'[HARDWARE]/POWER'에 해당되는 글 5건
- 2012.02.16 DC-DC CONVERTER에서 L과 C의 값을 선정하는 방법 - ② 5
- 2012.02.13 DC-DC CONVERTER에서 L과 C의 값을 선정하는 방법 - ① 7
- 2011.01.17 DC-DC STEP UP CONVERTER의 원리 2
2012. 2. 16. 13:12
이번 포스트는 DC-DC CONVERTER를 사용할 때 적절한 인덕터와 콘덴서의 값을 선정하는 방법에 대해
다루려고 한다.
DC-DC CONVERTER의 원리에 대해 이전의 포스트를 참고, 숙지한 뒤 본 포스트를 이해하는것이 좋겠다.
☞ DC-DC STEP DOWN CONVERTER의 원리
☞ DC-DC STEP UP CONVERTER의 원리
상기의 포스트들에 대한 숙지가 되었으면 본론으로 들어가보자.
포스트를 작성하다보니 내용이 생각보다 길어져서 본 포스트에선 콘덴서의 선정에 대해서만 논의
하겠다.
인덕터의 선정에 대해선 이전 포스트를 참고 하자.
☞ DC-DC CONVERTER에서 L과 C의 값을 선정하는 방법 - ①
본 포스트의 내용은 약간의 공식들과 계산식이 포함되어 있어서 복잡하고 어려운 내용이 아닌가 하는
느낌을 받을 수도 있다.
하지만 제가 이해하고 쓴 내용이니 절대로 어려운 내용이 아니다.
어려워 하지 말고 차근히 포스트를 읽어보면 누구나 이해 할 수 있다.
계산식들은 '아... 그런가보다' 하고 넘어가고 필요할 때가 오면 그 때 가서 공식에 대입해 보고
계산해 보면 되겠다.
먼저 아래의 회로를 훑어보자.
위 회로의 설계자는 L1을 왜 10uH로 했고 C2를 왜 10uF으로 선정하였는가?... 이에 대한 답을 찾아보자.
1. C값의 선정
DC-DC CONVERTER의 datasheet에 보면 C2부품의 선정에 대해 세라믹이나 탄탈, LOW ESR 콘덴서를
아주 강력하게 recommend한다.
도대체 메이커들은 왜 그런 문구를 넣는 것인가? 그런 부품은 비싼데...
C2의 역할은 출력되는 DC전압을 일정하게 유지하는 것이기 때문에 DC-DC CONVERTER의 특성과
매우 큰 관계가 있기 때문이다.
2. C값을 구하는 공식
V = I*R에서 △VO = △IL*R이므로
C2가 일반 콘덴서일 경우는 다음의 식에서 C값을 구할 수 있다.
C2가 low ESR 콘덴서일 경우는 다음의 식에서 C값을 구할 수 있다.
△VO : 출력 전압의 변동 폭
△IL : 인덕터에서 발생하는 전류 리플
ESRCO : C2의 ESR성분
f : DC-DC의 switching 주파수
CO : 우리가 구하려는 C2의 CAPACITANCE
즉 출력 전압의 변동폭은 C2의 ESR값에 비례하고 CO값에 반비례한다는 중요한 사실을 알 수 있다.
다루려고 한다.
DC-DC CONVERTER의 원리에 대해 이전의 포스트를 참고, 숙지한 뒤 본 포스트를 이해하는것이 좋겠다.
☞ DC-DC STEP DOWN CONVERTER의 원리
☞ DC-DC STEP UP CONVERTER의 원리
상기의 포스트들에 대한 숙지가 되었으면 본론으로 들어가보자.
포스트를 작성하다보니 내용이 생각보다 길어져서 본 포스트에선 콘덴서의 선정에 대해서만 논의
하겠다.
인덕터의 선정에 대해선 이전 포스트를 참고 하자.
☞ DC-DC CONVERTER에서 L과 C의 값을 선정하는 방법 - ①
본 포스트의 내용은 약간의 공식들과 계산식이 포함되어 있어서 복잡하고 어려운 내용이 아닌가 하는
느낌을 받을 수도 있다.
하지만 제가 이해하고 쓴 내용이니 절대로 어려운 내용이 아니다.
어려워 하지 말고 차근히 포스트를 읽어보면 누구나 이해 할 수 있다.
계산식들은 '아... 그런가보다' 하고 넘어가고 필요할 때가 오면 그 때 가서 공식에 대입해 보고
계산해 보면 되겠다.
먼저 아래의 회로를 훑어보자.
위 회로의 설계자는 L1을 왜 10uH로 했고 C2를 왜 10uF으로 선정하였는가?... 이에 대한 답을 찾아보자.
1. C값의 선정
DC-DC CONVERTER의 datasheet에 보면 C2부품의 선정에 대해 세라믹이나 탄탈, LOW ESR 콘덴서를
아주 강력하게 recommend한다.
도대체 메이커들은 왜 그런 문구를 넣는 것인가? 그런 부품은 비싼데...
C2의 역할은 출력되는 DC전압을 일정하게 유지하는 것이기 때문에 DC-DC CONVERTER의 특성과
매우 큰 관계가 있기 때문이다.
2. C값을 구하는 공식
V = I*R에서 △VO = △IL*R이므로
C2가 일반 콘덴서일 경우는 다음의 식에서 C값을 구할 수 있다.
C2가 low ESR 콘덴서일 경우는 다음의 식에서 C값을 구할 수 있다.
△VO : 출력 전압의 변동 폭
△IL : 인덕터에서 발생하는 전류 리플
ESRCO : C2의 ESR성분
f : DC-DC의 switching 주파수
CO : 우리가 구하려는 C2의 CAPACITANCE
즉 출력 전압의 변동폭은 C2의 ESR값에 비례하고 CO값에 반비례한다는 중요한 사실을 알 수 있다.
위의 수식 뒷 부분에 있는 1/(8*f*CO)는 콘덴서의 용량성 리액턴스인 XC(f)=1/(2πfc)[Ω]로서 콘덴서가
가지는 저항 성분이다.
콘덴서는 높은 주파수일수록 XC(f)가 낮아지므로 고주파를 pass시킬 수 있다는 사실을 학교에서
배웠다. 기억을 더듬어보자.
3. C값을 구하는 실제 계산
일반적인 저가의 콘덴서를 사용했다고 할 때 C값에 따라서 △VO이 얼마가 나오는지 계산해 보자.
참고로 일반적인 콘덴서의 ESR값은 wikipedia에 다음과 같이 나와있다.
[위의 ESR표에서 10uF의 일반적인 알루미늄 콘덴서를 사용했을 경우]
ESRCO : 0.5Ω (표에선 0.1Ω~3Ω의 범위이나 아래 계산의 기준과 일치를 위해 0.5Ω으로 선정)
CO : 10uF
△IL : 1.2A (3A의 40%로 설정)
f : 340KHz
△VO = 644mV가 나온다.
[위의 ESR표에서 100uF의 일반적인 알루미늄 콘덴서를 사용했을 경우]
ESRCO : 0.5Ω
CO : 100uF
△IL : 1.2A (3A의 40%로 설정)
f : 340KHz
△VO = 604mV가 나온다.
CO의 값을 10배로 늘려도 △VO는 얼마 줄어들지 않았다.
만일 low ESR 콘덴서를 사용했다고 한다면 C값에 따라서 △VO이 얼마가 나오는지 계산해 보자.
[위의 ESR표에서 10uF의 세라믹 콘덴서를 사용했을 경우]
ESRCO : 0.015Ω
CO : 10uF
△IL : 1.2A (3A의 40%로 설정)
f : 340KHz
△VO = 62mV가 나온다.
4. 결론
맨 위에 있는 회로도에서 C2를 일반 100uF콘덴서를 사용하면 △VO은 644mV가 되지만 10uF 세라믹
콘덴서로 사용하면 △VO은 62mV가 된다.
그러므로 △VO을 줄이기 위해선(출력 전압의 변동폭을 줄이기 위해선) 콘덴서의 용량을 늘리기보단
가장 큰 요인인 ESR값이 작은 콘덴서를 사용해야겠다.
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2012. 2. 13. 13:45
이번 포스트는 DC-DC CONVERTER를 사용할 때 적절한 인덕터와 콘덴서의 값을 선정하는 방법에 대해
다루려고 한다.
DC-DC CONVERTER의 원리에 대해 이전의 포스트를 참고, 숙지한 뒤 본 포스트를 이해하는것이 좋겠다.
☞ DC-DC STEP DOWN CONVERTER의 원리
☞ DC-DC STEP UP CONVERTER의 원리
상기의 포스트들에 대한 숙지가 되었으면 본론으로 들어가보자.
포스트를 작성하다보니 내용이 생각보다 길어져서 본 포스트에선 인덕터의 선정에 대해서만 논의
하겠다.
콘덴서의 선정에 대해선 다음 포스트를 참고 하자.
☞ DC-DC CONVERTER에서 L과 C의 값을 선정하는 방법 - ②
본 포스트의 내용은 약간의 공식들과 계산식이 포함되어 있어서 복잡하고 어려운 내용이 아닌가 하는
느낌을 받을 수도 있다.
하지만 제가 이해하고 쓴 내용이니 절대로 어려운 내용이 아니다.
어려워 하지 말고 차근히 포스트를 읽어보면 누구나 이해 할 수 있다.
계산식들은 '아... 그런가보다' 하고 넘어가고 필요할 때가 오면 그 때 가서 공식에 대입해 보고
계산해 보면 되겠다.
먼저 아래의 회로를 훑어보자.
위 회로의 설계자는 L1을 왜 10uH로 했고 C2를 왜 10uF으로 선정하였는가?... 이에 대한 답을 찾아보자.
1. L값의 선정
인덕터 값을 선정하는 기준은 무엇인가?
- 부하가 최대일 때
- 인덕터에서 발생하는
- 전류 리플의 범위
이것이 L값의 선정 기준이 되는 것이다.
2. L값을 구하는 공식
전류 리플의 변화값은 다음의 식으로 구할 수 있다.
△IL : 인덕터에서 발생하는 전류 리플
L : 우리가 구하려는 인덕터의 인덕턴스
fSW : DC-DC의 switching 주파수
D : Vout/Vin
3. L값을 구하는 실제 계산
인덕터에서 발생하는 전류 리플의 허용을 40%로 제한하자.
DC-DC의 최대 출력이 3A이므로 △IL은 1.2A (3A의 40%값), fSW는 340KHz, Vout은 3.3V, Vin은
12V라고 하면
위의 식은
1.2A = 8.7V * 0.275V / L * 340KHz 로 나타나며 L은 5.8uH가 된다.
이 결과의 의미는 인덕터를 최소 5.8uH짜리를 써야 인덕터에 걸리는 전류의 리플 성분이 1.2A를
벗어나지 않음을 의미 한다.
그리고 한 가지 더... 인덕터에 걸리는 전류를 고려해야 한다.
허용 전류가 낮은 인덕터를 사용한다면 인덕터가 파손되거나 엄청난 열이 발생할 것이다.
해당 관계식은 다음과 같다.
3.6A짜리 인덕터를 사용해야 한다는 의미이다.
쉽게 말하자면 3A짜리 DC-DC를 선정했고 전류 리플 마진을 40%로 했으니까 인덕터의 전류 특성이
3A + 1.2A/2는 되어야 한다는 것이다.
왜 1.2A를 2로 나누었을까?
1.2A는 전류 ripple의 peak to peak 값이므로 3A를 기준으로 ±0.6A이기 때문이다.
즉, 3A + 최대 3A의 40% ripple -> 3A ±0.6A -> 최대 3.6A
4. 결론
위에서 설명된 내용대로 L1은 5.6uH/3.6A짜리를 사용해야 하며 범용 부품의 사용, 마진등을 고려하여
10uH/4A짜리가 사용된 것이다.
인덕턴스가 커지면 인덕터는 비싸지고 사이즈도 커진다.
그렇다면 인덕턴스 값을 줄이려면 어떻게 해야할까?
fsw가 커져야 한다. 즉 DC-DC의 switching 주파수가 높은 제품을 선정해야 하는 것이다.
다루려고 한다.
DC-DC CONVERTER의 원리에 대해 이전의 포스트를 참고, 숙지한 뒤 본 포스트를 이해하는것이 좋겠다.
☞ DC-DC STEP DOWN CONVERTER의 원리
☞ DC-DC STEP UP CONVERTER의 원리
상기의 포스트들에 대한 숙지가 되었으면 본론으로 들어가보자.
포스트를 작성하다보니 내용이 생각보다 길어져서 본 포스트에선 인덕터의 선정에 대해서만 논의
하겠다.
콘덴서의 선정에 대해선 다음 포스트를 참고 하자.
☞ DC-DC CONVERTER에서 L과 C의 값을 선정하는 방법 - ②
본 포스트의 내용은 약간의 공식들과 계산식이 포함되어 있어서 복잡하고 어려운 내용이 아닌가 하는
느낌을 받을 수도 있다.
하지만 제가 이해하고 쓴 내용이니 절대로 어려운 내용이 아니다.
어려워 하지 말고 차근히 포스트를 읽어보면 누구나 이해 할 수 있다.
계산식들은 '아... 그런가보다' 하고 넘어가고 필요할 때가 오면 그 때 가서 공식에 대입해 보고
계산해 보면 되겠다.
먼저 아래의 회로를 훑어보자.
위 회로의 설계자는 L1을 왜 10uH로 했고 C2를 왜 10uF으로 선정하였는가?... 이에 대한 답을 찾아보자.
1. L값의 선정
인덕터 값을 선정하는 기준은 무엇인가?
- 부하가 최대일 때
- 인덕터에서 발생하는
- 전류 리플의 범위
이것이 L값의 선정 기준이 되는 것이다.
2. L값을 구하는 공식
전류 리플의 변화값은 다음의 식으로 구할 수 있다.
△IL : 인덕터에서 발생하는 전류 리플
L : 우리가 구하려는 인덕터의 인덕턴스
fSW : DC-DC의 switching 주파수
D : Vout/Vin
3. L값을 구하는 실제 계산
인덕터에서 발생하는 전류 리플의 허용을 40%로 제한하자.
DC-DC의 최대 출력이 3A이므로 △IL은 1.2A (3A의 40%값), fSW는 340KHz, Vout은 3.3V, Vin은
12V라고 하면
위의 식은
1.2A = 8.7V * 0.275V / L * 340KHz 로 나타나며 L은 5.8uH가 된다.
이 결과의 의미는 인덕터를 최소 5.8uH짜리를 써야 인덕터에 걸리는 전류의 리플 성분이 1.2A를
벗어나지 않음을 의미 한다.
그리고 한 가지 더... 인덕터에 걸리는 전류를 고려해야 한다.
허용 전류가 낮은 인덕터를 사용한다면 인덕터가 파손되거나 엄청난 열이 발생할 것이다.
해당 관계식은 다음과 같다.
3.6A짜리 인덕터를 사용해야 한다는 의미이다.
쉽게 말하자면 3A짜리 DC-DC를 선정했고 전류 리플 마진을 40%로 했으니까 인덕터의 전류 특성이
3A + 1.2A/2는 되어야 한다는 것이다.
왜 1.2A를 2로 나누었을까?
1.2A는 전류 ripple의 peak to peak 값이므로 3A를 기준으로 ±0.6A이기 때문이다.
즉, 3A + 최대 3A의 40% ripple -> 3A ±0.6A -> 최대 3.6A
4. 결론
위에서 설명된 내용대로 L1은 5.6uH/3.6A짜리를 사용해야 하며 범용 부품의 사용, 마진등을 고려하여
10uH/4A짜리가 사용된 것이다.
인덕턴스가 커지면 인덕터는 비싸지고 사이즈도 커진다.
그렇다면 인덕턴스 값을 줄이려면 어떻게 해야할까?
fsw가 커져야 한다. 즉 DC-DC의 switching 주파수가 높은 제품을 선정해야 하는 것이다.
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2011. 1. 17. 17:46
이전 포스트에서 전원 공급소자인 DC-DC converter의 종류와 DC-DC step down converter의 동작 원리에
대해 알아보았다.
☞ DC-DC STEP DONW CONVERTER의 원리
이번에는 입력전압보다 높은 출력전압이 필요할 경우 적용하게 되는 step up converter에 대하여
알아보자.
[STEP UP CONVERTER의 종류]
- BOOST 방식
- CHARGE PUMP 방식
먼저 boost 방식의 step up converter에 대해서 알아보자.
[BOOST방식 STEP UP CONVERTER의 구성]
Gate Driver 부분이다.
DC-DC step down converter와 마찬가지로 FET가 들어있고 이 FET를 ON/OFF하는 Gate Driver가 있다.
그리고 Gate Driver의 내부엔 oscillator와 rs flip flop이 들어있다.
언뜻 보면 step down converter와 구조가 비슷하지만 자세히 보면 FET의 위치, VOUT의 출력 부분이
다르다는 것을 알 수 있다.
[BOOST방식 STEP UP CONVERTER의 동작원리]
이 device에 전원이 들어가는 순서를 따라가면서 동작원리를 같이 확인해 보겠다.
먼저 주변 회로가 어떻게 구성되는지 살펴보자.
아래의 회로도는 TI社에서 나오는 TLV6XXXX의 typical application circuit이므로 참고만 하고 다른
step up converter device를 사용할 땐 해당 소자의 datasheet를 참고하여 L, C등의 value가 선택되어야
하겠다.
이 회로는 다음과 같은 등가회로로 나타낼 수 있다.
DC-DC step up converter는 위의 등가회로에서 2회의 cycle에 의해 입력보다 높은 출력 전압이 생성된다.
그 핵심 부분을 설명하고자 한다.
Cycle 1.
② D는 reverse biase가 된다.
③ L에 에너지가 축적된다.
Cycle 2.
② D는 forward biase가 된다.
③ L에 축적되어 있던 에너지가 D를 통과하여 출력된다.
PWM의 duty ratio에 의해서 발생하는 두개 cycle의 비율로 인해 출력 전압이 결정되는 것이다.
아래 그림은 위의 등가회로에서 L(inductor)에 전류가 충전/방전될 때 D(diode)에 흐르는 전류를 그래프로
보여준다.
윗 그래프가 inductor이고 아래 그래프가 diode에 흐르는 전류이다.
이들의 평균 전류가 곧 출력 전류가 되겠다.
Boost방식의 dc-dc step up converter 소자 안에 diode가 들어있는 모델도 있고 들어있지 않은 모델도
있으니 회로 구성시 고려해야 하겠다.
그리고 이 diode는 일반적으로 빠른 반응 속도를 위해 schottky diode가 recommend 된다.
여기까지가 Boost 방식의 dc-dc step up converter에 어떻게 전류가 축적되고 입력대비 높은 전압으로
출력되는지에 대한 원리가 되겠다.
DC-DC step down converter와 FET, L의 위치가 바뀌었을 뿐인데 전혀다른 출력이 나온다니 재미있지
않은가요...
이번엔 charge pump방식의 dc-dc step up converter에 대해 알아보자.
Charge pump방식의 step up converter는 원리가 아주 간단하다.
간단하다... 즉 내부 구조도 간단하여 device의 소형화가 가능하지만 높은 전류를 출력할 순 없다.
먼저 charge pump의 주변 회로도를 살펴보고 내부 구조를 확인 해 보자.
[CHARGE PUMP방식 STEP UP CONVERTER의 구성]
이 회로도는 National Semiconductor社에서 나오는 LM2XXX 제품의 application circuit이다.
여기서 C1을 주의 깊게 보자.
Charge pump방식의 dc-dc step up converter 내부엔 다음 그림과 같이 MOSFET으로 이뤄진 switch가
들어있다.
Boost 방식과 마찬가지로 2번의 cycle에 의해 출력 전압이 나오게 된다.
Cycle 1.
② 전원이 입력되어 C1에 V+ 전압이 충전된다.
Cycle 2.
② C1에 충전되어 있던 V+와 입력되는 V+가 합쳐져서 2V+가 출력된다.
C1에 에너지를 charge했다가 입력되는 에너지로 pump하여 출력으로 내보내는 것이다.
이렇게 해서 charge pump회로에서 어떻게 입력전압보다 높은 출력전압이 만들어지는지 그 과정을
살펴보았다.
별도의 voltage regulator회로가 없으면 출력은 입력의 정수배가 되며 그래서 charge pump 회로는
voltage doubler라고 불리기도 한다.
대해 알아보았다.
☞ DC-DC STEP DONW CONVERTER의 원리
이번에는 입력전압보다 높은 출력전압이 필요할 경우 적용하게 되는 step up converter에 대하여
알아보자.
[STEP UP CONVERTER의 종류]
- BOOST 방식
- CHARGE PUMP 방식
먼저 boost 방식의 step up converter에 대해서 알아보자.
[BOOST방식 STEP UP CONVERTER의 구성]
Gate Driver 부분이다.
DC-DC step down converter와 마찬가지로 FET가 들어있고 이 FET를 ON/OFF하는 Gate Driver가 있다.
그리고 Gate Driver의 내부엔 oscillator와 rs flip flop이 들어있다.
언뜻 보면 step down converter와 구조가 비슷하지만 자세히 보면 FET의 위치, VOUT의 출력 부분이
다르다는 것을 알 수 있다.
[BOOST방식 STEP UP CONVERTER의 동작원리]
이 device에 전원이 들어가는 순서를 따라가면서 동작원리를 같이 확인해 보겠다.
먼저 주변 회로가 어떻게 구성되는지 살펴보자.
아래의 회로도는 TI社에서 나오는 TLV6XXXX의 typical application circuit이므로 참고만 하고 다른
step up converter device를 사용할 땐 해당 소자의 datasheet를 참고하여 L, C등의 value가 선택되어야
하겠다.
이 회로는 다음과 같은 등가회로로 나타낼 수 있다.
DC-DC step up converter는 위의 등가회로에서 2회의 cycle에 의해 입력보다 높은 출력 전압이 생성된다.
그 핵심 부분을 설명하고자 한다.
Cycle 1.
② D는 reverse biase가 된다.
③ L에 에너지가 축적된다.
Cycle 2.
② D는 forward biase가 된다.
③ L에 축적되어 있던 에너지가 D를 통과하여 출력된다.
PWM의 duty ratio에 의해서 발생하는 두개 cycle의 비율로 인해 출력 전압이 결정되는 것이다.
아래 그림은 위의 등가회로에서 L(inductor)에 전류가 충전/방전될 때 D(diode)에 흐르는 전류를 그래프로
보여준다.
윗 그래프가 inductor이고 아래 그래프가 diode에 흐르는 전류이다.
이들의 평균 전류가 곧 출력 전류가 되겠다.
Boost방식의 dc-dc step up converter 소자 안에 diode가 들어있는 모델도 있고 들어있지 않은 모델도
있으니 회로 구성시 고려해야 하겠다.
그리고 이 diode는 일반적으로 빠른 반응 속도를 위해 schottky diode가 recommend 된다.
여기까지가 Boost 방식의 dc-dc step up converter에 어떻게 전류가 축적되고 입력대비 높은 전압으로
출력되는지에 대한 원리가 되겠다.
DC-DC step down converter와 FET, L의 위치가 바뀌었을 뿐인데 전혀다른 출력이 나온다니 재미있지
않은가요...
이번엔 charge pump방식의 dc-dc step up converter에 대해 알아보자.
Charge pump방식의 step up converter는 원리가 아주 간단하다.
간단하다... 즉 내부 구조도 간단하여 device의 소형화가 가능하지만 높은 전류를 출력할 순 없다.
먼저 charge pump의 주변 회로도를 살펴보고 내부 구조를 확인 해 보자.
[CHARGE PUMP방식 STEP UP CONVERTER의 구성]
이 회로도는 National Semiconductor社에서 나오는 LM2XXX 제품의 application circuit이다.
여기서 C1을 주의 깊게 보자.
Charge pump방식의 dc-dc step up converter 내부엔 다음 그림과 같이 MOSFET으로 이뤄진 switch가
들어있다.
Boost 방식과 마찬가지로 2번의 cycle에 의해 출력 전압이 나오게 된다.
Cycle 1.
② 전원이 입력되어 C1에 V+ 전압이 충전된다.
Cycle 2.
② C1에 충전되어 있던 V+와 입력되는 V+가 합쳐져서 2V+가 출력된다.
C1에 에너지를 charge했다가 입력되는 에너지로 pump하여 출력으로 내보내는 것이다.
이렇게 해서 charge pump회로에서 어떻게 입력전압보다 높은 출력전압이 만들어지는지 그 과정을
살펴보았다.
별도의 voltage regulator회로가 없으면 출력은 입력의 정수배가 되며 그래서 charge pump 회로는
voltage doubler라고 불리기도 한다.
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