TWI464756B

TWI464756B - 可抑制突波之過電流保護元件

Info

Publication number: TWI464756B
Application number: TW102119274A
Authority: TW
Inventors: Chun Teng Tseng; Pin Syuan Li; Chi Jen Su
Original assignee: Polytronics Technology Corp
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-12-11
Also published as: TW201445588A; CN104218553B; US9112348B2; US20150124366A1; CN104218553A

Description

可抑制突波之過電流保護元件

本發明係關於一種過電流保護元件，特別是關於一種可抑制突波(surge)的一種過電流保護元件。

防突波(Anti-Surge)保護設計，可偵測過電壓的狀況，並即時阻止電壓突波持續，同時也會主動切斷過電壓電源以保護系統。其保護驅動條件是在供電出現瞬間跟標準值有±10%以上的波動時會自動斷電保護。

在 USB 應用上，有時在插拔的瞬間會因低阻造成突波電流，進而導致電壓波動過大。此時傳統的正溫度係數(PTC)元件雖可達成過電流保護，然而PTC元件反應時間較慢(約為毫秒等級)，而搭載的上述防突波保護裝置因為半導體製程元件，具有極短的反應時間(約為奈秒等級)，故已早一步通知系統關機或重新啟動。惟，這種突波現象並不致於損害相關電子元件，且即使有損害的疑慮亦可由PTC元件觸發加以保護，且系統關機或重新啟動是在使用者不預期的狀況下發生，容易有資料未儲存或等候重新開機等不便的問題發生。另外，即使作為突波保護裝置的半導體製程元件可變更設計加以改良，但半導體製程元件的成本較高，在應用於有多個USB連接埠的電子裝置時，也會有成本較高的問題。

為了達到上述目的，本發明揭示一種可抑制突波或電路短路的一種過電流保護元件。其中採用串聯設計以增加電流路徑的電阻值，從而抑制或減低突波電流的大小。另外，本發明於單顆元件中採雙埠設計，佔據較小空間，故可因應在零件數較多的高階主板上，而提升客戶設計上的彈性。

本發明揭露一種可抑制突波之過電流保護元件，其包括PTC材料層、第一導電層及第二導電層。該PTC材料層具有相對的第一和第二表面。第一導電層物理接觸第一表面，包含分隔的複數個第一導電區塊。第二導電層物理接觸第二表面，包含分隔的複數個第二導電區塊。其中該第一導電層、PTC材料層和第二導電層形成包含第一導電路徑和第二導電路徑的電路結構。該PTC材料層在第一導電路徑中構成第一串接電阻，該第一串接電阻包含至少二個電阻元件，該PTC材料層在第二導電路徑中構成第二串接電阻，該第二串接電阻包含至少二個電阻元件。

一實施例中，複數個第一導電區塊包括第一電流輸入部、第一電流輸出部及第一電流傳輸部，複數個第二導電區塊包括第二電流輸入部、第二電流輸出部及第二電流傳輸部；該第一電流輸入部、第二電流傳輸部、第一電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第一導電路徑；該第二電流輸入部、第一電流傳輸部、第二電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第二導電路徑。

另一實施例中，複數個第一導電區塊包括第一電流輸入部、第一電流輸出部、第二電流輸入部及第二電流輸出部，複數個第二導電區塊包括第一電流傳輸部和第二電流傳輸部。該第一電流輸入部、第一電流傳輸部、第一電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第一導電路徑。該第二電流輸入部、第二電流傳輸部、第二電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第二導電路徑。

又一實施例中，複數個第一導電區塊包括第一電流輸入部、第一電流傳輸部、第二電流輸出部及第二電流傳輸部，複數個第二導電區塊包括第三電流傳輸部、第四電流傳輸部及第一電流輸出部及第二電流輸入部；該第一電流輸入部、第三電流傳輸部、第一電流傳輸部、第一電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第一導電路徑；該第二電流輸入部、第二電流傳輸部、第四電流傳輸部、第二電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第二導電路徑。

本發明藉由於第一導電路徑和第二導電路徑中形成串接電阻，增加過電流保護元件的整體阻抗。如此一來，當突波電流或電壓發生時，瞬間的突波電流或電壓值會被大幅減低，使得與標準值間的差異降低於10%以下，如此即可防止啟動不必要的自動保護措施，使得系統在使用者不預期的情況下關閉或重新啟動。

經實際驗證防突波保護裝置的保護方式，本發明之過電流保護元件可抑制突波電流的大小，即等同於抑制電壓波動的大小，故過電流保護元件可在短路發生時達成過電流保護，而不會造成系統關機或重新啟動。

為讓本發明之上述和其他技術內容、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1為本發明第一實施例之可抑制突波電流的過電流保護元件的分解示意圖，圖2為其立體組合圖。圖3則為該過電流保護元件中之PTC材料層和其上下導電層之仰視示意圖。圖4為該過電流保護元件的相應電路結構示意圖。根據第一實施例，一可抑制突波電流的過電流保護元件10包含PTC材料層11、導電層12、導電層13、絕緣層14、絕緣層15、第一電極21、第二電極22、第三電極23和第四電極24。導電層11和12可為例如銅箔、鎳箔或鍍鎳銅箔等金屬箔片。PTC材料層11具有相對應的第一表面111及第二表面112。導電層12物理接觸第一表面111，包含分隔的複數個第一導電區塊。複數個第一導電區塊包括第一電流輸入部121、第一電流輸出部122及第一電流傳輸部123。導電層13物理接觸第二表面112，包含分隔的複數個第二導電區塊。複數個第二導電區塊包括第二電流輸入部131、第二電流輸出部132及第二電流傳輸部133。第二電流傳輸部133於垂直方向上與第一電流輸入部121和第一電流輸出部122有重疊。第一電流傳輸部123於垂直方向上與第二電流輸入部131和第二電流輸出部132有重疊。

絕緣層14和15分別設於該導電層12和13表面，且於絕緣層14和15表面設置上下金屬電極層。絕緣層14和15可為預浸玻纖材料(prepreg)，例如含玻纖的樹脂材料FR4。當元件進行壓合時，該預浸玻纖材料因具有流動性會填充複數個第一和第二導電區塊中之分隔區域。上下金屬電極層可經由蝕刻在元件四個角落形成第一電極21、第二電極22、第三電極23及第四電極24，其間可設置絕緣防焊層27和28。上下之第一電極21利用位於相應角落之導電連接件41連接，且電氣連接於第一電流輸入部121。上下之第二電極22利用位於相應角落之導電連接件42連接，且電氣連接於第一電流輸出部122。上下之第三電極23利用位於相應角落之導電連接件43連接，且電氣連接於第二電流輸入部131。上下之第四電極24利用位於相應角落之導電連接件44連接，且電氣連接於第二電流輸出部132。進一步言之，過電流保護元件10為表面黏著型之元件，電極21、22、23和24作為焊接於電路板之介面。過電流保護元件10實質上為長方體結構，導電連接件41、42、43和44分別位於相鄰兩側表面的交接處，且延垂直方向延伸。

當電流經由第一電極21流入第一電流輸入部121時，因為第一電流輸入部121和第一電流輸出部122和第一電流傳輸部123間有分隔，電流將流經PTC材料層11至重疊於其下方之第二電流傳輸部133 。之後電流再次經過PTC材料層11至重疊於其上方之第一電流輸出部122。因此第一電流輸入部121、第二電流傳輸部133、第一電流輸出部122和設於其間的PTC材料層11構成第一導電路徑17。類似地，第二電流輸入部131、第一電流傳輸部123、第二電流輸出部132和設於其間的PTC材料層11構成該第二導電路徑18。易言之，導電層12、PTC材料層11和導電層13形成包含第一導電路徑17和第二導電路徑18的電路結構。該PTC材料層11在第一導電路徑17中構成第一串接電阻19，該第一串接電阻19包含二個電阻件25。該PTC材料層11在第二導電路徑18中構成第二串接電阻20，該第二串接電阻20包含二個電阻件26。

圖5和圖6顯示本發明第二實施例之過電流保護元件中之PTC材料層11和其上下表面導電層52和53的結構，其中圖5為俯視立體圖，圖6則為仰視立體圖。導電層52分隔成複數個導電區塊，其中包括第一電流輸入部221、第一電流輸出部222、第二電流輸入部223及第二電流輸出部224。導電層53分隔成複數個導電區塊，其中包括第一電流傳輸部231和第二電流傳輸部232。第一電流傳輸部231於垂直方向上和第一電流輸入部221和第一電流輸出部222有重疊。第二電流傳輸部232於垂直方向上和第二電流輸入部223和第二電流輸出部224有重疊。上述PTC材料層11和其上下表面的導電層52和53同樣可加上如圖1所示的絕緣層和電極層，而形成表面黏著型過電流保護元件結構。為便於清楚說明本發明著重之PTC材料層和其上下表面的導電層結構，絕緣層和電極層未圖示。

當電流流入第一電流輸入部221時，因為第一電流輸入部221與第一電流輸出部222、第二電流輸入部223以及第二電流輸出部224間有分隔，電流將流經PTC材料層11至重疊於其下方之第一電流傳輸部231 。之後電流再次經過PTC材料層11至重疊於其上方之第一電流輸出部222。類似地，當電流流入第二電流輸入部223時，因為第二電流輸入部223與第一電流輸入部221、第一電流輸出部222以及第二電流輸出部224間有分隔，電流將流經PTC材料層11至重疊於其下方之第二電流傳輸部232 。之後電流再次經過PTC材料層11至重疊於其上方之第二電流輸出部224。

本實施例之PTC材料層11和其上下表面的導電層52和53同樣加上如圖1所示的絕緣層、電極層和導電連接件，其電路結構同樣如圖4所示。在本實施例中，第一電流輸入部221、第一電流傳輸部231、第一電流輸出部222和設於其間的PTC材料層11構成該第一導電路徑17。第二電流輸入部223、第二電流傳輸部232、第二電流輸出部224和設於其間的PTC材料層11構成該第二導電路徑18。易言之，導電層52、PTC材料層11和導電層53形成包含第一導電路徑17和第二導電路徑18的電路結構。該PTC材料層11在第一導電路徑17中構成第一串接電阻19，該第一串接電阻19包含二個電阻件25。該PTC材料層11在第二導電路徑18中構成第二串接電阻20，該第二串接電阻20包含二個電阻件26。

圖7和圖8顯示本發明第三實施例之過電流保護元件中之PTC材料層11和其上下表面的導電層32和33結構，其中圖7為俯視立體圖，圖8則為仰視立體圖。導電層32分隔成多個第一導電區塊，其中包括第一電流輸入部321、第一電流傳輸部322、第二電流輸出部324及第二電流傳輸部323。導電層33分隔成複數個第二導電區塊，其中包括第三電流傳輸部331、第四電流傳輸部334、第一電流輸出部332及第二電流輸入部333。第一電流傳輸部322於垂直方向上和第一電流輸出部332和第三電流傳輸部331有重疊。第二電流傳輸部323於垂直方向上和第二電流輸入部333和第四電流傳輸部334有重疊。第三電流傳輸部331於垂直方向上和第一電流輸入部321和第一電流傳輸部322有重疊。第四電流傳輸部334於垂直方向上和第二電流輸出部324和第二電流傳輸部323有重疊。

第一電流輸入部321、第三電流傳輸部331、第一電流傳輸部322、第一電流輸出部332和設於其間的PTC材料層11構成第一導電路徑41。第二電流輸入部333、第二電流傳輸部323、第四電流傳輸部334、第二電流輸出部324和設於其間的PTC材料層11構成該第二導電路徑42。本實施例中，該PTC材料層11在第一導電路徑41構成第一串接電阻39，其中該第一串接電阻39由三個電阻件35組成。該PTC材料層11在第二導電路徑42中構成第二串接電阻40，其中該第二串接電阻40由三個電阻件36組成。

前述第一至第三實施例之過電流保護元件可作成包含多個PTC材料層之並聯結構，如中華民國專利公告第415624號所示的包含兩層PTC層的並聯結構，如此即可提高元件的維持電流(hold current)。

在此需說明的是，本發明之重點在於PTC材料層和其表面的導電層結構，於單一元件內構成具有串接電阻的二導電路徑。本發明並不限定於表面黏著型式的元件，亦可應用不同型式的外接電極而構成軸型(axial-type)、插件式(radial type)等過電流保護元件。

本發明藉由於第一導電路徑和第二導電路徑中形成串接電阻，增加過電流保護元件的整體阻抗。如此一來，當突波電流或電壓發生時，瞬間的突波電流或電壓值會被大幅減低，使得與標準值間的差異降低於10%以下。如此即可防止啟動不必要的自動保護措施。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域具有通常知識之技術人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

10　過電流保護元件11　PTC材料層12、13、52、53、32、33　導電層14、15　絕緣層17、41　第一導電路徑18、42　第二導電路徑19、39　第一串接電阻20、40　第二串接電阻25、26、35、36　電阻件21、22、23、24　電極27、28　絕緣防焊層41、42、43、44　導電連接件111　第一表面112　第二表面121　第一電流輸入部122　第一電流輸出部123　第一電流傳輸部131　第二電流輸入部132　第二電流輸出部133　第二電流傳輸部221　第一電流輸入部222　第一電流輸出部223　第二電流輸入部224　第二電流輸出部231　第一電流傳輸部232　第二電流傳輸部321　第一電流輸入部322　第一電流傳輸部324　第二電流輸出部323　第二電流傳輸部331　第三電流傳輸部332　第一電流輸出部334　第四電流傳輸部333　第二電流輸入部

圖1至圖3係本發明第一實施例之可抑制突波之過電流保護元件之示意圖；圖4係本發明第一實施例之可抑制突波之過電流保護元件之電路結構示意圖；圖5和圖6係本發明第二實施例之可抑制突波之過電流保護元件之PTC材料層和其表面導電層之組合示意圖；圖7和圖8係本發明第三實施例之可抑制突波之過電流保護元件之PTC材料層和其表面導電層之組合示意圖；以及圖9係本發明第三實施例之可抑制突波之過電流保護元件之電路結構示意圖。

10 可抑制突波之過電流保護元件11 PTC材料層12、13 導電層14、15　絕緣層21、22、23、24　電極27、28　絕緣防焊層111　第一表面121　第一電流輸入部122　第一電流輸出部123　第一電流傳輸部131　第二電流輸入部132　第二電流輸出部

Claims

一種可抑制突波的過電流保護元件，包含：一PTC材料層，具有相對的第一和第二表面；一第一導電層，物理接觸第一表面，包含分隔的複數個第一導電區塊；以及一第二導電層，物理接觸第二表面，包含分隔的複數個第二導電區塊；其中該第一導電層、PTC材料層和第二導電層形成包含第一導電路徑和第二導電路徑的電路結構，該第一導電路徑和第二導電路徑彼此電氣獨立；該PTC材料層在第一導電路徑中構成第一串接電阻，該第一串接電阻包含至少二個電阻元件，該PTC材料層在第二導電路徑中構成第二串接電阻，該第二串接電阻包含至少二個電阻元件；其中該複數個第一導電區塊和複數個第二導電區塊之組合包含二個電流輸入部和二個電流輸出部，從而構成該第一導電路徑和第二導電路徑之電流輸入部和電流輸出部。
根據請求項1之可抑制突波的過電流保護元件，其中複數個第一導電區塊包括彼此分隔之第一電流輸入部、第一電流輸出部及第一電流傳輸部，複數個第二導電區塊包括彼此分隔之第二電流輸入部、第二電流輸出部及第二電流傳輸部；該第一電流輸入部、第二電流傳輸部、第一電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第一導電路徑；該第二電流輸入部、第一電流傳輸部、第二電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第二導電路徑。
根據請求項2之可抑制突波的過電流保護元件，其中該第二電流傳輸部於垂直方向上和第一電流輸入部和第一電流輸出部有重疊，第一電流傳輸部於垂直方向上和第二電流輸入部和第二電流輸出部有重疊。
根據請求項2之可抑制突波的過電流保護元件，其中該第一串接電阻由二個電阻元件組成，該第二串接電阻由二個電阻元件組成。
根據請求項1之可抑制突波的過電流保護元件，其中複數個第一導電區塊包括彼此分隔之第一電流輸入部、第一電流輸出部、第二電流輸入部及第二電流輸出部，複數個第二導電區塊包括彼此分隔之第一電流傳輸部和第二電流傳輸部；該第一電流輸入部、第一電流傳輸部、第一電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第一導電路徑；該第二電流輸入部、第二電流傳輸部、第二電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第二導電路徑。
根據請求項5之可抑制突波的過電流保護元件，其中該第一電流傳輸部於垂直方向上和第一電流輸入部和第一電流輸出部有重疊，第二電流傳輸部於垂直方向上和第二電流輸入部和第二電流輸出部有重疊。
根據請求項1之可抑制突波的過電流保護元件，其中複數個第一導電區塊包括彼此分隔之第一電流輸入部、第一電流傳輸部、第二電流輸出部及第二電流傳輸部，複數個第二導電區塊包括彼此分隔之第三電流傳輸部、第四電流傳輸部及第一電流輸出部及第二電流輸入部；該第一電流輸入部、第三電流傳輸部、第一電流傳輸部、第一電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第一導電路徑；該第二電流輸入部、第二電流傳輸部、第四電流傳輸部、第二電流輸出部和設於其間的PTC材料層構成該第二導電路徑。
根據請求項7之可抑制突波的過電流保護元件，其中該第一電流傳輸部於垂直方向上和第一電流輸出部和第三電流傳輸部有重疊，第二電流傳輸部於垂直方向上和第二電流輸入部和第四電流傳輸部有重疊，第三電流傳輸部於垂直方向上和第一電流輸入部和第一電流傳輸部有重疊，以及第四電流傳輸部於垂直方向上和第二電流輸出部和第二電流傳輸部有重疊。
根據請求項7之可抑制突波的過電流保護元件，其中該第一串接電阻由三個電阻元件組成，該第二串接電阻由三個電阻元件組成。
根據請求項1之可抑制突波的過電流保護元件，其另包含：第一電極，電氣連接該第一導電路徑之電流輸入部；第二電極，電氣連接該第一導電路徑之電流輸出部；第三電極，電氣連接該第二導電路徑之電流輸入部；以及第四電極，電氣連接該第二導電路徑之電流輸出部；其中該第一電極、第二電極、第三電極和第四電極係作為焊接於電路板的介面。
根據請求項10之可抑制突波的過電流保護元件，其另包含：第一導電連接件，連接該第一電極及第一導電路徑之電流輸入部；第二導電連接件，連接該第二電極及第一導電路徑之電流輸出部；第三導電連接件，連接該第三電極及第二導電路徑之電流輸入部；以及第四導電連接件，連接該第四電極及第二導電路徑之電流輸出部；其中該過電流保護元件為長方體結構，該第一、第二、第三及第四導電連接件係位於各相鄰兩側表面之交接處。