吳玉田 孫吉利 禹衛(wèi)東

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190)

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一種用于星載設(shè)備的并聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路設(shè)計(jì)

吳玉田 孫吉利 禹衛(wèi)東

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190)

針對(duì)目前常用的啟動(dòng)電流抑制電路存在難以標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的問題，提出一種并聯(lián)型的啟動(dòng)電流抑制電路，分析了其電路特點(diǎn)及適用場(chǎng)合。通過在某衛(wèi)星載荷設(shè)備中使用的具體實(shí)例，驗(yàn)證了此電路能有效降低載荷分系統(tǒng)加電時(shí)的啟動(dòng)電流。測(cè)試結(jié)果表明，該電路可以成為使能端控制、集中供配電系統(tǒng)各單機(jī)的共享式啟動(dòng)電流抑制電路，亦可為同類設(shè)計(jì)提供參考。

啟動(dòng)電流；并聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路；共享式啟動(dòng)電流抑制電路

1 引言

在星載設(shè)備中，來自衛(wèi)星的一次直流電源通過衛(wèi)星總體電源控制器向各載荷設(shè)備供電，在設(shè)備加電的瞬間，電源會(huì)對(duì)設(shè)備中的濾波電容進(jìn)行充電[1-2]，由于電容的等效串聯(lián)電阻(Equivalent Series Resistance, ESR)很小，電容在充電瞬間近似短路，會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流(Inrush Current)，電流峰值高達(dá)幾十安培，相當(dāng)于正常工作電流的幾倍到十幾倍。特別是當(dāng)載荷設(shè)備所有單機(jī)同時(shí)加電時(shí)，各單機(jī)的啟動(dòng)電流疊加在一起，峰值可能會(huì)超過100 A。這么高的啟動(dòng)電流可能會(huì)導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)粘連、熔斷器燒斷，甚至超出電源系統(tǒng)輸出浪涌電流能力，導(dǎo)致電源母線電壓瞬間大幅度下跌，影響星上設(shè)備正常工作，對(duì)衛(wèi)星電源安全造成威脅。

鑒于此，在星載設(shè)備供電回路中必須采取啟動(dòng)電流抑制措施，把啟動(dòng)電流限制在一定的范圍內(nèi)，確保星上各設(shè)備自身的啟動(dòng)電流小于電源系統(tǒng)母線提供的浪涌電流能力，確保電源母線安全，且不影響其它設(shè)備正常工作。

目前，在星載設(shè)備中，啟動(dòng)電流抑制電路往往串聯(lián)在供電回路中，工作期間設(shè)備正常工作電流始終流經(jīng)該電路，電路的元器件選擇必須考慮設(shè)備正常工作電流的要求，難以做到標(biāo)準(zhǔn)化。

針對(duì)這種串聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路存在的不足，本文提出一種并聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路構(gòu)型，能夠有效解決這一問題。首先介紹常用啟動(dòng)電流抑制電路的共同特點(diǎn)，分析其不足，然后,在其基礎(chǔ)上提出一種新型啟動(dòng)電流抑制電路構(gòu)型，分析其設(shè)計(jì)思想，最后，結(jié)合采用該構(gòu)型的某衛(wèi)星載荷配電器的具體設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)及在軌測(cè)試，驗(yàn)證了此構(gòu)型設(shè)計(jì)的正確性。

2 串聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路

在星載設(shè)備中，常用的啟動(dòng)電流抑制電路主要有限流電阻法、預(yù)充電法和以降低輸入電壓上升速率為目的的軟啟動(dòng)法等[3-4]，這些方法對(duì)啟動(dòng)電流都有一定的抑制作用。但這些啟動(dòng)電流抑制電路用在各單機(jī)內(nèi)部，如圖1所示，在一次電源回路中，串聯(lián)在熔斷器保護(hù)電路與電磁干擾(EMI)濾波器之間。除了在加電期間產(chǎn)生的啟動(dòng)電流，工作期間正常工作電流也始終流經(jīng)啟動(dòng)電流抑制電路，因此該電路的元器件參數(shù)(額定電流、額定功耗、熱阻等)必須滿足設(shè)備工作電流的要求。當(dāng)單機(jī)功率比較小，工作電流在1 A以內(nèi)，對(duì)啟動(dòng)電流抑制電路的元器件功率要求不高，體積、質(zhì)量也不大，這種電路配置能夠滿足單機(jī)要求，可靠性也比較高。當(dāng)單機(jī)功率較大，電流大于2 A時(shí)，對(duì)啟動(dòng)電流抑制電路的元器件選擇帶來困難，隨著功率的提高，體積、質(zhì)量都變大，須要采取特殊的散熱措施，電路調(diào)試復(fù)雜化。這種串聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路與工作電流密切相關(guān)，不同單機(jī)中即使啟動(dòng)電流抑制電路原理、組成相同，元器件參數(shù)也往往不同，難以做到標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1 帶串聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路的28 V供電電路Fig.1 28V power supply diagram with series circuit suspressing inrush current

3 并聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路

鑒于串聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路的不足，提出一種新的啟動(dòng)電流抑制電路構(gòu)型：并聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路，它可以克服這一缺陷。

并聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路構(gòu)型如圖2所示，啟動(dòng)電流抑制電路首先與抑制電路開關(guān)串聯(lián)，然后再與供電開關(guān)并聯(lián)，形成一種與供電電路并聯(lián)的啟動(dòng)電流抑制電路構(gòu)型。采取這種構(gòu)型的電子設(shè)備，加電時(shí)首先接通抑制電路開關(guān)，讓電源通過啟動(dòng)電流抑制電路向設(shè)備內(nèi)部等效電容充電，經(jīng)過一小段時(shí)間(幾百毫秒或1 s)開機(jī)啟動(dòng)電流已過去，再接通供電開關(guān)，讓電源通過供電開關(guān)直接向設(shè)備供電，隨后斷開抑制電路開關(guān)，這時(shí)設(shè)備進(jìn)入正常工作階段，正常工作電流由供電開關(guān)提供，不流經(jīng)啟動(dòng)電流抑制電路，斷電時(shí)直接斷開供電開關(guān)即可。這樣啟動(dòng)電流抑制電路僅僅在加電瞬間工作，而正常工作由供電開關(guān)供電，從而大大降低了啟動(dòng)電流抑制電路的工作時(shí)間，提高了可靠性。另外，啟動(dòng)電流抑制電路與供電電路并聯(lián)，即使該電路出了故障，也不影響供電電路，從而提高了設(shè)備供電可靠性。

圖2 并聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路構(gòu)型示意圖Fig.2 Topology diagram of parellel circuit suppressing inrush current

目前，星載電子設(shè)備使用的電源模塊一般都有使能控制端，如Interpoint公司的DC/DC有使能(Inhibit)控制端，Inhibit懸空，DC/DC處于使能狀態(tài)、有輸出；Inhibit接地，DC/DC處于禁止?fàn)顟B(tài)、沒有輸出。設(shè)備的開關(guān)機(jī)大部分是通過使能端控制的，在加電前，電源模塊處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，在啟動(dòng)電流抑制電路接通期間只有啟動(dòng)電流，沒有工作電流，這樣啟動(dòng)電流抑制電路中元器件的參數(shù)與設(shè)備工作電流的大小關(guān)系不大，只與啟動(dòng)電流自身和電源設(shè)備所能提供的浪涌電流的大小有關(guān)，可以做成標(biāo)準(zhǔn)的、系列化、模塊化電路，用在多個(gè)設(shè)備中，能有效縮短設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間。

這種并聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路既可以用在單個(gè)電子設(shè)備內(nèi)部，也可以用在集中供配電的載荷配電器中，多個(gè)單機(jī)共享一個(gè)啟動(dòng)電流抑制電路，如圖3所示，單機(jī)內(nèi)不需要自己的啟動(dòng)電流抑制電路，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。本電路需要增加兩個(gè)開關(guān)以及對(duì)開關(guān)進(jìn)行控制的指令，這對(duì)單個(gè)電子設(shè)備來說可能是個(gè)問題，但對(duì)集中供配電的配電器來說，內(nèi)部本身就有許多開關(guān)需要指令控制，這種并聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路特別適合設(shè)計(jì)在配電器內(nèi)部，便于衛(wèi)星星務(wù)子系統(tǒng)對(duì)這兩個(gè)開關(guān)的控制。從分系統(tǒng)的角度出發(fā)，在供電開關(guān)的開關(guān)機(jī)次數(shù)并不增加的情況下，增加兩條對(duì)抑制電路開關(guān)的控制指令，就可以實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)抑制啟動(dòng)電流的要求。

這種共享式啟動(dòng)電流抑制電路構(gòu)型，就是普通啟動(dòng)電流抑制電路與供電電路的有機(jī)結(jié)合，各單機(jī)不再須要設(shè)計(jì)自己的內(nèi)部啟動(dòng)電流抑制電路，從整體上優(yōu)化了載荷設(shè)備的電路設(shè)計(jì)，減輕了單機(jī)的體積、質(zhì)量的要求。

圖3 共享式啟動(dòng)電流抑制電路Fig.3 Diagram of shared circuit suppressing inrush current

4 某衛(wèi)星載荷設(shè)備中的啟動(dòng)電流抑制電路

4.1 帶啟動(dòng)電流抑制功能的供電電路構(gòu)成

在某衛(wèi)星中，載荷設(shè)備由許多單機(jī)組成，各單機(jī)使用Interpoint公司的DC/DC模塊，開關(guān)機(jī)使用Inhibit端控制，采取集中供配電方式，其中配電器就是其它各單機(jī)的電源分配者和開、關(guān)機(jī)控制者。啟動(dòng)電流抑制電路就位于配電器中，如圖4所示，3個(gè)虛線框分別為圖3中抑制電路開關(guān)、啟動(dòng)電流抑制電路和供電開關(guān)3個(gè)功能模塊的具體電路實(shí)現(xiàn)，使用磁保持繼電器作為電路開關(guān)，抑制電路開關(guān)使用一個(gè)磁保持繼電器，供電開關(guān)由兩個(gè)磁保持繼電器并聯(lián)構(gòu)成，啟動(dòng)電流抑制電路選用基于P溝道MOSFET管的電路形式[2,5]，三者共同形成一種與圖3類似的共享式啟動(dòng)電流抑制電路構(gòu)型。在28 V一次電源加電前和啟動(dòng)電流抑制電路工作期間，各單機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，只有在啟動(dòng)電流抑制電路工作過程結(jié)束后才可根據(jù)需要進(jìn)行開關(guān)機(jī)。

抑制電路開關(guān)的接通和斷開分別由兩條指令(Inrush_ON和Inrush_OFF)控制，供電電源的接通和斷開由另兩條指令(28V_ON和28V_OFF)控制，在加電時(shí)先發(fā)出Inrush_ON指令，通過啟動(dòng)電流抑制電路向設(shè)備內(nèi)部供電，等待1 s后，啟動(dòng)電流已過去，然后再發(fā)出28V_ON指令，隨后發(fā)出Inrush_OFF指令。這時(shí)啟動(dòng)電流抑制電路已斷開，各單機(jī)供電輸入端加上28 V電源，而各單機(jī)還處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，各單機(jī)是否開機(jī)則通過單機(jī)自身的Inhibit端來控制。成像時(shí)各單機(jī)全部開機(jī)，成像結(jié)束，各單機(jī)關(guān)機(jī)，斷電時(shí)直接發(fā)出28V_OFF。

4.2 電路工作原理

圖4中的啟動(dòng)電流抑制電路本質(zhì)上是一種以降低輸入電壓上升速率為目的的軟啟動(dòng)電路。它屬于軟啟動(dòng)電路的一種，圖5給出該電路的等效電路。在圖5中Q1為MOSFET管，其偏置電路由2個(gè)電阻和1個(gè)電容組成，輸入電壓經(jīng)電阻分壓產(chǎn)生一個(gè)約10 V的電壓，加在MOSFET的源極與柵極之間，為穩(wěn)態(tài)工作提供偏置電壓，電容與下邊電阻R2形成一個(gè)積分電路，它與MOSFET管構(gòu)成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路。

圖4 某衛(wèi)星載荷設(shè)備中的帶啟動(dòng)電流抑制功能的供配電電路Fig.4 Power supply circuit with suspressing inrush current in a certain satellite payload devices

圖5 啟動(dòng)電流抑制電路的等效電路Fig.5 Equivalent circuit of inrush current suspressing circuit

電路工作過程如下，當(dāng)沒有28 V輸入時(shí)，C1上沒有電荷，兩端電壓為零，場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止，當(dāng)抑制電路開關(guān)閉合后，電路進(jìn)入暫態(tài)，28 V輸入電壓通過R2向C1充電，電容兩端的電壓開始按指數(shù)曲線緩慢上升，當(dāng)電壓到達(dá)Vsg(MOSFET管源極與柵極之間電壓)的門限電壓時(shí)，MOSFET管開始導(dǎo)通，隨著電容兩端電壓的進(jìn)一步升高，MOSFET管進(jìn)入飽和導(dǎo)通階段，當(dāng)電容充電完成后，單穩(wěn)態(tài)結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，這時(shí)電容兩端電壓等于電阻的分壓值，約為10 V，MOSFET管進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)。在暫態(tài)過程中，也就是MOSFET管進(jìn)入飽和導(dǎo)通的過程中，輸入電壓通過MOSFET向后端電容(各電源模塊前電容的等效電容)逐漸充電，延長(zhǎng)了充電時(shí)間、降低了充電電流，從而使啟動(dòng)電流得到抑制。暫態(tài)時(shí)間的長(zhǎng)短由時(shí)間常數(shù)R2×C1決定，調(diào)整R1、R2和C1的值，可以使設(shè)備端啟動(dòng)電流的抑制效果達(dá)到最佳。

4.3 測(cè)試驗(yàn)證

在測(cè)試驗(yàn)證中關(guān)鍵的一步是啟動(dòng)電流的測(cè)量[6]，有很多因素影響啟動(dòng)電流的測(cè)量結(jié)果。如直流電源瞬態(tài)特性、負(fù)載端抑制電路開關(guān)的開關(guān)速度、供電電纜的等效電阻等，對(duì)于直流電源來說，使用瞬態(tài)特性(如瞬態(tài)輸出阻抗等)不同的直流電源測(cè)試結(jié)果會(huì)不同，同一電源使用不同的限流設(shè)置也會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。啟動(dòng)電流抑制電路開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間關(guān)系到輸出電壓的上升沿的陡峭程度，會(huì)直接影響啟動(dòng)電流的測(cè)試結(jié)果。供電電纜的等效回路電阻會(huì)影響啟動(dòng)電流的最大值?？傊?，只有在相同測(cè)試條件下的測(cè)試結(jié)果才具有可比性，測(cè)量中使用的主要設(shè)備包括直流電源、示波器和電流探頭。

測(cè)試分兩個(gè)階段進(jìn)行。在第一階段的測(cè)試中，配電器只向一個(gè)單機(jī)供電，測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。

圖6所示為未加啟動(dòng)電流抑制電路時(shí)的啟動(dòng)電流波形圖，峰值為88.8 A，持續(xù)時(shí)間約為0.1 ms，如果所有單機(jī)都連上，啟動(dòng)電流將會(huì)更大，可見抑制各負(fù)載端啟動(dòng)電流非常有必要。

圖6 初次加電時(shí)未經(jīng)抑制的啟動(dòng)電流Fig.6 Waveform of inrush current without limit during powering up

圖7為增加了啟動(dòng)電流抑制電路后各相關(guān)信號(hào)的波形圖，波形1為啟動(dòng)電流抑制電路的輸入電壓，波形2為輸出電壓，該電壓經(jīng)啟動(dòng)電流抑制電路延遲了238.0 ms，電壓上升速率明顯變緩，從0 V到28 V用了約40 ms，波形3為電流波形，經(jīng)啟動(dòng)電流抑制電路抑制后的啟動(dòng)電流峰值僅為448.0 mA，抑制效果非常突出，電流波形為下凹型上升曲線，與最佳啟動(dòng)電流波形[7]基本一致，這時(shí)MOSFET管最大功耗接近最小。文獻(xiàn)[7]中詳細(xì)討論了啟動(dòng)電流的最佳抑制問題，認(rèn)為使啟動(dòng)電流抑制管的最大瞬時(shí)功率最小為最佳抑制，并據(jù)此推導(dǎo)出滿足該條件的佳啟動(dòng)電流，在該文的圖5中顯示了最佳啟動(dòng)電流波形，該波形與本文的啟動(dòng)電流波形基本一致。

圖7 啟動(dòng)電流抑制電路中的相關(guān)信號(hào)波形圖Fig.7 Waveforms of related signals in the circuit suspressing inrush current

圖8重點(diǎn)關(guān)注了MOSFET管柵極的電壓的變化情況，該電壓在暫態(tài)充電過程中按照指數(shù)規(guī)律下降，利用示波器的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，把波形1的輸入電壓減去波形2的柵極電壓得到波形4的源極-柵極之間電壓，可以看出該電壓按指數(shù)規(guī)律從0開始增大，直到電阻分壓值。波形3為抑制后的啟動(dòng)電流，峰值為416.0 mA，峰值后的電流為單機(jī)處于使能關(guān)機(jī)時(shí)系統(tǒng)靜態(tài)電流值，約為20 mA。

圖8 啟動(dòng)電流抑制電路中柵源電壓Vsg波形圖Fig.8 Vsg waveform of the circuit suspressing inrush current

上述測(cè)試結(jié)果表明，啟動(dòng)電流抑制電路的實(shí)際運(yùn)行情況與分析完全一致，能有效抑制啟動(dòng)電流。該電路本質(zhì)上就是延緩輸出電壓的上升，其上升時(shí)間由充電時(shí)間常數(shù)決定，通過改變充電時(shí)間常數(shù)，可以使啟動(dòng)電流滿足系統(tǒng)要求。

第二個(gè)階段的測(cè)試是在載荷設(shè)備聯(lián)試時(shí)進(jìn)行，這時(shí)所有單機(jī)都按照正常工作方式連接在一起，這種情況下的測(cè)試結(jié)果，最接近衛(wèi)星在軌運(yùn)行的真實(shí)狀態(tài)。圖9為未使用啟動(dòng)電流抑制電路時(shí)的加電啟動(dòng)電流波形。配電器向所有單機(jī)加電，啟動(dòng)電流峰值為187.5 A，持續(xù)時(shí)間約為100 μs。圖10為使用啟動(dòng)電流抑制電路后的測(cè)試結(jié)果，啟動(dòng)電流峰值為1.76 A，持續(xù)時(shí)間約為24.7 ms，啟動(dòng)電流抑制電路已發(fā)揮了作用，啟動(dòng)電流過去后的穩(wěn)態(tài)電流為195.0 mA，為載荷設(shè)備未開機(jī)時(shí)的靜態(tài)電流。

圖9 載荷設(shè)備聯(lián)調(diào)時(shí)加電啟動(dòng)電流(未使用啟動(dòng)電流抑制電路)Fig.9 Waveform of inrush current in payload devices integration testing(without in-rush current suspressing circuit)

圖10 載荷設(shè)備聯(lián)調(diào)時(shí)加電啟動(dòng)電流(使用啟動(dòng)電流抑制電路)Fig.10 Waveform of in-rush current in payload devices integration testing(with inrush current suspressing circuit)

目前國內(nèi)對(duì)星載設(shè)備啟動(dòng)電流要求基本相同，主要應(yīng)滿足以下3條：①啟動(dòng)電流大小應(yīng)限制到其相應(yīng)額定電流的1.5倍以內(nèi)或2 A以內(nèi)，取其較大者；②持續(xù)時(shí)間不大于5 ms；③上升斜率不大于105A/s。在圖10中若按峰-峰值1.81 A計(jì)算，電流上升斜率為73.3 A/s,載荷分系統(tǒng)正常工作電流為5.46 A(分系統(tǒng)設(shè)備全部工作時(shí)的測(cè)試值)，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)只有第二條不滿足，持續(xù)時(shí)間大于5 ms，為24.7 ms，但考慮到啟動(dòng)電流的峰值受到抑制后，持續(xù)時(shí)間必然會(huì)延長(zhǎng)。

聯(lián)試結(jié)果說明，啟動(dòng)電流抑制電路發(fā)揮作用，有效降低了系統(tǒng)加電啟動(dòng)電流。

該衛(wèi)星在軌測(cè)試期間配電器工作正常，啟動(dòng)電流抑制電路運(yùn)行良好，保證了電源系統(tǒng)正常運(yùn)行。通過在軌測(cè)試驗(yàn)證，說明這種并聯(lián)型、共享式啟動(dòng)電流抑制電路能夠有效保護(hù)星上電源安全運(yùn)行。

5 結(jié)束語

針對(duì)從單機(jī)設(shè)計(jì)出發(fā)的串聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路的缺點(diǎn)，本文從分系統(tǒng)供配電技術(shù)的角度，提出一種并聯(lián)型、共享式啟動(dòng)電流抑制電路，解決了串聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路存在的問題。這種并聯(lián)型啟動(dòng)電流抑制電路構(gòu)型，可以成為一種分系統(tǒng)共享式啟動(dòng)電流抑制電路構(gòu)型的參考設(shè)計(jì)，符合標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化的設(shè)計(jì)思路，從而簡(jiǎn)化了單機(jī)啟動(dòng)電流抑制電路設(shè)計(jì)。該構(gòu)型目前已應(yīng)用在多個(gè)衛(wèi)星項(xiàng)目中，包括上文提到的那個(gè)衛(wèi)星項(xiàng)目在內(nèi)，已有兩個(gè)成功發(fā)射，一直運(yùn)行良好，另外幾個(gè)正處于研制中，在這些應(yīng)用中，啟動(dòng)電流抑制電路的電路原理、組成等完全一致，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間，提高了研制效率。

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(編輯：李多)

Design of Parallel Circuit Suppressing Inrush Current for Satellite-borne Electronic Devices

WU Yutian SUN Jili YU Weidong

(Institute of Electronics，Chinese Academy Sciences，Beijing 100190，China)

In view of the difficulty of standardization,serialization and so on in current common inrush current suppressing circuits,a parallelled circuit suppressiing inrush current is proposed in this paper.The characteristics of the circuit and its suitable situation is analyzed in detail.Through a practical case of the circuit in a certain satellite payload devices,it is verified that the circuit can effectively reduce the inrush current of the payload subsystem when it is powered on.The results show that the circuit can be used as a shared circuit suppressing inrush current for each device in centralized power distribution device based inhibit function.The results also provide reference for similar design.

inrush current;parellel circuit suppressing inrush current;shared circuit suppressing inrush current

2017-05-08；

2017-05-25

國家重大航天工程

吳玉田，男，碩士，從事星載設(shè)備供配電技術(shù)研究。Email：ytwu001@mail.ie.ac.cn。

TM464

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.010