CN102362329B - 电激活式表面安装热熔断器 - Google Patents

Abstract

一种可回流热熔断器(100)，包括设置在壳体(150)内的具有第一端和第二端(145a，145b)的传导元件(145)。该可回流热熔断器还包括设置在壳体内并适于在热熔断器的激活状态中在传导元件上施加作用力的弹性元件(120)。限制元件(160a)用来在热熔断器的安装状态中固定弹性元件并由此防止弹性元件在传导元件上施加作用力，其中施加通过限制元件的激活电流引起限制元件破裂，并由此释放弹性元件且使热熔断器处于激活状态。

Description

电激活式表面安装热熔断器

技术领域

本发明大体涉及电子保护电路。更具体地，本发明涉及电激活式表面安装热熔断器。

背景技术

保护电路通常用在电子电路以将故障电路与其它电路隔开。例如，保护电路可以用来防止电动汽车发动机控制器中的电路模块的级联故障。保护电路还可以用来预防更严重的问题，如由电源电路故障引起的火灾。

一种类型的保护电路是热熔断器。热熔断器以类似于典型的玻璃管熔丝的方式起作用。也就是说，在正常操作状态下，熔断器像短路一样作用，在故障状态期间，熔断器像开路一样作用。当热熔断器的温度超过指定温度时，热熔断器在这两种操作模式之间转换。为了有利于这些模式，热熔断器包括传导元件，如可熔电线、一组金属接触件、或一组焊接的金属接触件，其可以从传导状态切换至非传导状态。还可以结合感测元件。感测元件的物理状态根据感测元件的温度变化。例如，感测元件可以相当于在激活温度融化的低熔点金属合金或离散熔点有机化合物。当感测元件改变状态时，传导元件通过实际上中断导电路径而从传导状态切换至非传导状态。

在操作中，电流流过熔丝元件。一旦感测元件达到指定温度，它改变状态，并且传导元件从传导状态切换至非传导状态。

现有的热熔断器的一个缺点在于，在热熔断器的安装期间，必须小心以防止热熔断器达到感测元件改变状态的温度。结果，现有的热熔断器不能经由在将引起感测元件过早地断开的温度处操作的回流焊炉安装至电路板。

发明内容

在一个方面中，一种可回流热熔断器包括具有第一端和第二端的传导元件。该可回流热熔断器还包括适于在可回流热熔断器的激活状态中在传导元件上施加作用力的弹性元件。限制元件用来在热熔断器的安装状态中固定弹性元件并由此防止弹性元件在传导元件上施加作用力，其中施加通过限制元件的激活电流引起限制元件破裂，并由此释放弹性元件且使热熔断器处于激活状态。

在另一个方面中，一种用于将可回流热熔断器放置在配电板上的方法，包括提供如上所述的可回流热熔断器。随后将可回流热熔断器放置在配电板上，该配电板包括用于将可回流热熔断器焊接至配电板的焊垫。随后配电板穿过回流焊炉，以将可回流热熔断器焊接至配电板。最后，激活电流通过可回流热熔断器的插脚，以使可回流热熔断器进入激活状态。

附图说明

图1为可回流热熔断器的第一实施方式的剖视图。

图2a为处于安装状态的可回流热熔断器的第一实施方式的剖视图。

图2b为处于激活状态的可回流热熔断器的第一实施方式的剖视图。

图2c为在故障状态期间可回流热熔断器的第一实施方式的剖视图。

图3为用于将可回流热熔断器安装在配电板上并激活可回流热熔断器的流程示意图。

图4a为利用四个焊垫的可回流热熔断器的第一实施方式的剖视图。

图4b为利用四个焊垫的可回流热熔断器的第二实施方式的剖视图。

图4c为利用三个焊垫的可回流热熔断器的实施方式的剖视图。

图4d为利用三个焊垫的可回流热熔断器的第二实施方式的剖视图。

图4e为利用两个焊垫的可回流热熔断器的实施方式的剖视图。

图5a为利用弹簧杆的可回流热熔断器的第一实施方式。

图5b为利用弹簧杆的可回流热熔断器的第二实施方式。

图6a为可回流热熔断器的又一实施方式的剖视图。

图6b为已经出现故障状态之后图6a的可回流热熔断器。

图7a-7e图示了结合发热装置的多种示例性可回流热熔断器配置。

具体实施方式

为了克服上述问题，提供了一种可回流热熔断器。大体上，该可回流热熔断器包括负载电流从中流过的传导元件和适于在传导元件上施加作用力的弹性元件。在一些实施方式中，传导元件结合感测元件。当感测元件的温度超过阈值时，感测元件失去其弹性并经由由弹性元件施加在传导元件上的作用力而变得易于变形和/或破裂。最终，传导元件在该作用力下机械地断开，出现开路状态。在其它实施方式中，感测元件和传导元件分开，且感测元件用来将传导元件保持在低阻状态。

在回流工艺期间，感测元件会失去其弹性。为了防止由弹性元件施加的作用力在安装期间断开传导元件，限制元件可以用来将弹性元件维持在弹性元件不在传导元件上施加作用力的状态。在可回流热熔断器安装在配电板上并通过回流焊炉之后，可以通过施加激活电流通过限制元件而熔断限制元件。这就激活了可回流热熔断器。

在下文中详细阐述了可回流热熔断器的细节结构。包括附图以提供进一步的理解，并且附图结合在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为可回流热熔断器100的第一实施方式的剖视图。可回流热熔断器100包括传导元件145、弹性元件120和限制元件160a。在一些实施方式中，传导元件145、弹性元件120和限制元件160可以设置在壳体150内，壳体150包括设置在壳体150周围的第一、第二和第三焊垫(110、115和105)。在其它实施方式中，传导元件145、弹性元件120和限制元件160可以设置在基板和/或电路板上。

第一、第二和第三焊垫(110、115和105)可以用来将可回流热熔断器100安装至电路板(未示出)并使传导元件145和/或限制元件160与壳体150外部的电路电连通。

传导元件145包括第一端145a和第二端145b，第一端145a和第二端145b可以分别与第一焊垫110和第二焊垫115电连通。传导元件还包括传感器145c。传感器145c可以由具有相对低的熔点和/或在指定温度处失去弹性的任何导电或不导电材料(如焊料或塑料)制成。在一些实施方式中，传感器145c设置在外管145d的内部，外管145d适于在传感器145c失去其弹性时包含传感器145c。例如，外管145d可以在传感器145c熔化时防止传感器145c在壳体150内部四处自由移动。在另一种实施方式中，感测元件可以被表面张力抑制。在可回流热熔断器的操作中，负载电流流过传导元件145。例如，来自电源的负载电流可以流过可回流热熔断器到达其它电路。在一些实施方式中，流过传导元件145的电流主要流过传感器145c。在其它实施方式中，主电流不流过传感器145c。

在又一种实施方式中，传导元件和感测元件可以分开，但感测元件可以用来将传导元件保持在低阻状态。例如，传导元件可以包括由传感器保持在一起的一组“干”(未焊接)接触件，该传感器由大量离散熔化有机材料(如在美国专利No.4,514,718中披露的4-甲基伞形酮)构成。

弹性元件120相当于适于在传导元件145施加作用力的任何材料。在一种实施方式中，弹性元件相当于盘簧，如图1所示。在另一种实施方式中，弹性元件120相当于如图4a所示的弹簧片420。申请人预期弹性元件120可以由本领域技术人员熟知的的任何材料和/或结构制成。例如，弹性元件120可以相当于海绵状材料，如硅橡胶泡沫材料。弹性元件120可以由诸如铜或不锈钢之类的导电材料或诸如塑料或纤维增强塑料复合材料之类的非导电材料制成。可以利用其它材料和结构。

在一些实施方式中，弹性元件120可以包括锥形尖端，如图1中示出的尖端135或图4a中示出的尖端435。锥形尖端可以来将由弹性元件120施加的作用力集中在该尖端。这使得能够在故障状态期间切断传感器145c，如下文所述。在该状态中，传感器145c和传导元件145是相同的一个。是传导元件145的切断实现熔断功能。

限制元件160适于以防止弹性元件120在传导元件145上施加作用力的状态固定弹性元件120。例如，限制元件160使得能够将弹性元件120保持为伸展或压缩状态，从而防止弹性元件在传导元件145上施加作用力。限制元件160可以相当于能够导电的任何材料。例如，限制元件160可以由铜、不锈钢或合金制成。限制元件160的直径的大小可以形成为使得能够采用激活电流烧断限制元件160。换句话说，使足够高的电流或激活电流通过限制元件160可以引起限制元件160断开。在一种实施方式中，激活电流可以约为1A。然而，申请人预期限制元件160的直径和/或其它尺寸可以增加或降低，允许更高或更低的激活电流。

为了便于施加激活电流，限制元件160的第一端160c和第二端160d可以与围绕壳体设置的多个焊垫电连通。在图1的实施方式中，第一端160c和第二端160c可以分别与第一焊垫110和第三焊垫105电连通。激活电流随后可以施加在第一焊垫110和第三焊垫105之间。

在一些实施方式中，限制元件160可以包括适于在激活电流流过限制元件160时断开的第一区域160a和适于在激活电流流过限制元件160时不断开的第二区域160b。例如，第一区域160a可以具有比第二区域160b小的直径。这使得能够控制限制元件160断开的位置，这会是有好处的。例如，参照图1，限制元件160的第一区域160a可以沿着弹性元件120的长度延伸，且第二区域160b可以连接至弹性元件120的尖端135和第一焊垫110。在限制元件160中设置两个区域可以防止限制元件160在壳体150内的其中限制元件160可能干扰可回流热熔断器100的操作的位置断开。

图2a-图2c图示了可回流热熔断器的实施方式的多种状态。在图2a中，可回流热熔断器处于安装状态。在该状态中，限制元件160用来防止弹性元件120在传导元件145上施加作用力。同时在该状态中，可回流热熔断器100可以经由回流焊炉安装在电路板上。在回流工艺期间，可回流热熔断器100和配电板的剩余部分的温度增加，直到将可回流热熔断器连接至配电板的焊料熔化。在该温度处，传导元件145的传感器145c会失去弹性并变得易于变形或破裂。如较早讨论的那样，传感器145c可以由外管围绕，如图1所示。这使得能够在回流工艺期间限制传感器145c的运动。可替换地，传感器145c可以经由表面张力保持在合适的位置。在可回流热熔断器100焊接至配电板之后，配电板可以冷却以允许焊料固化。

图2b图示了激活的可回流热熔断器100。可以在上述回流工艺之后通过使激活电流通过限制元件160而激活可回流热熔断器100。这导致在限制元件160中形成开口125，从而释放弹性元件120，使得它可以在传导和感测元件145上施加作用力。激活电流可以经由设置在可回流热熔断器100的壳体150周围的焊垫施加至限制元件160。

图2c图示了故障状态期间的可回流热熔断器100。在该状态中，如上所述，可回流热熔断器100之前已经被激活。可回流热熔断器周围的环境温度可以达到如200摄氏度的温度，该温度使传感器145c失去弹性和/或变得易于变形。在这种变形发生之后，经由弹性元件120施加的作用力导致在传感器145c中形成开口147，因此防止电流流过传感器145c和因此流过传导元件145。

图3为用于将可回流热熔断器安装在配电板上的流程图。在方块500处，将可回流热熔断器放置在配电板上。例如，将可回流热熔断器，如可回流热熔断器100放置在配电板上。可回流热熔断器100可以处于如图2a所示的安装状态。焊膏可以已经经由掩膜工艺预先涂敷至配电板上与可回流热熔断器100相关联的焊垫位置。随后，将配电板与可回流热熔断器放入回流焊炉中，回流焊炉使焊垫上的焊料熔化。在回流之后，允许配电板冷却。

在方块505处，激活电流流过可回流热熔断器的插脚，以烧断限制元件。例如，参考图1，1安培电流可以流过第一焊垫110和第三焊垫105，以烧断限制元件160，并允许弹性元件120在传导元件145上施加作用力。这种操作使可回流热熔断器处于激活状态，如图2b所示。在由弹性元件施加的作用力下，后续的将多余的热量施加至可回流热熔断器会使传感器145c失去其弹性，和/或变得易于变形和/或破裂。

如从上文的描述可以看出的那样，该可回流热熔断器克服了与经由回流焊炉将热熔断器放置在配电板上相关的问题。限制元件使得能够在回流工艺期间固定传导元件。随后施加激活电流激活可回流热熔断器。随后在后续故障状态期间，传导元件断开。

虽然已经参照某些实施方式描述了可回流热熔断器和用于使用该可回流热熔断器的方法，但本领域技术人员将会理解，在不偏离本申请的范围的条件下可以进行多种改变，并可以用等同物替换。例如，参照图4a，四个焊垫(410a、410d、410c和410b)可以用来代替三个焊垫。在该情况中，激活电流可以通过第一和第二焊垫(410d和410c)，以激活可回流热熔断器400。这导致尖端435与传导元件445接触。如图4b所示，弹性元件420可以用作导体，并可以与焊垫410c电连通，使得激活电流通过弹性元件420流至限制电线460，并断开限制电线460。如图4c和图4d所示，可以使用三个焊垫(410a、410d和410b)，并且激活电流可以流过弹性元件420。如图4e所示，负载电流从中流过的相同的两个焊垫(410a，410b)可以用来烧断限制电线。

图5a和图5b是由申请人预期的其它可替换实施方式。在图5a中，可以使用弹簧杆545。弹簧杆可以用作该热熔断器的负载电流从中流过的传导元件545。传导元件545可以包括处于弹性拉伸的部分，并还可以包括传感器545c。限制元件560可以设置为在回流工艺期间将传导元件545保持在合适的位置。在正常操作期间，负载电流可以流过传导元件545。在激活之后，或者在烧断限制元件560之后，经由传感器545c将传导元件545保持在合适的位置。在故障状态期间，多余的热量导致传感器545c失去其将传导元件545保持在合适的位置的能力，随后传导元件545如图所示的那样断开。

在图5b中，弹簧杆545的一部分可以相当于传导元件，在正常操作状态状态下负载电流如图所示的那样流过该传导元件。如上所述，一旦热熔断器被激活，后续施加的多余的热量导致传感器545c失去其将传导元件545保持在合适的位置的能力，随后传导元件545如图所示的那样断开。

图6a为可回流热熔断器的又一种实施方式的剖视图。在图6a中，传导元件645包括第一部分645a和第二部分645b。传感器645c设置在这两部分之间，并使得电流能够在第一部分645a和第二部分645b之间流动。相当于弹簧的弹性元件620缠绕在传导元件645的第二部分645b的周围，并在第一部分645a和第二部分645b之间施加作用力。限制元件660设置为在回流期间将传导元件645的第一部分645a和第二部分645b保持在合适的位置。激活电流通过限制元件660以烧断限制元件660。后续施加的多余的热量导致传感器645c失去其将传导元件645的两部分保持在合适的位置的能力，弹性元件620推动所述两部分移开，如图6b所示。这又随后断开传导元件645。

申请人预期存在其中上述可回流热熔断器对特定类型的故障状态不能足够快速地反应的例子。例如，传感器不能足够快地失去其弹性以避免电路出现级联故障。因此，在可替换实施方式中，可以与传导元件串联插入正温度系数(PTC)装置(如在美国申请系列No.12/383,560中披露的PTC装置，通过引用将其全部内容结合于此)，以使得由于PTC装置靠近传感器和由PTC装置产生的I²R加热而能够更加快速地加热传感器。除了或代替PTC装置，可以使用其它发热装置，如复合导电加热器，其由于电流流过该装置而产生热量。此外，PTC装置可以提供过载电流功能，其允许熔断器变为过载电流熔断器，导致永久断开。

图7a-7e图示了结合诸如上述PTC装置之类的发热装置780a-e的多种示例性可回流热熔断器配置700a-e。如图所示，发热装置780a-e可以与传导元件745a-e电连通和/或机械连接。电流可以流过发热装置780a-e，并继续通过传导元件745a-e。当流过发热装置780a-e的电流增加时，发热装置的电阻会增加，导致发热装置780a-e的温度增加。温度的增加会引起传导元件更快地失去弹性，产生开路状态。

虽然已经参照某些实施方式描述了可回流热熔断器和用于使用该可回流热熔断器的方法，但本领域技术人员将会理解，在不偏离本申请的范围的条件下可以进行多种改变，并可以用等同物替换。例如，本领域技术人员将认识到，上述发热装置可以适于与在此公开的任何可回流热熔断器实施方式或其任何等同物一起工作，以增强可回流热熔断器的操作特性。此外，可以进行多种修改，以使特定情况或材料适应所述教导而不偏离其范围。因此，目的是，可回流热熔断器和用于采用该可回流热熔断器将不限于所公开的特定实施方式，而且可以应用于落入权利要求的保护范围之类的任何实施方式。

Claims (13)

1.一种热熔断器，包括：

传导元件，具有第一端和第二端；

传感器，与传导元件机械连接；

弹性元件，适于在热熔断器的激活状态中在传导元件上施加作用力；和

限制元件，适于在热熔断器的安装状态中固定弹性元件并由此防止弹性元件在传导元件上施加作用力，其中施加通过限制元件的激活电流引起限制元件破裂，并由此释放弹性元件且使热熔断器处于激活状态，

其中，所述限制元件用于在采用回流焊工艺安装热熔断器期间防止传导元件被断开。

2.根据权利要求1所述的热熔断器，其中当热熔断器周围的环境温度超过阈值时，在由弹性元件施加的作用力的作用下，传感器失去弹性并易于变形，并允许传导元件断开。

3.根据权利要求1所述的热熔断器，其中传感器包括焊料。

4.根据权利要求1所述的热熔断器，其中弹性元件相当于弹簧。

5.根据权利要求4所述的热熔断器，其中弹性元件相当于盘簧或板簧。

6.根据权利要求1所述的热熔断器，其中弹性元件包括导电材料。

7.根据权利要求1所述的热熔断器，还包括至少部分地设置在壳体外侧的多个安装焊垫，所述多个安装焊垫能够将热熔断器表面安装至配电板。

8.根据权利要求7所述的热熔断器，其中传导元件的第一端和第二端与所述多个安装焊垫中的第一和第二安装焊垫电连通。

9.根据权利要求8所述的热熔断器，其中限制元件包括：

(a)与所述多个安装焊垫的第三和第四安装焊垫电连通的第一和第二端；或

(b)与所述第一安装焊垫和第二安装焊垫中的至少一个电连通的第一端，以及与所述多个安装焊垫中的第三安装焊垫电连通的第二端；或

(c)分别与所述多个安装焊垫中的第一和第二安装焊垫电连通的第一和第二端。

10.根据权利要求1所述的热熔断器，其中限制元件包括适于在激活电流流过限制元件时断开的第一区域和适于在激活电流流过限制元件时不断开的第二区域。

11.一种热熔断器，包括：

传导元件，具有第一端和第二端；

传感器，与传导元件机械连接；

与传感器电连通的发热装置，适于在故障状态期间产生热量，所产生的热量引起传感器失去弹性；

弹性元件，适于在热熔断器的激活状态中在传导元件上施加作用力；和

限制元件，适于在热熔断器的安装状态中固定弹性元件并由此防止弹性元件在传导元件上施加作用力，其中施加通过限制元件的激活电流引起限制元件破裂，并由此释放弹性元件且使热熔断器处于激活状态，

其中，所述限制元件用于在采用回流焊工艺安装热熔断器期间防止传导元件被断开。

12.根据权利要求11所述的热熔断器，所述发热装置相当于正温度系数装置。

13.一种热熔断器，包括：

壳体，具有多个焊垫，所述多个焊垫能够采用表面安装技术安装热熔断器；

第一、第二和第三焊垫，至少部分地设置在壳体的外侧；

具有第一端和第二端的传导元件，设置在壳体内并与所述第一和第二焊垫电连通；

弹性元件，设置在壳体内并适于在热熔断器的激活状态中在传导元件上施加作用力；和

限制元件，具有与第一焊垫电连通的第一端和与第三焊垫电连通的第二端，其中限制元件适于在热熔断器的安装状态下固定弹性元件并由此防止弹性元件在传导元件上施加作用力，并且其中施加通过第一焊垫至第三焊垫的激活电流引起限制元件破裂，并由此释放弹性元件且使热熔断器处于激活状态，

其中，所述限制元件用于在采用回流焊工艺安装热熔断器期间防止传导元件被断开。

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