(shù)據(jù)可靠的前提下應使得下式成立：

[tp=0.8×1S] （1）

（2） 考慮儲能電容容量。在[0～tp]時間段內(nèi)，電路處于強上拉狀態(tài)時，應完成對儲能電容快速充電。設從設備允許的供電電壓誤差最大為額定供電電壓的[K]倍，儲能電容為[C儲，]充電回路的時間常數(shù)為[τ充，]則電容在[0～tp]時間段內(nèi)從[KVpp]充電到[Vpp，]此處可以忽略弱上拉電阻對充電的影響。根據(jù)電容充電[10]的公式可得到儲能電容兩端電壓滿足的關系式：

[U儲=KVpp+（Vpp-KVpp）（1-e-tpτ充）] （2）

根據(jù)經(jīng)驗，[K]通常為0.9，取[tp=2τ充，]代入上述公式，儲能電容兩端電壓可達電源的98.6%以上，基本可以認為充滿。根據(jù)公式（1）和（2）進一步推導，可以得到儲能電容取值關系式：

[C儲=25R充S] （3）

其中，[R充]為主電源對儲能電容充電線路的阻抗，包括強上拉開關管、整流開關管和導線電阻。

（3） 計算電路的負載能力。對于放電過程，假設負載為恒流放電，故在[tp～tq]時間段內(nèi)，電容放電為一直線從[Vpp]恒流放電到[KVpp，]放電曲線如圖5所示。設負載電流為[I，]根據(jù)電容恒流放電公式可得到儲能電容在放電過程中滿足的關系式：

[KVpp=Vpp-IC儲（tq-tp）] （4）

此處分析可知，[tq]實際上與通信波特率[S]有關，當采用上述10位UART傳送并處于極端數(shù)據(jù)傳送周期情況時，有：

[tq=10S] （5）

通過公式（4）和（5），最終可得以下關系式：

[I=（1-K）VppC儲10S-τ充=（1-K）Vpp23R充] （6）

通常，設備供電電壓允許的最大誤差為10%，而電容充滿的電壓約為主電源電壓，通常為5 V；另外，如選擇合適型號的MOS管作為強上拉開關管和整流開關管，其導通電阻很容易控制在毫歐量級，可以忽略不計，因此充電回路的阻抗[R充]即為通信線路的導線電阻，若采用工程中常用的75?7同軸電纜，100 m的線阻約為0.8 Ω。將以上數(shù)據(jù)代入式（6），可得到通過該寄生供電方法對從設備供電，在上述極限通信情況下能達到的最大負載電流約為25 mA。若從設備采用接觸式寄生供電或從設備本身采用低壓供電，通過穩(wěn)壓器件[11]，負載電流還能成倍增加，足以滿足大多數(shù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電需求。

4 結 語

本文得益于受控上拉電路和寄生供電電路的設計方案，系統(tǒng)在受控上拉電路處于強上拉狀態(tài)時，可以對寄生供電電路中儲能電容進行低阻抗的快速充電；儲能電容的取值可以適當增大，以提高寄生電源的負載能力，并降低電源的紋波系數(shù)。

參考文獻

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[4] 唐為義，王艷霞，劉蕾.便攜式多點溫度采集系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2007（11）：50?51.

[5] 張彥兵，劉永前，李義強.1?WIRE總線驅動電路設計[J].傳感技術學報，2006，19（4）：1020?1022.

[6] 韓彬，王坤寧，周寧俠，等.基于可編程邏輯器件單穩(wěn)態(tài)電路的設計與實現(xiàn)[J].石油儀器，2011，25（6）：75?76.

[7] 李澤宏，李肇基，方鍵，等.自對準雙擴散MOS器件的閾值電壓分析[J].微電子學，2003，33（6）：513?516.

[8] 賴萬玖.UART協(xié)議及其在光傳輸中的應用[J].世界電子元器件，2003（7）：59?61

[9] 張緒錦.一種自動檢測串行通信波特率的方法[J].雷達科學與技術，2001（2）：14?18.

[10] 張廷鋒，許少衡.一種基于電容充放電的時間間隔測量方法[J].國外電子測量技術，2011，30（11）：30?32.

[11] 董亮，陳昭棟.小電流數(shù)顯穩(wěn)流電流源的開發(fā)[J].西南科技大學學報，2004，19（4）：24?26.

如圖5（a）所示，在[t1～t2]時間段內(nèi)，當通信數(shù)據(jù)線上的電平變高時，單穩(wěn)態(tài)電路將輸出暫態(tài)，其波形如圖5（b）所示。在單穩(wěn)態(tài)電路輸出暫態(tài)期間，若其輸出電壓大于強上拉開關管的閾值電壓[7]，強上拉開關管將飽和導通一定時間，其波形圖如圖5（c）所示。由于本例采用簡單的RC微分型單穩(wěn)態(tài)電路，無需采用復雜的單穩(wěn)態(tài)電路。當受控上拉電路工作在強上拉狀態(tài)期間，通信數(shù)據(jù)線上的高電平將控制寄生供電電路中的整流開關管導通，此時，主電源通過強上拉開關管和整流開關管對儲能電容充電，儲能電容兩端的電壓如圖5（d）所示。由于開關管導通電阻很低，因此，可以對儲能電容進行短時間快速充電而補充電能，同時也保證了通信信號的穩(wěn)定性，不會因為對電容充電時間過長引起數(shù)據(jù)脈沖畸變而干擾主從設備之間的數(shù)據(jù)通信。此外，為了使從設備有足夠的電能，進行不間斷工作，需根據(jù)通信協(xié)議以及從設備的負載選擇合適的儲能電容。

3 電路參數(shù)分析

系統(tǒng)要能夠正常工作，必須滿足一定的條件，下面以UART通信協(xié)議[8]為例。根據(jù)系統(tǒng)工作原理，考慮一個極端的通信周期，即10位傳送方式中只有停止位是高電平。在此條件下，儲能電容在一個通信周期中只可補充一次電量，充放電的過程如圖6所示。

下面給出一種該電路主要參數(shù)的計算方法：

（1） 確定單穩(wěn)態(tài)輸出的暫態(tài)時間[tp。]在0～[tp]時間段內(nèi)，電路處于強上拉狀態(tài)；為了避免因強上拉時間過長導致主、從設備發(fā)送器無法拉低總線電平，引起通信數(shù)據(jù)錯誤，[tp]必須小于等于通信過程中一位數(shù)據(jù)的傳送時間；考慮到雙方通信波特率[9]存在誤差以及單穩(wěn)態(tài)電路中RC參數(shù)存在離散性，設通信波特率為[S，]根據(jù)經(jīng)驗公式，在保證通信數(shù)據(jù)可靠的前提下應使得下式成立：

[tp=0.8×1S] （1）

（2） 考慮儲能電容容量。在[0～tp]時間段內(nèi)，電路處于強上拉狀態(tài)時，應完成對儲能電容快速充電。設從設備允許的供電電壓誤差最大為額定供電電壓的[K]倍，儲能電容為[C儲，]充電回路的時間常數(shù)為[τ充，]則電容在[0～tp]時間段內(nèi)從[KVpp]充電到[Vpp，]此處可以忽略弱上拉電阻對充電的影響。根據(jù)電容充電[10]的公式可得到儲能電容兩端電壓滿足的關系式：

[U儲=KVpp+（Vpp-KVpp）（1-e-tpτ充）] （2）

根據(jù)經(jīng)驗，[K]通常為0.9，取[tp=2τ充，]代入上述公式，儲能電容兩端電壓可達電源的98.6%以上，基本可以認為充滿。根據(jù)公式（1）和（2）進一步推導，可以得到儲能電容取值關系式：

[C儲=25R充S] （3）

其中，[R充]為主電源對儲能電容充電線路的阻抗，包括強上拉開關管、整流開關管和導線電阻。

（3） 計算電路的負載能力。對于放電過程，假設負載為恒流放電，故在[tp～tq]時間段內(nèi)，電容放電為一直線從[Vpp]恒流放電到[KVpp，]放電曲線如圖5所示。設負載電流為[I，]根據(jù)電容恒流放電公式可得到儲能電容在放電過程中滿足的關系式：

[KVpp=Vpp-IC儲（tq-tp）] （4）

此處分析可知，[tq]實際上與通信波特率[S]有關，當采用上述10位UART傳送并處于極端數(shù)據(jù)傳送周期情況時，有：

[tq=10S] （5）

通過公式（4）和（5），最終可得以下關系式：

[I=（1-K）VppC儲10S-τ充=（1-K）Vpp23R充] （6）

通常，設備供電電壓允許的最大誤差為10%，而電容充滿的電壓約為主電源電壓，通常為5 V；另外，如選擇合適型號的MOS管作為強上拉開關管和整流開關管，其導通電阻很容易控制在毫歐量級，可以忽略不計，因此充電回路的阻抗[R充]即為通信線路的導線電阻，若采用工程中常用的75?7同軸電纜，100 m的線阻約為0.8 Ω。將以上數(shù)據(jù)代入式（6），可得到通過該寄生供電方法對從設備供電，在上述極限通信情況下能達到的最大負載電流約為25 mA。若從設備采用接觸式寄生供電或從設備本身采用低壓供電，通過穩(wěn)壓器件[11]，負載電流還能成倍增加，足以滿足大多數(shù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電需求。

4 結 語

本文得益于受控上拉電路和寄生供電電路的設計方案，系統(tǒng)在受控上拉電路處于強上拉狀態(tài)時，可以對寄生供電電路中儲能電容進行低阻抗的快速充電；儲能電容的取值可以適當增大，以提高寄生電源的負載能力，并降低電源的紋波系數(shù)。

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