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[经验] 开关电源及PWM单端反激式充电器

2019-8-11 20:59:14  437 开关电源 PWM
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引言
开关电源按控制方式分为两种基本形式:一种是脉冲宽度调制(PWM),其特点是固定的开关频率,通过改变脉冲宽度来调节占空比;另一种是频率调节(PFM),其特征是固定宽度,利用改变开关频率的方法来调节占空比。二者的电路不同,但都属于时间比率控制(TGC)方式,其作用效果一样,均可达到稳定的目的。目前开关电源大多数采用PWM方式。
随着电子技术的发展,出现了多种PWM技术,其中包括:相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等,而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法,它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。
1  设计内容
本次课程设计为PWM脉冲宽 度调制充电器,用单端反激变换器。课程设计主要步骤有方案选择方案设计,充电器分析,主电路分析,相关计算。在市面上,现在有许多的充电设计方案,如:正负式、二段式、三段式和全智能脉冲充电器等,其中三段智能充电器用户较多。我们本次方案为三段式的。

1.1  参数指标

1.2  技术要求
对于这次充电器我们要能够对电瓶车的进行三段式,三段式充电器的充电模式是把充电过程分为恒流、恒压、浮充三个充电阶段。并且具有电池检测部分和电网电压波动的保护电路,可以进行过流保护,和输出端短路保护。
电动自行车是集蓄电池技术,电力电子技术,电动机技术,和精密传动技术于一体的新型特种自行车,因其无污染,低噪音,低能耗,占道少,方便快捷等特点而成为国际上流行和大力推广的绿色私人交通工具。
2.1  方案设计


2.1.1 整流滤波电路
整流滤波电路,有半波整流,桥式整流,变压器中心抽头式整流。还分有的器件的类型不控型、半控型、全控型。滤波有电容滤波,电感滤波,还有Π型滤波。
为了可以的到较好的整流我们采用不控型桥式电容滤波整流。由于电瓶车充电器充电功率一般回有200W左右。所以二极管我们就不用堆栈式的,采用直插式的,能够更好的扇热。
2.1.2  开关管的选择
开关管的的类型主要分半控型、全控型。如晶闸管GTO, GTR, IGBT, MOSFET等。而IGBT是绝缘栅双极场效应管,为电压控制电流,栅控器件,其工作频率比普通的双极器件高,电流处理能力比MOSFET要强,一般用于中高频中高压领域。功率MOSFET由于是单极型器件,电流处理能力相对较弱,但由于其在开关过程中,没有载流子存储的建立与抽取,其频率特性好,用于高频低压领域。
本次电瓶车充电器是高频变压的,在对管子选择,我们选择频率性好的MOSFET开关管。价格也较为合适。

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file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps4.jpg
2.1.3  高频变压电路
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常用的开关电源式充电器又分半桥式和单激式两大类,单激类又分为正激式和反激式两类。半桥式成本高,性能好,常用于带负脉冲的充电器;单激式成本低,市场占有率高。但也有少数采用PFM方式。PWM方式电路的工作原理:
若用T表示开关的脉冲周期,file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps7.jpg表示其导通时间,n表示高频变压器的变比,在脉冲周期一定的前提下,功率变换器的最后输出电压file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps8.jpg 和输入电压file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps9.jpg的关系可用式(2-1)表示:
                                                        file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps10.jpg                                              2-1)
(2-1)表明,开电源的输入电压或出电发生变化时,如电网电压升高或负载变化使输出电压高或降低时,只要适当控制占空比,可以使输出电压file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps11.jpg保持不变。控制电路的作用就是实现这个功能,脉宽制器是这类开关电的核心,它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号,以控开关器件的通断状态,从调节输出电压的高低,达到稳压的目的。锯齿发生用于提供恒定的时钟频率信号利用误差放大器和PWM比较器形成闭环调压系统。如果由某种原因使file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps12.jpg升高,脉宽制器就号的脉冲宽度,亦即改变开关的占空比D,使斩波后的平均住电压下降,反之亦然
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buck变换器与单端正激。图2-1-3中(a)图为buck电路。但是我们充电器的输入电压整流后电压约为300V,对蓄电池和人都有潜在的危险,因此需要对buck变换器进行改变,改为图2-1-3中(b),加入隔离变压器,进行电的隔离,只有磁的联系。图2-1-3中(b)
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为单端正激变换器。由我们学习过的电力电子技术课本得到单端正激:       
                                                                file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps16.jpg                      5-1)
而单端反激DC/DC变换器2-1-3c)如下
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps17.png
在图2-1-3c),变压器T1起隔离和传递储存能量的作用,即在开关管Q开通时Np储存能量,开关管Q关断时Np向Ns释放能量。在输出端要加由电感器L和电容C。组成一个低通滤波器,变压器初级有CrRr和file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps18.jpg组成的RCD漏感尖峰吸收电路。输出回路需有一个整流二极管VD1。若变压器使用有气隙磁芯,其铜损较大,变压器的温度相对较高,并且其输出的纹波电压比较大。但其优点是电路结构简单,适用于200W以下的电源,且多路输出交调特性相对较好。
本次课程方案我们选择为单端反激变换器。首先选择变压器可以进行隔离,把高压侧和低压侧进行变压器隔离。防止因为外界等因素影响,造成爆炸等危害。变压器既具有储能,变压和隔离的功能。其次因为反激式的优点是电路简单,体积也相对来说比较小。主要的是反激式的电源输出电压受占空比的调节幅度,相对于正激式开关电源来说要高很多。反激式开关电源多用于多路输出的场合。
2.1.4  控制电路
控制电路是对控制这电路的运行状态的部分。主要是产生脉冲控制开关管的通断,三端式充电恒流、稳压和涓流充电。也能对充电电量的显示,及电源的各种保护,如电网电压的波动,负载短路,负载不匹配(不是对应充电器的蓄电池组)等检测。
采用集成元件,体积小,电路结构简单,便于设计。控制电路对功率要求不大。产生PWM脉冲调制相关的的集成器件有UC3842,UC3843等。
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file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps22.jpg
为了设计简单我们采用UC3843集成块,来控制MOSFET管的通断。对检测蓄电池组集成块有LM339为4个电压比较器。价格也较为合适。
3  充电器相关参数设计
3
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file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps24.png
.1  整流电路的计算、元件参数选择:
而滤波电容的大小选取如下:
对于整流滤波电路,桥式全波整流滤波带负载的输出电压公式:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps25.jpg
每个二极管承受的最大反向电压:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps26.jpg
为了考虑1.5file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps27.jpg2的余量:file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps28.jpg
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps29.jpg
为得到平滑的负载电压:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps30.jpg
由此得到滤波电容:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps31.jpg
若考虑电网电压波动,则电容承受的最高电压为:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps32.jpg
根据上面的计算结果,滤波电容应选用标称为68uF 400V的电解电容。经过工频交流电滤波电路滤波后的工频电压通过整流二极管D1~D4全桥整流,再经过滤波电容E1滤波。通过查找二极管的参数可以了解到IN5399的最高反向峰值电压为1000V,平均整流电流为5A,最大峰值浪涌电压一般为1.5A,最大反向漏电流为5A,通过比较发现,符合作为充电器的高速整流用。
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file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps34.jpg
3.2  RCD箝位电路作用,参数计算与选择
该电路用于限制MOSFET关断时,高频变压器漏感的能量引起的尖峰电位和次级线圈反射电压的叠加,叠加的电压产生在MOS管由饱和转向关断的过程中,漏感中的能量通过VD向C6充电,C6上的电压可能冲到反电动势与漏感电压的叠加值。
C6作用:将该部分的能量吸收掉,其容量大小:
单端反激电路漏感Le一般在40uH到100uH之间,这里取60uH计算。
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VD的选择:耐压值要超过叠加值的10%。电流要大于输入电流的平均值的10%。因此,选择800V,3A的二极管。选择为IN5399二极管。
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file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps38.png
3.3  UC3842各管脚电位、元件参数的计算、选择
1脚:1脚是误差放大器的输出端,误差放大输出约为3.4V。
2脚:反馈电压输入端,此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较,产生误差电压,从而控制脉冲宽度。误差放大器反相输入端约为2.4V。
因为电路原因,UC3842的2脚和1脚之间通常会有补偿网络,通过电阻和电容来补偿。
两者大小不会太大,所以C1=10nF,R3=10kΩ。
3脚:电流检测输入端,当检测电压超过1V时,缩小脉冲宽度,使电源处于间歇工作状态,该脚产生大概0.1V的电压。
因为干扰问题,所以UC3842的电流取样端3脚为防止干扰,在后面接RC滤波器。
由于3脚干扰信号为高频,若选用电容较大,那在使用中,会因它电解液的频繁极化而产生较大热量,而较高的温度将使电容内部的电解液气化,电容内压力升高,最终导致电容的鼓包和爆裂。所以这里我们选用100pF的电解电容作为滤波。
4脚:定时端,内部振荡器的工作频率由外接阻容时间常数决定:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps39.jpg
为了使频率在300kHz,所以电阻R4选择如下:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps40.jpg
6脚:6脚为推挽输出端,内部为图腾柱式,上升、下降时间仅为50ns,驱动能力为正负1A,根据电路可知,该电流为正,假设此时电流正好为1A,驱动输出电压为2V,根据N沟道结型场效应的特性:file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps41.jpg大于一定的值就会导通,适用于源极接地。因为6脚电位本身就不高,那么file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps42.jpg的阻值要远大于R8,才能分去更多的电压,才能满足MOS管的导通要求。所以R8、R9的取值分别为15Ω、10kΩ。
7脚:国产的电源PWM控制电路最常用的集成电路型号就是UC3842,经查阅它的7脚电压在10V到17V之间波动,因为整流滤波电路供给的电压达到近300V左右,又因为让芯片UC3842启动的电流在0.5mA到1mA之间,那么在电阻R5上的电流必须大于它既可,而它的电流又不能太大,则可推断出R5的阻值必定很大,若取1.5mA的电流供给芯片启动,则:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps43.jpg
8脚:基准电压输出,可以输出的精确的+5V电压,电流可达0.05A
C2是个滤除8脚与4脚之间产生的不必要信号,这里取100nF。
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file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps45.png
3.4  MOSFET管的选择
最大占空比file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps46.jpg因为不能超过50%,因此这里取40%用于计算,后面同样。
耐压选择:
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耐电流选择:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps48.jpg
所以这里选择SSS5N80的MOSFET管,额定值分别为:800V  2.7A  42W
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file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps50.jpg
3.5  变压器的选择、计算
开关频率file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps51.jpg80kHZ,效率file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps52.jpg,最大占空比file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps53.jpg,输入电压范围file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps54.jpg,输出电压file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps55.jpg,输出电流file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps56.jpgK=0.4,输出二极管管压降取1V,辅助二极管管压降file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps57.jpg1V。
输入功率:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps58.jpg
输入电流平均值:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps59.jpg
初级电感量:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps60.jpg
纹波电流:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps61.jpg
变压器中还必须开有一定的气隙,原因为,在反激变换器中,变压器起着电感和变压器的双重作用,因而变压器磁芯处于直流偏激状态,为防止磁饱和,因此加入气隙。
由于变压器工作在高频情况下,铁芯损耗大,所以选用价格便宜,装配方便的铁氧体铁芯。
在选择铁芯结构时,考虑到铁芯漏磁小,变压器绕制维护,散热等条件,这里选用EI型,变比为6,额定容量为4000VA。
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file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps63.jpg
3.6  次级半波整流滤波电路的参数选择与计算
由于前面已经经过全波整流滤波了,再经过变压器互感过来的波形,就相当于一个脉动成分很小,较为平滑的直流电。若输出电压file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps64.jpg=60。为降低输出整流损耗,次级整流二极管一般选用肖特二极管,它有较低的正向导通压降file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps65.jpg,能通过较大的输出电流。
输出整流二极管的耐压值:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps66.jpg
二极管的平均电流:file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps67.jpg
峰值电流值:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps68.jpg
次级滤波电容:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps69.jpg
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file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps71.jpg
纹波电流:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps72.jpg
平均电流:
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps73.jpg
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综上所述,整流二极管IN5399,滤波电容为63V 330uf的电解电容。
4  电瓶车充电器分析
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps75.png
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps76.png本次课程设计有UC3843和LM339构成的充电器,由电源控制芯片UC3843和相关元件构成功率变换电路,LM339和相关元件构成充电和显示部分电路。由上面参数及计算分析,画出下面充电器原理图
4.1  原理图的分析
4.1.1  主要元器件功能介绍
该充电器以UC3843驱动场效应管和相关元器件构成功率交换器部分U1UC3843为脉宽调制集成电路,其5脚为电源地,7脚为电源正极,6脚为脉冲输出直接驱动场效应管T(5N80),3脚为最大电流限制,2脚为电压反馈,4脚外接振荡电阻R4和振荡电容C3。FU是电源保险管,RT1是负温度系数敏电阻, DB1-DB4是整流二极管,R17(3W.1)是电流取样电阻,光电合器PC、LM339四运算放大器和相关元器件构成电压检测的控制部分,来实现三阶段充电式。
4.1.2  市电整流滤波电路
当充电器插上市电220V后,该电压经保险管FU和负温度系数热敏电阻RT1后,过桥整流二极管DB1-DB4整流,由电容E1滤波形成300V左右的直流电压。
4.1.3  启动电路
电压分两路,一路通过开关变压器的一次绕组L1加到开关管VT1(5N80)的D极,给开关管供电;另一路经启动电阻R5(2W/200k0)后降压为8.5V电压为UC3843的7脚供电,UC3843开始工作
4.1.4  功率换电路
UC3843供电后工作,它内部的基准电压发生器产生5V的电压从UC3843的8脚输出该电压不仅为光电耦合器PC内的光敏三极管供电,而且经电阻R4、电容C3与UC38434脚内的振荡器,从UC3843的6脚输出,过电阻R8驱动开关管V工作。VT1工作在导通截止状态下。VT1导通时,开关变压器存储能量;VT1截止时,开关变压器的二次绕组产生脉冲电压经整流滤波后,为后级负载供电。
开关变压器二次绕组L2输出的脉冲电压经电阻R7限流、二极管VD1整流、电容E2滤波产生的直流电压,加到UC3843的7脚,取代动电路为UC3843接着供电。
开关变压器二次绕组L3输出的脉冲电压经二极管VD3整流,电容E5滤波产生的直流玉分两路,一路为被充电的蓄电池充电,另一路为误差取样电路供电。吸收电路由VD3、C7、R11、E5构成,作用是吸收变压器输送过来的尖峰电压。
开关变压器次级绕组L4输出的脉冲电压经二极管VD4整流、电容E3滤波产生的直流电压分四路。一路为LM339供电;另一路加到光电合器PC的1脚为它内部的发光二极管供电;第三路过电阻R32后加到V3的C极,为指示灯电路供电;第四路过限流电阻R20在稳压管VS1两端产生5V的基准电压。5V电压不LM339的5脚提供基准电压,且过电阻R21R22R23后,为LM339的5即,7脚,9脚、10脚供参考电压
4.1.5  充电状态指示电路
充电、示控制电路由四个电压比较器LM339,取样电阻R17(3W/0.1Ω)和发光极管VL构成
开关变压器二次绕组L3输出的脉冲电压经二极管VD3整流,电容E5滤波产生的直流电压为被充电的蓄电池充电
蓄电池刚充电时,充电电流较大,取样电阻R17和VD9两端产生的压降较大。该电压过电阻R35使LM339的11输入的电压高于10脚的电压,于是LM339的13脚输出高电平,该电压过电阻R33使三极管VT3导通,三极管E极输出电压使VL内的红色发光二极管发光,表明充电器在恒流充电阶段
随着被充蓄电池两端电压升高,充电电流连渐减小,取样电阻R17VD9两端逐渐降低。使LM339的11脚电压大于10,13脚输出低电平,一路使VT3截止,并使VL内红色发光二极管熄灭,表示恒流充电结束;另一路过电阻R31使V2导,VL内的绿色发光二极管供电,使其发光,表明充电器进入恒压充电阶段。
4.1.6  稳压控制电路
稳压控制电路由电源主芯片UC3843、光电合器PC,电压比较器LM339和误差取样电路构成。
当由于某种原因引起开关电源输出电压下降时,滤波电容E3两端的电压降低,光电耦合器PC1脚输入的电压下降,此时E4,E5两端电压经R16,R14,RP2,R19、R20取样后,过R37为LM339的8脚提供低于5.1V的取样电压,过比较器C后使LM339的14脚输出电压升高。使光电合器PC的2脚电位升高,它内部的发光二极管导通电流减小而发光变弱,光敏三极管的导通程度下降,为UC38432即提供的误差电压变小,使UC38436即输出激脉冲占空比增大,开关管VT1导通时间延长,开关变压器存储能量增大,使开关变压器输出电压升高到正常值,实现稳压控制。若开关电源输出电压升高时,控制过程相反可满电阻RP2可以改变开关电源输出电压的高低
5  元件清单
名称
符号
标称值
UC集成器
UC3843
四运算放大器
LM339
电阻
R1,R12,R20,R30
5.1K
电阻
R2, R3,R18,R24,R26
10K
电阻
R4
电阻
R5
200K/2W
电阻
R6,R33,R35,R31
100K
电阻
R7
10
电阻
R8
电阻
R9
2K
电阻
R10
0.68
电阻
R11,R38
100
电阻
R13,R32,R25,R27
1K
电阻
R14
1.2K
电阻
R15
2.7K
电阻
R16
9.1K
电阻
R17
0.1/3W
电阻
R19
3.9K
电阻
R21
300K
电阻
R22
820
电阻
R23
232
电阻
R28
9.1K
电阻
R29
51K
电阻
R36
1.5K
电解电容
E1
68μ/400V
电解电容
E2
100μ/50V
电解电容
E3
100μ/25V
电解电容
E4, E5
330μ/63V
陶瓷电容
C1
10n
陶瓷电容
C2,C4,C9,C10,C11,C14
100n
陶瓷电容
C3
4.7n
陶瓷电容
C5
100
陶瓷电容
C6
22n/630
陶瓷电容
C7
150
陶瓷电容
C8,C13
47n
发光二极管(红,绿)
VL1,VL2
二极管
DB1,DB2,DB3,DB4
IN5399/1000V
二极管
VD9
IN5408
二极管
VD1-VD8
IN5399/1000V
保险管
FU
热敏电阻
RT1
RP2
200
稳压管
VS1
5V
NPN三极管
VT3
S9014
PNP三极管
VT2
S9015
MOSFET开关管
VT1
SSS5N80
高频变压器
T
PQ3230-48V
6
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps77.png
file:///C:\Users\17426\AppData\Local\Temp\ksohtml4064\wps78.png
  PWM充电器原理图
7  参考文献

相关经验

王栋春 2019-8-11 22:58:00
楼主你的图片挂了
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npwjm 2019-8-12 08:40:33
谢谢楼主的分享
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