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【我是工程師第四季】圖解法反激設(shè)計(jì)

反激的設(shè)計(jì)資料多是以公式的方式表述不夠形象,所以想用圖形的方式將公式表述出來(lái)。

  比如設(shè)計(jì)匝比時(shí)先確定占空比還是先確定反射電壓?見(jiàn)下圖(Vmax=300,Vmin=100Vo=5,f=60KHz

反射電壓與匝比

                                        1-1 反射電壓、占空比與匝比的關(guān)系

(a)是反射電壓、輸出二極管反向電壓與匝比的關(guān)系,匝比越大反射電壓越高輸出二極管反向電壓越小。

(b)是臨界、連續(xù)模式時(shí)占空比與匝比的關(guān)系,匝比越大臨界、連續(xù)模式的占空比越大。

占空比和反射電壓二者是相互關(guān)聯(lián)的,從上圖可以通過(guò)直觀(guān)的對(duì)比來(lái)選則一個(gè)匝比數(shù)比如取n=14,此時(shí)反射電壓Vor80V,占空比D0.45。如果匝比取n=21,此時(shí)反射電壓Vor120V,占空比D0.55,后者的效率會(huì)高一些不過(guò)需斜坡補(bǔ)償。后面再討論用圖形法分析斜坡補(bǔ)償和效率的問(wèn)題。

再比如上面的例子,分別取電感L=600uH和電感L=420uH,在匝比n=14的條件下看臨界功率曲線(xiàn).

臨界功率

                                        1-2 臨界功率曲線(xiàn)與匝比的關(guān)系

假設(shè)輸出功率為40W,圖(a)電感L=600uH低壓輸入時(shí)連續(xù)模式高壓輸入時(shí)斷續(xù)模式,圖(b)L=420uH全程工作于臨界或斷續(xù)模式。

后續(xù)的圖解分析大概包括變壓器設(shè)計(jì)、電容選取、紋波、小信號(hào)、效率分析、EMI設(shè)計(jì)等,期望能從這個(gè)過(guò)程中找出最優(yōu)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

輸入電容Cin01.rar

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斌520
LV.9
2
2018-02-05 20:40
全盤(pán)設(shè)計(jì)要是能再祥細(xì)些就好了,謝謝分享!
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2018-02-06 08:59
@斌520
全盤(pán)設(shè)計(jì)要是能再祥細(xì)些就好了,謝謝分享!
好的,盡力而為。
0
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hylylx
LV.9
4
2018-02-06 09:21
好貼,收藏
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2018-02-06 12:07
這就像一個(gè)一個(gè)蹺蹺板,一般占空比大了反射電壓比較大,原邊MOS電流應(yīng)力要求較小,電壓應(yīng)力要求較大,反之亦然??紤]平衡性,性?xún)r(jià)比
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2018-02-06 18:14

一、輸入電容

輸入電路先近似等效為整流橋后接濾波電容和負(fù)載電阻,見(jiàn)下圖。

                                    2-1 輸入等效電路

電路的工作過(guò)程分為兩部分,1、整流橋?qū)〞r(shí)母線(xiàn)電壓Vbus等于整流后的輸入電壓,2、整流橋截止時(shí)變?yōu)?span>RC放電電路。

                            2-2 輸入電路的母線(xiàn)電壓波形構(gòu)成

接下來(lái)是要確認(rèn)T0T1時(shí)刻,T0時(shí)刻為兩個(gè)曲線(xiàn)相切點(diǎn)T1時(shí)刻是兩個(gè)曲線(xiàn)的交點(diǎn),然后就可以畫(huà)出母線(xiàn)電壓Vbus。

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2018-02-06 18:46
@boy59
一、輸入電容輸入電路先近似等效為整流橋后接濾波電容和負(fù)載電阻,見(jiàn)下圖。[圖片]                                   圖2-1輸入等效電路電路的工作過(guò)程分為兩部分,1、整流橋?qū)〞r(shí)母線(xiàn)電壓Vbus等于整流后的輸入電壓,2、整流橋截止時(shí)變?yōu)镽C放電電路。[圖片]                           圖2-2輸入電路的母線(xiàn)電壓波形構(gòu)成接下來(lái)是要確認(rèn)T0和T1時(shí)刻,T0時(shí)刻為兩個(gè)曲線(xiàn)相切點(diǎn)T1時(shí)刻是兩個(gè)曲線(xiàn)的交點(diǎn),然后就可以畫(huà)出母線(xiàn)電壓Vbus。

T0時(shí)刻可以用兩個(gè)for循環(huán)求解,這里借鑒資料中的公式(T0的精度影響比較?。?。在資料中多是將放電曲線(xiàn)近似為直線(xiàn)這會(huì)導(dǎo)致結(jié)果有些誤差。

                                                2-2 與資料中的線(xiàn)性放電曲線(xiàn)對(duì)比

再考慮整流橋的管壓降減去1.4V得到最終的結(jié)果,同Saber的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如下:

                                                 2-3 SabeMathcad輸入波形對(duì)比

如上圖所示Mathcad的計(jì)算結(jié)果基本上同仿真的一樣(上圖輸入電容為200uH)。

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2018-02-06 18:48
@hunter4051
這就像一個(gè)一個(gè)蹺蹺板,一般占空比大了反射電壓比較大,原邊MOS電流應(yīng)力要求較小,電壓應(yīng)力要求較大,反之亦然。考慮平衡性,性?xún)r(jià)比
我是想把公式都整理一邊然后看看這個(gè)蹺蹺板拌到什么位置最合適。
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2018-02-06 22:35
@boy59
T0時(shí)刻可以用兩個(gè)for循環(huán)求解,這里借鑒資料中的公式(T0的精度影響比較?。T谫Y料中多是將放電曲線(xiàn)近似為直線(xiàn)這會(huì)導(dǎo)致結(jié)果有些誤差。[圖片]                         圖2-2與資料中的線(xiàn)性放電曲線(xiàn)對(duì)比再考慮整流橋的管壓降減去1.4V得到最終的結(jié)果,同Saber的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如下:[圖片]                         圖2-3Sabe與Mathcad輸入波形對(duì)比如上圖所示Mathcad的計(jì)算結(jié)果基本上同仿真的一樣(上圖輸入電容為200uH)。
令人耳目一新啊,期待樓主佳作!
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2018-02-07 09:04
@qinzutaim
令人耳目一新啊,期待樓主佳作!
 謝謝鼓勵(lì)!
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2018-02-07 09:37
@boy59
一、輸入電容輸入電路先近似等效為整流橋后接濾波電容和負(fù)載電阻,見(jiàn)下圖。[圖片]                                   圖2-1輸入等效電路電路的工作過(guò)程分為兩部分,1、整流橋?qū)〞r(shí)母線(xiàn)電壓Vbus等于整流后的輸入電壓,2、整流橋截止時(shí)變?yōu)镽C放電電路。[圖片]                           圖2-2輸入電路的母線(xiàn)電壓波形構(gòu)成接下來(lái)是要確認(rèn)T0和T1時(shí)刻,T0時(shí)刻為兩個(gè)曲線(xiàn)相切點(diǎn)T1時(shí)刻是兩個(gè)曲線(xiàn)的交點(diǎn),然后就可以畫(huà)出母線(xiàn)電壓Vbus。

接下來(lái)要對(duì)電流進(jìn)行方程描述,首先去掉整流橋,電路變?yōu)橛山涣麟娭苯域?qū)動(dòng)的阻容并聯(lián)負(fù)載,此時(shí)的波形如下:

                                       2-4 阻容負(fù)載的電壓電流波形

負(fù)載上的電壓為輸入交流電壓,電流超前于電壓超前角跟T0有關(guān)(見(jiàn)上圖方程),這時(shí)再把整流橋加上去,電壓信號(hào)負(fù)的變正的對(duì)于方程描述就是取絕對(duì)值,電流取整流橋?qū)〞r(shí)段其它時(shí)段為零,重新生成的波形并同Saber對(duì)比如下:

                                                           2-5 輸入電流波形

如上圖所示仿真和計(jì)算的結(jié)果非常的接近說(shuō)明公式是準(zhǔn)確的,不過(guò)遺憾的是大多數(shù)反激的應(yīng)用都是恒功輸出而不是恒阻輸出的,所以一開(kāi)始的等效電路就是不準(zhǔn)確的,這個(gè)方程還需要再修正一下。

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hunter4051
LV.5
12
2018-02-07 11:53
@boy59
接下來(lái)要對(duì)電流進(jìn)行方程描述,首先去掉整流橋,電路變?yōu)橛山涣麟娭苯域?qū)動(dòng)的阻容并聯(lián)負(fù)載,此時(shí)的波形如下:[圖片]                    圖2-4阻容負(fù)載的電壓電流波形負(fù)載上的電壓為輸入交流電壓,電流超前于電壓超前角跟T0有關(guān)(見(jiàn)上圖方程),這時(shí)再把整流橋加上去,電壓信號(hào)負(fù)的變正的對(duì)于方程描述就是取絕對(duì)值,電流取整流橋?qū)〞r(shí)段其它時(shí)段為零,重新生成的波形并同Saber對(duì)比如下:[圖片]                              圖2-5輸入電流波形如上圖所示仿真和計(jì)算的結(jié)果非常的接近說(shuō)明公式是準(zhǔn)確的,不過(guò)遺憾的是大多數(shù)反激的應(yīng)用都是恒功輸出而不是恒阻輸出的,所以一開(kāi)始的等效電路就是不準(zhǔn)確的,這個(gè)方程還需要再修正一下。
現(xiàn)在研究 的越來(lái)越細(xì)了,贊一個(gè)
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2018-02-07 15:22
@boy59
接下來(lái)要對(duì)電流進(jìn)行方程描述,首先去掉整流橋,電路變?yōu)橛山涣麟娭苯域?qū)動(dòng)的阻容并聯(lián)負(fù)載,此時(shí)的波形如下:[圖片]                    圖2-4阻容負(fù)載的電壓電流波形負(fù)載上的電壓為輸入交流電壓,電流超前于電壓超前角跟T0有關(guān)(見(jiàn)上圖方程),這時(shí)再把整流橋加上去,電壓信號(hào)負(fù)的變正的對(duì)于方程描述就是取絕對(duì)值,電流取整流橋?qū)〞r(shí)段其它時(shí)段為零,重新生成的波形并同Saber對(duì)比如下:[圖片]                              圖2-5輸入電流波形如上圖所示仿真和計(jì)算的結(jié)果非常的接近說(shuō)明公式是準(zhǔn)確的,不過(guò)遺憾的是大多數(shù)反激的應(yīng)用都是恒功輸出而不是恒阻輸出的,所以一開(kāi)始的等效電路就是不準(zhǔn)確的,這個(gè)方程還需要再修正一下。

修正方法是把負(fù)載電阻換成與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)既R(t)=Vt(t)^2/Pin(恒功率),這時(shí)候方程變成了

    公式1-1

這個(gè)方程還不知道如何整理成單純的Vt(t)的函數(shù),目前采用的是逐次逼近法。先假設(shè)R(t)為恒定值代入方程求出Vt(t)函數(shù),將Vt(t)代入恒功率方程求得一個(gè)跟時(shí)間t有關(guān)的R1(t),此R1(t)再次代入方程求出Vt2(t),此Vt2(t)再代入恒功率方程求出R2(t)R2(t)代入方程求Vt3(t)······如此類(lèi)推直到n次。

                                 2-6 逐次逼近法計(jì)算輸入電壓波形

上圖是逐次逼近法的計(jì)算結(jié)果,實(shí)際上這里還沒(méi)有掌握逐次逼近法的精髓在上述結(jié)果中只有第一次逼近結(jié)果接近仿真值。下圖是計(jì)算同仿真的對(duì)比:

                                     2-7 恒功模式下輸入電容的波形對(duì)比

試過(guò)恒功率50W-500W計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果還都比較接近,如果能整理出公式1-1的方程則結(jié)果應(yīng)當(dāng)更加理想。

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x_xxxx
LV.1
14
2018-02-08 08:17
@boy59
修正方法是把負(fù)載電阻換成與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)既R(t)=Vt(t)^2/Pin(恒功率),這時(shí)候方程變成了[圖片]   公式1-1這個(gè)方程還不知道如何整理成單純的Vt(t)的函數(shù),目前采用的是逐次逼近法。先假設(shè)R(t)為恒定值代入方程求出Vt(t)函數(shù),將Vt(t)代入恒功率方程求得一個(gè)跟時(shí)間t有關(guān)的R1(t),此R1(t)再次代入方程求出Vt2(t),此Vt2(t)再代入恒功率方程求出R2(t),R2(t)代入方程求Vt3(t)······如此類(lèi)推直到n次。[圖片]                   圖2-6逐次逼近法計(jì)算輸入電壓波形上圖是逐次逼近法的計(jì)算結(jié)果,實(shí)際上這里還沒(méi)有掌握逐次逼近法的精髓在上述結(jié)果中只有第一次逼近結(jié)果接近仿真值。下圖是計(jì)算同仿真的對(duì)比:[圖片]                   圖2-7恒功模式下輸入電容的波形對(duì)比試過(guò)恒功率50W-500W計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果還都比較接近,如果能整理出公式1-1的方程則結(jié)果應(yīng)當(dāng)更加理想。
非常感謝版主分享的知識(shí)
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2018-02-08 10:18
@x_xxxx
非常感謝版主分享的知識(shí)
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2018-02-08 10:20
@boy59
修正方法是把負(fù)載電阻換成與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)既R(t)=Vt(t)^2/Pin(恒功率),這時(shí)候方程變成了[圖片]   公式1-1這個(gè)方程還不知道如何整理成單純的Vt(t)的函數(shù),目前采用的是逐次逼近法。先假設(shè)R(t)為恒定值代入方程求出Vt(t)函數(shù),將Vt(t)代入恒功率方程求得一個(gè)跟時(shí)間t有關(guān)的R1(t),此R1(t)再次代入方程求出Vt2(t),此Vt2(t)再代入恒功率方程求出R2(t),R2(t)代入方程求Vt3(t)······如此類(lèi)推直到n次。[圖片]                   圖2-6逐次逼近法計(jì)算輸入電壓波形上圖是逐次逼近法的計(jì)算結(jié)果,實(shí)際上這里還沒(méi)有掌握逐次逼近法的精髓在上述結(jié)果中只有第一次逼近結(jié)果接近仿真值。下圖是計(jì)算同仿真的對(duì)比:[圖片]                   圖2-7恒功模式下輸入電容的波形對(duì)比試過(guò)恒功率50W-500W計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果還都比較接近,如果能整理出公式1-1的方程則結(jié)果應(yīng)當(dāng)更加理想。

有了電流方程后就可以計(jì)算出平均電流和有效電流從而進(jìn)行損耗估算,電解電容的ESR可以用損耗角表示也可以用50~80*10^-6這個(gè)系數(shù)來(lái)估算如下圖:

                             2-8 電解電容ESR與容量的關(guān)系

將之前的方程整理一下使輸入電容Cin為自變量(X軸)得到峰值電流和輸入電容的關(guān)系:

                                       2-9 輸入峰值電流和輸入電容的關(guān)系

這樣就可以估算出電解電容ESR和整流橋上的損耗:

                                 2-10 輸入電容、整流橋損耗與輸入電容容量的關(guān)系

上述數(shù)據(jù)的條件是輸入電壓峰值100V、功率50W、kc=65、二極管壓降0.7V。

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2018-02-08 11:42
@boy59
有了電流方程后就可以計(jì)算出平均電流和有效電流從而進(jìn)行損耗估算,電解電容的ESR可以用損耗角表示也可以用50~80*10^-6這個(gè)系數(shù)來(lái)估算如下圖:[圖片]                            圖2-8電解電容ESR與容量的關(guān)系將之前的方程整理一下使輸入電容Cin為自變量(X軸)得到峰值電流和輸入電容的關(guān)系:[圖片]                                      圖2-9輸入峰值電流和輸入電容的關(guān)系這樣就可以估算出電解電容ESR和整流橋上的損耗:[圖片]                                圖2-10輸入電容、整流橋損耗與輸入電容容量的關(guān)系上述數(shù)據(jù)的條件是輸入電壓峰值100V、功率50W、kc=65、二極管壓降0.7V。

下面是參考《精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)》估算的電容壽命:

                                               2-11 低性能電容壽命與容量、溫度的關(guān)系

                                               圖2-12 高性能電容壽命與容量、溫度的關(guān)系

至此初步完成了輸入電容的子模塊設(shè)計(jì)后續(xù)再進(jìn)行其它子模塊整理,當(dāng)完成所有子模塊時(shí)整套電源系統(tǒng)就構(gòu)建成功了。這個(gè)也是自我學(xué)習(xí)的一個(gè)過(guò)程,如果有分析不對(duì)的地方還望及時(shí)指正。

另外此輸入電容是按最壞情況設(shè)計(jì)的,考慮到±20%的容量誤差和容量下降20%既為失效實(shí)際選擇的電容是計(jì)算的1.56倍,可將此電容值代入方程來(lái)求解另一種情況下的極限值。

0
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2018-02-08 17:00
@boy59
下面是參考《精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)》估算的電容壽命:[圖片]                        圖2-11低性能電容壽命與容量、溫度的關(guān)系[圖片]                        圖2-12高性能電容壽命與容量、溫度的關(guān)系至此初步完成了輸入電容的子模塊設(shè)計(jì)后續(xù)再進(jìn)行其它子模塊整理,當(dāng)完成所有子模塊時(shí)整套電源系統(tǒng)就構(gòu)建成功了。這個(gè)也是自我學(xué)習(xí)的一個(gè)過(guò)程,如果有分析不對(duì)的地方還望及時(shí)指正。另外此輸入電容是按最壞情況設(shè)計(jì)的,考慮到±20%的容量誤差和容量下降20%既為失效實(shí)際選擇的電容是計(jì)算的1.56倍,可將此電容值代入方程來(lái)求解另一種情況下的極限值。

經(jīng)過(guò)高人指點(diǎn)公式1-1(恒功率輸出)整理之后的表達(dá)式為

    公式1-2

將此方程代入后計(jì)算的電流、電壓及波形同Saber仿真的基本一致。

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shaqnb
LV.3
19
2018-02-09 13:16
占個(gè)座
0
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2018-02-26 13:37
占座兒,等更
0
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2018-03-04 21:21

電容恒功放電公式也可從下圖推出:

                                        3-1 電容恒功放電公式圖

1
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2018-03-04 21:54
@boy59
電容恒功放電公式也可從下圖推出:[圖片]                     圖3-1電容恒功放電公式圖

輸入電容Mathcad文件已上傳方便大家參考,輸入電流電壓波形部分采用了微積分運(yùn)算結(jié)果較精確。后面的損耗分析、壽命估算由于微積分運(yùn)算速度較慢故采用了基波分析法。它們的峰值電流偏差如下:

                3-2 兩種方法峰值電流偏差對(duì)比

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2018-03-07 13:22
@boy59
修正方法是把負(fù)載電阻換成與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)既R(t)=Vt(t)^2/Pin(恒功率),這時(shí)候方程變成了[圖片]   公式1-1這個(gè)方程還不知道如何整理成單純的Vt(t)的函數(shù),目前采用的是逐次逼近法。先假設(shè)R(t)為恒定值代入方程求出Vt(t)函數(shù),將Vt(t)代入恒功率方程求得一個(gè)跟時(shí)間t有關(guān)的R1(t),此R1(t)再次代入方程求出Vt2(t),此Vt2(t)再代入恒功率方程求出R2(t),R2(t)代入方程求Vt3(t)······如此類(lèi)推直到n次。[圖片]                   圖2-6逐次逼近法計(jì)算輸入電壓波形上圖是逐次逼近法的計(jì)算結(jié)果,實(shí)際上這里還沒(méi)有掌握逐次逼近法的精髓在上述結(jié)果中只有第一次逼近結(jié)果接近仿真值。下圖是計(jì)算同仿真的對(duì)比:[圖片]                   圖2-7恒功模式下輸入電容的波形對(duì)比試過(guò)恒功率50W-500W計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果還都比較接近,如果能整理出公式1-1的方程則結(jié)果應(yīng)當(dāng)更加理想。
標(biāo)記學(xué)習(xí)下。感謝分享。
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2018-03-07 22:13
@boy59
下面是參考《精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)》估算的電容壽命:[圖片]                        圖2-11低性能電容壽命與容量、溫度的關(guān)系[圖片]                        圖2-12高性能電容壽命與容量、溫度的關(guān)系至此初步完成了輸入電容的子模塊設(shè)計(jì)后續(xù)再進(jìn)行其它子模塊整理,當(dāng)完成所有子模塊時(shí)整套電源系統(tǒng)就構(gòu)建成功了。這個(gè)也是自我學(xué)習(xí)的一個(gè)過(guò)程,如果有分析不對(duì)的地方還望及時(shí)指正。另外此輸入電容是按最壞情況設(shè)計(jì)的,考慮到±20%的容量誤差和容量下降20%既為失效實(shí)際選擇的電容是計(jì)算的1.56倍,可將此電容值代入方程來(lái)求解另一種情況下的極限值。

電容壽命方程中的IR是個(gè)變量需要修正一下,參考一款電容

得到這款電容近似的IR方程曲線(xiàn),代入壽命估算方程重新繪制電容壽命曲線(xiàn)得:

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hunter4051
LV.5
25
2018-03-09 08:41
@boy59
輸入電容Mathcad文件已上傳方便大家參考,輸入電流電壓波形部分采用了微積分運(yùn)算結(jié)果較精確。后面的損耗分析、壽命估算由于微積分運(yùn)算速度較慢故采用了基波分析法。它們的峰值電流偏差如下:[圖片]         圖3-2兩種方法峰值電流偏差對(duì)比
什么時(shí)候整理一個(gè)完整文件,系統(tǒng)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí),Mathcad文件沒(méi)找到
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2018-03-09 23:24
@hunter4051
什么時(shí)候整理一個(gè)完整文件,系統(tǒng)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí),Mathcad文件沒(méi)找到[圖片]
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