本發(fā)明設(shè)計(jì)一種過(guò)電流保護(hù)元件,尤其涉及一種通過(guò)觸發(fā)(trip)正溫度系數(shù)(Positive Temperature Coefficient;PTC)元件來(lái)提供保護(hù)的過(guò)電流保護(hù)元件。
背景技術(shù):
過(guò)電流保護(hù)元件被用于保護(hù)電路,使其免于因過(guò)熱或流經(jīng)過(guò)量電流而損壞。過(guò)電流保護(hù)元件通常包含兩電極及位于兩電極間的電阻材料。此電阻材料具PTC特性,亦即在室溫時(shí)具低電阻值,而當(dāng)溫度上升至一臨界溫度或電路上有過(guò)量電流產(chǎn)生時(shí),其電阻值可立刻跳升數(shù)千倍以上,藉此抑制過(guò)量電流通過(guò),以達(dá)到電路保護(hù)的目的。當(dāng)溫度降回室溫后或電路上不再有過(guò)電流的狀況時(shí),過(guò)電流保護(hù)元件可回復(fù)至低電阻狀態(tài),而使電路重新正常操作。此種可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn),使PTC過(guò)電流保護(hù)元件取代保險(xiǎn)絲,而被更廣泛運(yùn)用在高密度電子電路上。
一般而言,PTC導(dǎo)電復(fù)合材料由一結(jié)晶性高分子聚合物及導(dǎo)電填料所組成,該導(dǎo)電填料均勻分散于該高分子聚合物之中。該高分子聚合物一般為聚烯烴類聚合物,例如:聚乙烯,而導(dǎo)電填料一般為碳黑。然而,碳黑所能提供的導(dǎo)電度較低,而不符近年來(lái)應(yīng)用上低阻值的需求。因此,使用具有較低體積電阻值的金屬或?qū)щ娞沾商盍系腜TC導(dǎo)電復(fù)合材料可提供相較于碳黑更低的阻值,因而發(fā)展出低體積電阻(low rho)的過(guò)電流保護(hù)元件。
在電池的快速充電應(yīng)用上,該P(yáng)TC元件須在常溫至60℃具有高的維持電流(hold current),使電池溫度即便達(dá)到60℃,仍然可以允許高電流充電,達(dá)到快速充電的目的,例如一般普通充電需要一小時(shí)充電的時(shí)間,可以因快速充電而縮短至20分鐘內(nèi)完成充電動(dòng)作。另外,必須符合特定安全規(guī)范要求,當(dāng)電池發(fā)生過(guò)充電,瞬間電壓改變,過(guò)電壓發(fā)生,或是溫度過(guò)高的情況時(shí),PTC元件必須能快速截?cái)喑潆婋娏?,達(dá)到保護(hù)的功能。也要 符合在80℃的環(huán)境溫度下必須于施加電流8A以下于60秒內(nèi)觸發(fā)的規(guī)范,用以及時(shí)對(duì)相關(guān)電路或裝置提供過(guò)電流保護(hù)。然而,低體積電阻的過(guò)電流保護(hù)元件在某一特定溫度(例如80℃)時(shí),因該特定溫度對(duì)應(yīng)的維持電流仍高(相較于使用碳黑作為導(dǎo)電填料者),使得過(guò)電流保護(hù)元件不易觸發(fā),而無(wú)法通過(guò)前述產(chǎn)品規(guī)范的要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決上述低體積電阻過(guò)電流保護(hù)元件于特定溫度不易觸發(fā)的問(wèn)題,本發(fā)明公開(kāi)了一種過(guò)電流保護(hù)元件,利用于同一元件內(nèi)嵌加熱件的設(shè)計(jì),可加速其中低體積電阻的PTC元件產(chǎn)生觸發(fā),從而有效提供過(guò)電流保護(hù)。
根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件,其包括至少一PTC元件和至少一加熱件。所述PTC元件的材料包含高分子聚合物及散布于高分子聚合物中的金屬或?qū)щ娞沾商盍?,該P(yáng)TC元件的體積電阻值小于0.1Ω-cm。該加熱件可用于加熱該P(yáng)TC元件。其中,過(guò)電流保護(hù)元件的特性符合關(guān)系式It(加熱)<Ih(60℃)×10%。Ih(60℃)是該過(guò)電流保護(hù)元件于60℃加熱件未被啟動(dòng)時(shí)的維持電流,It(加熱)是該過(guò)電流保護(hù)元件于加熱件啟動(dòng)加熱后的觸發(fā)電流。
一實(shí)施例中,該加熱件通過(guò)加熱該P(yáng)TC元件,降低該P(yáng)TC元件的維持電流,從而引導(dǎo)觸發(fā)。
一實(shí)施例中,該加熱件的電阻大到足以于80℃的環(huán)境溫度下,使得該過(guò)電流保護(hù)元件于施加電流8A的情況下于60秒內(nèi)觸發(fā)。
一實(shí)施例中,該加熱件的電阻大于等于0.1Ω。
一實(shí)施例中,該加熱件包含串聯(lián)的2個(gè)電阻器。
一實(shí)施例中,該P(yáng)TC元件中高分子聚合物的熔點(diǎn)大于150℃。
一實(shí)施例中,該加熱件為陶瓷PTC加熱件、高分子PTC加熱件或傳統(tǒng)的電阻器(resistor)加熱件。
一實(shí)施例中,該高分子PTC加熱件中高分子聚合物的熔點(diǎn)大于150℃。
一實(shí)施例中,該高分子PTC加熱件中使用碳黑作為導(dǎo)電填料。
一實(shí)施例中,過(guò)電流保護(hù)元件的至少一加熱件設(shè)置于2個(gè)PTC元件之間,且該2個(gè)PTC元件并聯(lián)連接。
一實(shí)施例中,該P(yáng)TC元件的兩端電氣連接至第一電極和第二電極,該加熱件的兩端電氣連接至第三電極和第四電極,其中第一電極至第四電極位于過(guò)電流保護(hù)元件的下表面,作為表面粘著的介面。
一實(shí)施例中,該P(yáng)TC元件的兩端電氣連接至第一電極和第二電極,該加熱件的兩端電氣連接至該第二電極和第三電極,其中第一電極至第三電極位于過(guò)電流保護(hù)元件的下表面,作為表面粘著的介面。一實(shí)施例中,該P(yáng)TC元件包含一PTC材料層、位于PTC材料層上表面的第一金屬箔和位于PTC材料層下表面的第二金屬箔,該加熱件包含發(fā)熱層、位于該發(fā)熱層上表面的第一導(dǎo)電層和位于該發(fā)熱層下表面的第二導(dǎo)電層。
根據(jù)此PTC元件和加熱件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一實(shí)施例中,該過(guò)電流保護(hù)元件還包括第一電極、第二電極以及第三電極,該第一電極電氣連接該第一金屬箔,該第二電極電氣連接該第二金屬箔及該第一導(dǎo)電層,該第三電極電氣連接該第二導(dǎo)電層。該第一電極、該第二電極和該第三電極位于該過(guò)電流保護(hù)元件下表面,作為表面粘著的介面。
一實(shí)施例中,該過(guò)電流保護(hù)元件還包括第一導(dǎo)電連接件、第二導(dǎo)電連接件以及至少一導(dǎo)電通孔,該第一導(dǎo)電連接件沿垂直方向延伸,連接第一電極和第一金屬箔,第二導(dǎo)電連接件沿垂直方向延伸,連接第二電極、第二金屬箔及第一導(dǎo)電層。至少一導(dǎo)電通孔沿垂直方向延伸,連接第三電極和第二導(dǎo)電層。其中第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層兩者與第一導(dǎo)電連接件間有隔離。
另一實(shí)施例中,該過(guò)電流保護(hù)元件還包括第一電極、第二電極、第三電極以及第四電極,該第一電極電氣連接該第一金屬箔,第二電極電氣連接該第二金屬箔,第三電極電氣連接該第一導(dǎo)電層,以及第四電極電氣連接該第二導(dǎo)電層。其中該第一電極、該第二電極、該第三電極和該第四電極位于該過(guò)電流保護(hù)元件下表面,作為表面粘著的介面。
一實(shí)施例中,該過(guò)電流保護(hù)元件還包括第一導(dǎo)電連接件、第二導(dǎo)電連接件、第三導(dǎo)電連接件以及第四導(dǎo)電連接件,該第一導(dǎo)電連接件沿垂直方 向延伸,連接第一電極和第一金屬箔。第二導(dǎo)電連接件沿垂直方向延伸,連接第二電極和第二金屬箔。第三導(dǎo)電連接件沿垂直方向延伸,連接第三電極和第一導(dǎo)電層。第四導(dǎo)電連接件沿垂直方向延伸,連接第四電極和第二導(dǎo)電層。其中第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層與第一導(dǎo)電連接件和第二導(dǎo)電連接件間有隔離。
一實(shí)施例中,該P(yáng)TC元件包含一PTC材料層、位于PTC材料層表面的第一金屬箔和位于PTC材料層下表面的第二金屬箔,該加熱件包含發(fā)熱層、位于該發(fā)熱層上表面的第一導(dǎo)電層和位于該發(fā)熱層下表面的第二導(dǎo)電層和第三導(dǎo)電層。
根據(jù)此PTC元件和加熱件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一實(shí)施例中,該過(guò)電流保護(hù)元件還包括第一電極、第二電極、第三電極以及第四電極,該第一電極電氣連接該第一金屬箔,第二電極電氣連接該第二金屬箔,第三電極電氣連接該第二導(dǎo)電層,以及第四電極電氣連接該第三導(dǎo)電層。其中該第一電極、該第二電極、該第三電極和該第四電極位于該過(guò)電流保護(hù)元件下表面,作為表面粘著的介面。
一實(shí)施例中,該過(guò)電流保護(hù)元件還包括第一導(dǎo)電連接件、第二導(dǎo)電連接件、至少一第一導(dǎo)電通孔以及至少一第二導(dǎo)電通孔,該第一導(dǎo)電連接件沿垂直方向延伸,連接第一電極和第一金屬箔;第二導(dǎo)電連接件沿垂直方向延伸,連接第二電極和第二金屬箔;至少一第一導(dǎo)電通孔沿垂直方向延伸,連接第三電極和第二導(dǎo)電層;以及至少一第二導(dǎo)電通孔沿垂直方向延伸,連接第四電極和第三導(dǎo)電層。其中第二導(dǎo)電層和第三導(dǎo)電層間有隔離,第一導(dǎo)電層至第三導(dǎo)電層與第一導(dǎo)電連接件和第二導(dǎo)電連接件間有隔離。
本發(fā)明的過(guò)電流保護(hù)元件在特定溫度下(例如60℃)仍具有高維持電流,亦即允許利用高電流達(dá)到快速充電的效果。當(dāng)線路中電壓降或環(huán)境溫度達(dá)到一特定值時(shí),啟動(dòng)加熱件加熱該P(yáng)TC元件,藉此可降低PTC元件的維持電流,進(jìn)而引導(dǎo)或加速PTC元件觸發(fā),特別適用于低體積電阻過(guò)電流保護(hù)元件的應(yīng)用,可同時(shí)達(dá)到低體積電阻、高維持電流以及施加8A電流下必須于60秒內(nèi)觸發(fā)的安規(guī)要求。
附圖說(shuō)明
圖1A~1C顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1D顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件的電路示意圖。
圖2A~2D顯示本發(fā)明第二實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2E顯示本發(fā)明第二實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件的電路示意圖。
圖3A~3C顯示本發(fā)明第三實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3D顯示本發(fā)明第三實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件的電路示意圖。
圖4A~4C顯示本發(fā)明第四實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4D顯示本發(fā)明第四實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件的電路示意圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明:
10、30、60、100 過(guò)電流保護(hù)元件
11、31、61、101、111 PTC元件
12、32、62、102、108 第一金屬箔
13、33、63、103、109 PTC材料層
14、34、64、104 第二金屬箔
15、35、65、106 第一導(dǎo)電層
16、36、66 第二導(dǎo)電層
17、37、67、107 發(fā)熱層
18、19、20、38、39、40、68、69、70 絕緣層
21、41、71、105 加熱件
22、42、72、115 第一電極
23、43、73、116 第二電極
24、44、74、121 第一導(dǎo)電連接件
25、45、75、122 第二導(dǎo)電連接件
26、46、76、131 第三電極
27 導(dǎo)電通孔
28、48、78、117 防焊層
29、50、80、118 防焊層
36’ 第三導(dǎo)電層
42’、43’、72’、73’ 電極
47 第一導(dǎo)電通孔
47’ 第二導(dǎo)電通孔
49、79 第四電極
81 第三導(dǎo)電連接件
82 第四導(dǎo)電連接件
91 偵測(cè)器
92 開(kāi)關(guān)
112、113、114 絕緣層
123 第三導(dǎo)電連接件
具體實(shí)施方式
為讓本發(fā)明的上述和其他技術(shù)內(nèi)容、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂,下文特舉出相關(guān)實(shí)施例,并配合說(shuō)明書(shū)附圖,作詳細(xì)說(shuō)明如下。
圖1A和1B顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件10,其實(shí)質(zhì)上為六面體的過(guò)電流保護(hù)元件,可作為表面粘著元件。圖1A為過(guò)電流保護(hù)元件10的橫向示意圖,用以說(shuō)明元件的基本結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電路徑。過(guò)電流保護(hù)元件10包含沿水平向延伸的導(dǎo)電層、絕緣層和PTC材料層形成的層疊結(jié)構(gòu),并搭配垂直向的導(dǎo)電連接件設(shè)計(jì)出所需的電路結(jié)構(gòu)。為求清楚說(shuō)明所構(gòu)成的電路,將分解后的過(guò)電流保護(hù)元件10中的上、下表面和各導(dǎo)電層如圖1B所示,其中陰影部分代表為缺口設(shè)計(jì),亦即將于電路制作時(shí)被蝕刻掉,以作為隔離之用。過(guò)電流保護(hù)元件10的核心設(shè)計(jì)包含至少一PTC元件11和至少一加熱件21,且較佳地為該P(yáng)TC元件11和加熱件21構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)。PTC元件11包含PTC材料層13、位于PTC材料層13上表面的第一金屬箔12和位于PTC材料層13下表面的第二金屬箔14。加熱件21可為陶瓷PTC加熱件或高分子PTC加熱件,也可以使用具有適當(dāng)電阻值的傳統(tǒng)電阻器加熱件。一實(shí)施例中,加熱件21的電阻大于0.1Ω或0.2Ω。一實(shí)施例中,加熱件21包含發(fā)熱層17和位于其上下表面的第一導(dǎo)電層15和第二導(dǎo)電層16。PTC元件11和加熱件21的上下和兩者之間設(shè)有絕緣層18、19和20,其可為預(yù)浸玻纖樹(shù)脂(prepreg),或其他絕緣材料。上方的絕緣層18表面設(shè)有防焊層28,下方的絕緣層20的下表面設(shè)有第一電極22、第二電 極23及第三電極26。第三電極26設(shè)置于第一電極22和第二電極23之間,并利用溝槽進(jìn)行隔離。PTC元件11的第一金屬箔12利用第一導(dǎo)電連接件24連接至第一電極22,形成電氣導(dǎo)通。第二金屬箔14利用沿垂直方向延伸的第二導(dǎo)電連接件25連接至第二電極23,形成電氣導(dǎo)通。一實(shí)施例中,第一導(dǎo)電連接件24和第二導(dǎo)電連接件25可先用例如機(jī)械鉆孔形成半圓通孔,再利用如電鍍方式形成導(dǎo)電膜于半圓通孔表面而成。發(fā)熱層17上方的第一導(dǎo)電層15同樣利用第二導(dǎo)電連接件25連接至第二電極23,下方的第二導(dǎo)電層16利用導(dǎo)電通孔27電氣連接至第三電極26。
PTC材料層13包含高分子聚合物及散布于其中的金屬或?qū)щ娞沾商盍希哂械腕w積電阻特性。因PTC材料層13采用較低體積電阻的導(dǎo)電填料,PTC元件11的體積電阻值可小于0.1Ω-cm,或甚至小于0.05Ω-cm,屬本領(lǐng)域中低體積電阻(low rho)的PTC元件11。PTC材料層13中的高分子聚合物可包含聚烯經(jīng)類聚合物,例如高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)。高分子聚合物亦可全部或局部使用熔點(diǎn)大于150℃的高熔點(diǎn)結(jié)晶性高分子聚合物材料,例如:聚偏氟乙烯PVDF(polyvinylidene fluoride)、聚氟乙烯PVF(Polyvinyl fluoride)、聚四氟乙烯PTFE(polytetrafluoroethylene)、聚三氟氯乙烯PCTFE(polychlorotrifluoro-ethylene),提高PTC材料層13的熔點(diǎn),而得以應(yīng)用于高溫場(chǎng)合。金屬或?qū)щ娞沾商盍习珂?、鈷、銅、鐵、錫、鉛、銀、金、鉑、碳化鈦、碳化鎢、碳化釩、碳化鋯、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉬、碳化鉿、硼化鈦、硼化釩、硼化鋯、硼化鈮、硼化鉬、硼化鉿、氮化鋯或前述材料的混合物、合金、固溶體或核殼體。
一實(shí)施例中,若加熱件21為高分子PTC,其中的高分子聚合物可選用熔點(diǎn)大于150℃的材料,以適應(yīng)高溫應(yīng)用場(chǎng)合,例如使用聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯PVF、聚四氟乙烯PTFE、聚三氟氯乙烯PCTFE等,以提供高溫應(yīng)用所需。較佳地,該加熱件21的體積電阻值大于PTC元件11的體積電阻值(例如選用碳黑作為加熱件21中的導(dǎo)電填料),如此當(dāng)過(guò)電壓或過(guò)溫發(fā)生時(shí),感壓或感溫偵測(cè)器偵測(cè)到后即啟動(dòng)開(kāi)關(guān)允許電流流過(guò)加熱件21,加熱件21因具有較高電阻值,故可迅速發(fā)熱而有效加熱PTC元件。本發(fā)明因應(yīng)快速發(fā)熱的需求,可在80℃的環(huán)境溫度下,使得該過(guò)電流 保護(hù)元件10于施加電流8A的情況下于60秒內(nèi)觸發(fā)。
一實(shí)施例中,可于過(guò)電流保護(hù)元件10的下表面設(shè)置防焊層29,覆蓋部分的第三電極26,但露出第一電極22、第二電極23和部分的第三電極26,如圖1C所示。未被防焊層29覆蓋的第一電極22、第二電極23和部分的第三電極26作為過(guò)電流保護(hù)元件10表面粘著至電路板的介面。
上述過(guò)電流保護(hù)元件10的電路如圖1D所示。PTC元件11的兩端分別連接第一電極22和第二電極23,加熱件21兩端連接第二電極23和第三電極26。本實(shí)施例中,PTC元件11和加熱件21的一端共用第二電極23。一實(shí)施例中,第三電極26可連接一開(kāi)關(guān)92(例如場(chǎng)效晶體管FET),該開(kāi)關(guān)92另一端連接偵測(cè)器91,以接受其偵測(cè)信號(hào)。當(dāng)偵測(cè)器感91應(yīng)到線路中電壓降(voltage drop)或溫度達(dá)到一特定值時(shí),該開(kāi)關(guān)92導(dǎo)通允許電流流經(jīng)該加熱件21,從而對(duì)PTC元件11進(jìn)行加熱。圖1D中電路端點(diǎn)A1和A2可連接被保護(hù)的電路或裝置,端點(diǎn)B1和B2則可連接至電源端,例如電池。一實(shí)施例中,該偵測(cè)器91可偵測(cè)電路中的壓降(voltage drop)或溫度,若壓降或溫度達(dá)到或大于預(yù)設(shè)值,開(kāi)關(guān)92轉(zhuǎn)換成導(dǎo)通(on),允許電流通過(guò)加熱件21而加熱PTC元件11,從而降低該P(yáng)TC元件11的維持電流,進(jìn)而觸發(fā)該P(yáng)TC元件11。
因低體積電阻的過(guò)電流保護(hù)元件在特定溫度(例如80℃)的維持電流仍高,因而不易觸發(fā)。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì),加熱件21可對(duì)于PTC元件11增溫,加快其觸發(fā)效能,而得以通過(guò)于80℃環(huán)境溫度下8A/60秒內(nèi)觸發(fā)的規(guī)范要求。
圖2A和2B顯示本發(fā)明第二實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件30,其實(shí)質(zhì)上為六面體的表面粘著型過(guò)電流保護(hù)元件。圖2A為過(guò)電流保護(hù)元件30的橫向示意圖,圖2B為過(guò)電流保護(hù)元件30的側(cè)向示意圖,用以說(shuō)明元件的基本結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電路徑。過(guò)電流保護(hù)元件30包含沿水平向延伸的導(dǎo)電層、絕緣層和PTC材料層形成的層疊結(jié)構(gòu),并搭配垂直向的導(dǎo)電連接件設(shè)計(jì)出所需的電路結(jié)構(gòu)。為求清楚說(shuō)明所構(gòu)成的電路,將分解后的過(guò)電流保護(hù)元件30中的各導(dǎo)電層如圖2C所示,其中陰影部分代表為缺口設(shè)計(jì),亦即將部分金屬箔于電路制作時(shí)被蝕刻掉,以作為隔離之用。過(guò)電流保護(hù)元件30的核心設(shè)計(jì)包含PTC元件31和加熱件41,PTC元件31包含PTC材料層33、位 于PTC材料層33上表面的第一金屬箔32和位于PTC材料層33下表面的第二金屬箔34,加熱件41于本實(shí)施例可為PTC型式或其他型式的加熱件,其中包含發(fā)熱層37和位于其上表面的第一導(dǎo)電層35和位于其下表面的第二導(dǎo)電層36和第三導(dǎo)電層36’。PTC元件31和加熱件41上下和其間設(shè)有絕緣層38、39和40,其可為預(yù)浸玻纖樹(shù)脂(prepreg),或其他絕緣材料。防焊層48設(shè)于絕緣層38表面。下方的絕緣層40的下表面設(shè)有第一電極42、第二電極43、第三電極46和第四電極49。第三電極46和第四電極49設(shè)置于第一電極42和第二電極43之間,并利用溝槽進(jìn)行隔離。另外第三電極46和第四電極49之間也形成隔離。PTC元件31的第一金屬箔32利用第一導(dǎo)電連接件44連接至第一電極42,形成電氣導(dǎo)通;第二金屬箔34利用垂直方向延伸的第二導(dǎo)電連接件45連接至第二電極43,形成電氣導(dǎo)通。一實(shí)施例中,第一導(dǎo)電連接件44和第二導(dǎo)電連接件45可先用例如機(jī)械鉆孔形成半圓通孔,再利用如電鍍方式形成導(dǎo)電膜于半圓通孔表面而成。發(fā)熱層37上方的第一導(dǎo)電層35與第一電連接件44及第二導(dǎo)電連接件45間形成隔離,發(fā)熱層37下方的第二導(dǎo)電層36和第三導(dǎo)電層36’也與第一電連接件44及第二導(dǎo)電連接件45間形成隔離,且第二導(dǎo)電層36和第三導(dǎo)電層36’之間彼此隔離,因此形成自第二導(dǎo)電層36、發(fā)熱層37、第一導(dǎo)電層35、發(fā)熱層37至第三導(dǎo)電層36’的電流路徑,形成包含2個(gè)加熱電阻器的電路,亦即本實(shí)施例中,加熱件41包含2個(gè)串聯(lián)的電阻器,可進(jìn)一步提升加熱件41的發(fā)熱效率。第二導(dǎo)電層36利用第一導(dǎo)電通孔47連接至第三電極46,而第三導(dǎo)電層36’利用第二導(dǎo)電通孔47’電氣連接至第四電極49。該第一電極42可還包含位于絕緣層38表面的電極42’,第二電極43可還包含位于絕緣層38表面的電極43’,防焊層48位于電極42’和43’之間。
一實(shí)施例中,可使用防焊層50覆蓋第一電極至第四電極42、43、46和49間的隔離部分,但仍需露出第一電極至第四電極42、43、46和49作為表面粘著于電路板的介面以形成導(dǎo)電路徑,如圖2D所示。
本發(fā)明的第二實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件30的等效電路圖如圖2E所示。本實(shí)施例中,加熱件41包含2個(gè)串聯(lián)的電阻器,可提高加熱效率。類似于圖1D,本實(shí)施例中加熱件41亦可連接至開(kāi)關(guān)以根據(jù)偵測(cè)器所測(cè)得的電壓降或溫度,以決定通過(guò)電流啟動(dòng)加熱件41,以對(duì)PTC元件31加熱進(jìn) 而觸發(fā)。
圖3A和3B顯示本發(fā)明第三實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件60,其實(shí)質(zhì)上為六面體的表面粘著型過(guò)電流保護(hù)元件。圖3A為過(guò)電流保護(hù)元件60的橫向剖面示意圖,圖3B為過(guò)電流保護(hù)元件60的側(cè)向剖面示意圖。用以說(shuō)明元件的基本結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電路徑。過(guò)電流保護(hù)元件60包含沿水平向延伸的導(dǎo)電層、絕緣層和PTC材料層形成的層疊結(jié)構(gòu),并搭配垂直向的導(dǎo)電連接件設(shè)計(jì)出所需的電路結(jié)構(gòu)。為求清楚說(shuō)明所構(gòu)成的電路,將分解后的過(guò)電流保護(hù)元件60中的各導(dǎo)電層顯示如圖3C,其中陰影部分代表為缺口設(shè)計(jì),亦即將于電路制作時(shí)被蝕刻掉,以作為隔離之用。過(guò)電流保護(hù)元件60的核心設(shè)計(jì)包含PTC元件61和加熱件71,PTC元件61包含PTC材料層63和位于PTC材料層63上下表面的第一金屬箔62和第二金屬箔64,加熱件71于本實(shí)施例可為PTC型式的加熱件,其中包含發(fā)熱層67和位于其上表面的第一導(dǎo)電層65和位于下表面的第二導(dǎo)電層66。PTC元件61和加熱件71上下和其間設(shè)有絕緣層68、69和70,其可為預(yù)浸玻纖樹(shù)脂(prepreg),或其他適合的絕緣材料。防焊層78設(shè)于絕緣層68表面。下方的絕緣層70的下表面設(shè)有第一電極72、第二電極73、第三電極76和第四電極79。第三電極76和第四電極79設(shè)置于第一電極72和第二電極73之間,并利用溝槽進(jìn)行隔離。另外第三電極76和第四電極79之間也形成隔離。PTC元件61的第一金屬箔62利用第一導(dǎo)電連接件74連接至第一電極72,形成電氣導(dǎo)通;第二金屬箔64利用垂直方向延伸的第二導(dǎo)電連接件75連接至第二電極73,形成電氣導(dǎo)通。發(fā)熱層67上方的第一導(dǎo)電層65利用第三導(dǎo)電連接件81連接第三電極76,下方的第二導(dǎo)電層66利用第四導(dǎo)電連接件82連接第四電極79。第一導(dǎo)電層65和第四導(dǎo)電連接件82間有隔離,且第二導(dǎo)電層66與第三導(dǎo)電連接件81間有隔離。根據(jù)如此設(shè)計(jì),連接第三電極76和第四電極79的電源,會(huì)使得電流流經(jīng)發(fā)熱層67,也就是電路包含1個(gè)電阻器。一實(shí)施例中,第一至第四導(dǎo)電連接件74、75、81和82可為表面鍍有導(dǎo)電膜的半圓通孔。第一電極72可還包含位于絕緣層68表面的電極72’,第二電極73可還包含位于絕緣層68表面的電極73’,防焊層78位于電極72’和73’之間。防焊層80設(shè)置于元件下表面,但露出第一電極至第四電極72、73、76和79,作為連接至電路板的導(dǎo)電介面。
上述第三實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件60的等效電路圖如圖3D所示,加熱件71可對(duì)于PTC元件61進(jìn)行加熱,而加熱件71為包含1個(gè)電阻器的設(shè)計(jì)。類似于圖1D,本實(shí)施例中加熱件71亦可連接至開(kāi)關(guān)以根據(jù)偵測(cè)器所測(cè)得的電壓降或溫度,以允許電流通過(guò)啟動(dòng)加熱件71,從以對(duì)PTC元件61加熱進(jìn)而觸發(fā)。
圖4A至4C顯示本發(fā)明第四實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件示意圖,其中并聯(lián)2個(gè)PTC元件,以進(jìn)一步降低過(guò)電流保護(hù)元件的整體電阻值。圖4A為過(guò)電流保護(hù)元件100的上視圖,圖4B和4C則分別為圖4A中沿1-1和2-2的剖面示意圖。圖4D為過(guò)電流保護(hù)元件100的等效電路圖。過(guò)電流保護(hù)元件100為包含2個(gè)PTC元件以及1個(gè)加熱件的層疊式結(jié)構(gòu),其中包含PTC元件101、PTC元件111以及設(shè)置于該P(yáng)TC元件101和111之間的加熱件105。該加熱件105因位于該P(yáng)TC元件101和111之間,可同時(shí)對(duì)該2個(gè)PTC元件101和111進(jìn)行加熱作用。PTC元件101包含PTC材料層103和位于其上表面的第一金屬箔102以及位于其下表面的第二金屬箔104。另一PTC元件111包含PTC材料層109、位于PTC材料層109上表面的第一金屬箔108以及位于PTC材料層109下表面的第二金屬箔110。絕緣層112位于PTC元件101上表面,絕緣層113位于PTC元件101和加熱件105之間,以及絕緣層114位于PTC元件111的下表面,作為其間的隔離。PTC材料層103和109中的導(dǎo)電填料采用如前述實(shí)施例所提及的低體積電阻值的導(dǎo)電填料,以提供元件的低阻值需求。加熱件105可為電阻器,其中一實(shí)施例為PTC電阻器,例如使用碳黑作為導(dǎo)電填料的高分子PTC電阻器,其包含第一導(dǎo)電層106、第一金屬箔108以及設(shè)置于其間的發(fā)熱層107。因?yàn)槭褂锰己谧鳛閷?dǎo)電填料使得其電阻相較于PTC元件101和111為高,通電后可有效產(chǎn)生熱,以同時(shí)對(duì)于PTC元件101和111進(jìn)行加熱。本實(shí)施例中,下方PTC元件111的第一金屬箔108即作為加熱件105下方的第二導(dǎo)電層,也就是為兩者所共用的電極。PTC元件101的第二金屬箔104和PTC元件111的第二金屬箔110利用垂直方向的第一導(dǎo)電連接件(例如鍍導(dǎo)電膜的半圓孔)121連接位于元件上下表面的第一電極115,形成電氣導(dǎo)通。類似地,PTC元件101的第一金屬箔102和PTC元件111的第一金屬箔108利用垂直方向的第二導(dǎo)電連接件122連接位于元件上下表面的第一 電極116,形成電氣導(dǎo)通。據(jù)此,形成PTC元件101和111的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。加熱件105的第一導(dǎo)電層106通過(guò)第三導(dǎo)電連接件123連接至位于元件上下表面的第三電極131。位于上下表面的第一電極115、第二電極116和第三電極131之間的絕緣層112和114表面分別覆蓋防焊層117和118。如圖4D所示的電路圖,本實(shí)施例的過(guò)電流保護(hù)元件100并聯(lián)2個(gè)PTC元件101和111,而僅使用一個(gè)加熱件105,在元件不致于過(guò)厚的情況下,可進(jìn)一步降低元件的電阻值。
以下針對(duì)本發(fā)明的過(guò)電流保護(hù)元件的測(cè)試結(jié)果,各實(shí)施例1~6中包含單層PTC元件(如第一實(shí)施例)和兩個(gè)PTC元件(如第四實(shí)施例)的結(jié)構(gòu),且有不同的尺寸大小。測(cè)試的數(shù)據(jù)包含PTC元件的綜合初始電阻值Ri(PTC)、加熱件的初始電阻值Ri(加熱件)、加熱件于施加電壓6V和電流1A條件下的表面溫度(℃)、在60℃下加熱件未被啟動(dòng)時(shí)的維持電流值Ih(hold current,單位A)以及加熱件啟動(dòng)加熱后的觸發(fā)電流It(trip current,單位A)。另外,比較例1和2顯示未包含加熱件的過(guò)電流保護(hù)元件進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果,作為與實(shí)施例1~6的比較之用。實(shí)施例1~6中,PTC元件中使用碳化鈦(也可選擇常用的碳化鎢或鎳金屬粉)作為導(dǎo)電填料,加熱件則選用碳黑,各實(shí)施例的成分比例相同。比較例1和2選用和實(shí)施例1~6相同的PTC元件材料,但沒(méi)有加熱件的設(shè)計(jì)。
[表1]
實(shí)施例1~3為面積分別為12、17.28和47.5mm2的元件,且包含1個(gè)PTC元件的過(guò)電流保護(hù)元件,實(shí)施例4~6為面積分別為12、17.28和47.5mm2的元件,且包含2個(gè)并聯(lián)PTC元件的過(guò)電流保護(hù)元件。實(shí)施例4-6因?yàn)椴⒙?lián)2個(gè)PTC元件的關(guān)系,其PTC元件的綜合電阻值Ri(PTC)大約為同面積的實(shí)施例1~3的一半左右,可得到較低的電阻值元件。實(shí)施例1~6中,加熱件的電阻約為0.1~0.6Ω,遠(yuǎn)大于PTC的電阻0.0008~0.006Ω,約大于50倍或70倍以上。在加熱件施加6V/1A情況下,其表面溫度可達(dá)80℃至110℃,顯然加熱件足以在啟動(dòng)加熱后,有效加熱鄰近的PTC元件。實(shí)施例1~6顯示,在60℃下加熱件未被啟動(dòng)時(shí)的維持電流值Ih約在4~10A,仍具有相當(dāng)大的維持電流,故在電池快速充電的應(yīng)用下,電池溫度即便達(dá)到60℃,仍然可以允許以高電流充電,達(dá)到快速充電的目的。然而一但加熱件啟動(dòng)后,僅需要0.1A~0.3A的微小電流,即可觸發(fā)過(guò)電流保護(hù)元件。相對(duì)地,沒(méi)有加熱機(jī)制的比較例1和2,過(guò)電流保護(hù)元件需要3A的電流才得以觸發(fā)。綜上所述,本發(fā)明的過(guò)電流保護(hù)元件的特性符合關(guān)系式It(加熱)<Ih(60℃)×10%,其中Ih(60℃)是該過(guò)電流保護(hù)元件于60℃加熱件未被啟動(dòng)時(shí)的維持電流,It(加熱)是該過(guò)電流保護(hù)元件于加熱件啟動(dòng)加熱后的觸發(fā)電流。也就是說(shuō),本發(fā)明的過(guò)電流保護(hù)元件能在特定高溫下具有高維持電流,且僅需要很小的電流即可觸發(fā)而得以有效提供過(guò)電流保護(hù)(It(加熱)小于Ih(60℃)的0.1倍)。反觀比較例1和2,其It(加熱)約為Ih(60℃)的0.4~0.6倍左右,顯然其需要較大的電流才能產(chǎn)生觸發(fā),而無(wú)法及時(shí)提供過(guò)電流保護(hù)。根據(jù)表1,實(shí)施例1~6亦符合It(加熱)<Ih(60℃)×8%或甚至符合It(加熱)<Ih(60℃)×5%的關(guān)系。
鑒于低體積電阻PTC元件于高溫時(shí)仍有較高的維持電流,因而不易觸發(fā),本發(fā)明于特定狀況下利用加熱件加熱該P(yáng)TC元件,可降低PTC元件的維持電流,進(jìn)而引導(dǎo)或加速觸發(fā),而得以解決低體積電阻PTC元件不易觸發(fā)的問(wèn)題,可同時(shí)達(dá)到低體積電阻、高維持電流以及符合在80℃施加8A電流下必須于60秒內(nèi)觸發(fā)的過(guò)電流保護(hù)元件要求。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點(diǎn)已公開(kāi)如上,然而本領(lǐng)域技術(shù)人員仍可能基于本發(fā)明的教示及公開(kāi)而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾。因此,本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例所公開(kāi)者,而應(yīng)包括各種不背離本 發(fā)明的替換及修飾,并為以下的權(quán)利要求所涵蓋。