CN102956413B - 保护元件及应用此保护元件的保护装置 - Google Patents

Abstract

一种保护元件及应用此保护元件的保护装置，该保护元件包括：第一熔断单元，沿第一方向延伸而设于一封装基材内；第二熔断单元，沿第二方向延伸而设于上述封装基材内，且与上述第一熔断单元相互交越；以及，第一内埋孔洞，对应于上述第一及第二熔断单元的交越位置而设于上述封装基材内，用以当该第一和该第二熔断单元其中之一发生熔断时，辅助熔断所产生的能量将另一熔断单元截断。

Description

保护元件及应用此保护元件的保护装置

技术领域

本发明涉及保护元件，特别涉及应用内埋(密闭)孔洞辅助截断供电操作的保护元件以及应用此保护元件的保护装置。

背景技术

便携式电子产品，例如移动电话、笔记型计算机等，均采用二次电池。二次电池中的锂电池由于其不具记忆效应，故广泛应用于便携式电子产品。锂电池的充电首重安全性，如果任其处于不正常、或规格外的操作会发生起火、爆炸等危险。因此，市售商品化的锂电池组，必然会提供保护电路以控制锂电池组的充放电。多功能型保险丝(保护元件)具有不占空间、多重保险等优势，为现行锂电池组必用的元件，而许多厂商也致力研究各式各样的多功能型保险丝，以获取应用于二次电池甚或其他电子设备的商机。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种保护元件，应用内埋(密闭)孔洞的辅助进行截断供电的操作，以及应用此保护元件的保护装置。

依据本发明实施范例的保护元件，包括：封装基材，第一熔断单元，第二熔断单元，以及至少一第一内埋孔洞。该第一熔断单元，沿第一方向延伸而设于该封装基材内；该第二熔断单元，沿第二方向延伸而设于该封装基材内，且与该第一熔断单元相互交越。该第一内埋孔洞，对应于该第一及该第二熔断单元的交越位置而设于该封装基材内，用以当该第一和该第二熔断单元其中之一发生熔断时，熔断时所产生的能量将另一熔断单元截断。

依据本发明实施范例的应用前述保护元件的保护装置，包括：前述保护元件，感测单元，以及开关元件。该保护元件还包括：第一端电极，与该第一熔断单元的第一端电性连接，用以接收至少一电压源所提供的电力；第二端电极，与该第一熔断单元的第二端电性连接，用以将该电力提供至一负载装置；以及，第三端电极，与该第二熔断单元的第一端电性连接；其中该第二熔断单元的第二端选择性地与该第一及第二端电极其中之一电性连接。感测单元，耦接该保护元件与该负载装置，当检测到该电力高于预设值，输出一保护信号。该开关元件，耦接该第三端电极与一参考电位节点之间，当接收到该保护信号时即导通而将原提供至该负载的该电力旁路至该参考电位节点。

附图说明

图1A显示依据本发明一实施例的保护元件100的结构示意图。

图1B显示图1A所示保护元件100的等效电路图。

图1C显示图1A及图1B所示保护元件的等效电路图。

图2A～图2C显示本发明保护元件10的三种实施方式，各方式均沿该第一方向切割该保护元件10的剖面示意图。

图3显示保护元件10的另一种实施方式，也是沿该第一方向切割该保护元件10的剖面示意图。

图4A～图4B显示保护元件10的又两种实施方式，均沿该第一方向切割该保护元件10的剖面示意图。

图5A～图5B显示保护元件10的再两种实施方式，均沿该第一方向切割该保护元件10的剖面示意图。

图6A～图6C显示应用上述保护元件10的保护装置60。

【主要元件符号说明】

1、10～保护元件；

100～封装基材；

101～第一熔断单元；

102～第二熔断单元；

102a～连接部；

103、103a、103b～内埋孔洞；

T1-T3～第一至第三端电极；

200～隔板；

201、403、404～弱化缺陷；

202～高挥发性材料层；

303、401、402、501、502～内埋孔洞；

60～保护装置；

601～感测单元；

602～开关元件；

603～温度传感器；

BS～锂电池组(负载装置)；

PS～保护信号；

CS控制信号；

GND～参考接地节点。

具体实施方式

以下说明是本发明的各种实施范例及方式。其目的是要举例说明本发明一般性的原则，不应视为本发明的限制，本发明的范围当以权利要求书所界定者为准。

图1A及图1B显示依据本发明一实施例的保护元件1及10的结构示意图。图1C显示图1A及图1B所示保护元件1及10的等效电路图。

参照图1A，保护元件1，包括：封装基材100；第一熔断单元101，沿第一方向延伸而设于该封装基材100内；第二熔断单元102，沿第二方向延伸而设于该封装基材内，且与该第一熔断单元101相互交越；以及，一内埋孔洞103，对应于该第一及该第二熔断单元(101、102)的交越位置而设于该封装基材100内。该内埋孔洞103为封闭空间(不露出于封装基材外)。

在本发明中，内埋孔洞103设置于第一熔断单元101及该第二熔断单元102互相交越处，如图1A所示的实施范例，设置于该第一熔断单元101的上方。但该内埋孔洞也可以设置于该第二熔断单元102的下方，或是该第一及第二熔断单元(101、102)之间。该内埋孔洞103可依设计所需使该第一和/或第二熔断单元(101、102)的部分曝露于该内埋孔洞103中。

图1B所示的保护元件10相较于图1A的保护元件1，主要差异在于具有两个内埋孔洞103a、103b。

所述内埋孔洞103a、103b为互相独立的封闭空间(不露出于封装基材外)，主要设置于第一熔断单元101及该第二熔断单元102互相交越处。

该第一熔断单元101及该第二熔断单元102，例如为熔丝元件，所述熔丝元件均具有熔断作用区(未图示)。在设置该第一熔断单元101及该第二熔断单元102时，尽可能使熔断作用区彼此(上下)交越。

举例而言，当第二熔断单元102因为该保护元件100启动保护功能而熔断时，该第二熔断单元102的熔断作用区于熔断时产生的破坏能量(例如：爆破力、热能、蒸气压、电弧...等)可通过内埋孔洞103b(甚或内埋孔洞103a)的辅助加以导引或加强，而一并将第一熔断单元101进行结构性破坏、或加以截断。

再请参照图1A及图1B，保护元件1和10均包括第一端电极T1、第二端电极T2及第三端电极T3。该第一熔断单元101的第一及第二端分别延伸至该封装基材100之外而与该第一端电极T1及第二端电极T2电性连接。该第二熔断单元102的第一端延伸至该封装基材100之外而与该第三端电极T3电性连接；另外在此例中，该第二熔断单元102的第二端通过连接部102a而与该第二端电极T2构成电性连接。图1C即显示图1A及图1B所示保护元件1及10的等效电路图。

在此实施例中，该第一方向和该第二方向为实质上互相垂直，但并非限定于此。

以下将配合图1A及图1B的保护元件1及10沿该第一方向切割的剖面示意图，说明在该保护元件1及10的封装基材内设置内埋孔洞的各种实施方式及结构。以下的附图中，相同的符号基本上表示相同的元件或结构，惟为能清晰说明起见，部分相对应第1A、1B图的剖面附图中的元件亦会采用不同的符号表示，应以说明书内文的叙述和其对应剖面附图符号所述者为准。

图2A～图2C显示保护元件10的三种实施方式的剖面示意图，各方式均沿该第一方向切割该保护元件10(及该第一熔断单元101)。

图2A相较于图1B，其还包括一隔板200设于该封装基材100内，而该隔板200也可选用与该封装基材100相同的材料。该第一熔断单元101设于该隔板200的一表面上。该内埋孔洞103a及103b设于该第一和第二熔断单元(101、102)的交越位置。该第一和第二熔断单元(101、102)的部分于该内埋孔洞103b中露出。在图2A所示实施例中，在该隔板200上还设有一弱化缺陷201，例如为预切痕、缺口等。此弱化缺陷201可用以在第二熔断单元在熔断时产生破坏能量的瞬间，控制该隔板200的断裂进而使另一熔断单元的结构亦遭受破坏。

在图2B所示的实施例中，相较于图2A，其还包括一高挥发性材料层202将露出于该内埋孔洞103a的第二熔断单元的部分或全部予以掩盖。该高挥发性材料层例如为：低熔点金属材料、高分子材料、玻璃材料等，但是并非定于此。此高挥发性材料层202，用以在该第二熔断单元102熔断时增强对该第一熔断单元101的破坏力。此外，相较于图2A，图2B中的隔板采用与封装基材100相同的材料，因此可与封装基材100形成一整体结构，故在图2B并未图示该隔板200，但该弱化缺陷201仍图示于图2B中。在以下说明书各实施例的叙述中，如果隔板采用与封装基材相同的材料，而与封装基材以一整体结构呈现时，为简明起见则不再特别以符号标示该隔板。

在图2C所示的实施例中，相较于图2A，该第一熔断单元101的部分被露出于该内埋孔洞103a中，而该第二熔断单元102的部分和该弱化缺陷201被露出于该内埋孔洞103b中。图2C中的隔板采用与封装基材100相同的材料。

图3显示保护元件1的另一种实施方式，也是沿该第一方向切割该保护元件1的剖面示意图。

在图3所示的实施例中，相较于图1A，其还包括一隔板200设于该封装基材100内，而该隔板200也可选用与该封装基材100相同的材料。该第一熔断单元101设于该隔板200的一第一表面上，而该第二熔断单元102则设于该第一表面的反面上。图3的保护元件仅设置一内埋孔洞303于该第一和第二熔断单元(101、102)的交越位置。该第一熔断单元101的部分于该内埋孔洞303中露出。在该第二熔断单元102熔断时，该内埋孔洞303提供破坏力(破坏能量)的导引，从而能使该破坏能量能轻易破坏该第一熔断单元101的结构。

图4A～图4B显示保护元件10的又两种实施方式，均沿该第一方向切割该保护元件10的剖面示意图。

在图4A所示的实施例中，保护元件10包括内埋孔洞401与402，以包夹该第一及该第二熔断单元(101、102)交越位置的方式而设置于该封装基材100内。需注意的是该第一及该第二熔断单元(101、102)均未于该内埋孔洞(401、402)中露出。

在图4B所示的实施例中，与图4A的差异在于，该内埋孔洞401于靠近该第一熔断单元101处设置有弱化缺陷403，该内埋孔洞402于靠近该第二熔断单元102处设置有弱化缺陷404。

图5A～图5B显示保护元件10的另两种实施方式，均沿该第一方向切割该保护元件10的剖面示意图。

在图5A所示的实施例中，保护元件10包括内埋孔洞501与502，对应该第一及该第二熔断单元(101、102)的交越位置而设置于该封装基材100内。该第一及该第二熔断单元(101、102)分别于该内埋孔洞(501、502)中有部分露出。在图5B所示的实施例结构大致与图5A相同，然而图5A所示该第一与该第二熔断单元的距离大于图5B所示的距离。参照图5B，该第一及第二熔断单元(101、102)可视为设置于隔板(与封装基材相同材料，故未图示)的两个面上。

此外，还可使用高挥发性材料层(未图示于图5A、图5B)将露出于该内埋孔洞502的第二熔断单元102的部分或全部予以掩盖。

以下说明将以上所述保护元件10，配合对应电路用以对电子设备进行保护的范例(使用保护元件1亦能达成相同的功能)。

图6A显示应用上述保护元件10的保护装置60。保护装置60包括：前述的该保护元件10；感测单元601；以及开关元件602。在此实施例中，此保护装置60用以保护耦接至电压源的负载装置，例如为笔记型计算机的锂电池组BS(二次电池组)，但并非限定于此，也可以用保护其他电子设备。

该保护元件10由第一及第二熔断单元101和102所构成；如图2A及前述各种实施方式所示并且具有第一至第三端电极(T1～T3)。该第一端电极T1，用以接收至少一电压源所提供的电力。该第二端电极T2，将该电力提供至该锂电池组BS(负载装置)。

该电压源通过该第一熔断单元101提供电力至该锂电池组BS，倘若由于异常或其他原因造成流过该第一熔断单元101的电流超过第一熔断单元101能容忍的第一电流规格值(亦即发生过电流的情形)，该第一熔断单元101即发生熔断，藉此截断该电压源提供的电力而保护该锂电池组BS免受过电流的破坏。

该开关元件602，耦接该第三端电极T3与一参考电位节点之间(例如参考接地节点GND)。在此实施例中该开关元件602为场效晶体管，但是并非限定于此。

感测单元601如图6A所示，跨接于该锂电池组BS的两端以检测提供至该锂电池组BS的电压(即锂电池组BS的跨压)是否超过预定电压。在检测出超过预定电压时(亦即发生过电压)，该感测单元601发出保护信号PS将该开关元件602导通，因此原本要提供至锂电池组BS的电压，将会经过该第二熔断单元102及该开关元件602而被旁路(bypass)至该参考接地节点GND。发生过电压的情形下，倘若该第一或第二熔断单元其中之一发生熔断时，熔断产生的破坏能量将会使另一熔断单元连带地发生结构性的破坏，藉此达到将锂电池组BS完全与该电压源隔绝，同时保护锂电池组BS与电压源。

此外，可选择将第二熔断单元102的能容忍的第二电流规格值设计为小于该第一熔断单元101的第一电流规格值，倘若流过该第二熔断单元102的电流大于该第二电流规格值(但小于该第一电流规格值)，则该第二熔断单元102发生熔断，同时熔断产生的破坏能量将会使该第一熔断单元101连带地发生结构性的破坏，藉此达到将锂电池组BS完全与该电压源隔绝，同时保护锂电池组BS与电压源。

图6B显示应用上述保护元件10的保护装置60的另一实施例。同上图6A所述，倘若由于异常或其他原因造成流过该第一熔断单元101的电流超过第一熔断单元101能容忍的第一电流规格值(亦即发生过电流的情形)，该第一熔断单元101即发生熔断，藉此截断该电压源提供的电力而保护该锂电池组BS免受过电流的破坏。

图6B的感测单元601跨接于该第一熔断单元101的两端，通过测得第一和第二端电极(T1和T2)分别对接地节点GND的电压，以监测该第一熔断单元101的跨压(T1-T2间的电压降)以及该锂电池组BS接收的电压(T2-GND间的电压降)。

在检测出该锂电池组BS接收的电压超过预定电压时(亦即发生过电压)，该感测单元601发出保护信号PS将该开关元件602导通，因此原本要提供至该锂电池组BS的电压，将会经过该第二熔断单元102及该开关元件602而被旁路(bypass)至该参考接地节点GND。

此外，该感测单元601由该第一熔断单元101的跨压及其本身的电阻值可得知流过该第一熔断单元101的电流I1(未图示)。当该感测单元601判断流过该第一熔断单元101的电流I1小于该第一电流规格值但大于一警示值时，亦会发出该保护信号PS将该开关元件602导通，使该电流I1流过该开关元件602及该第二熔断单元102。该第二熔断单元能容忍的第二电流规格值可以是小于或等于该第一熔断单元101。

在此实施例中，假设该第一及第二电流规格值分别为12安培和4安培。在该电压源对该锂电池组BS充电时，流过该第一熔断单元101的电流I1虽然未发生过电流，但是对锂电池组BS而言，充电电流(即I1)若持续大于该警示值时，则会对锂电池组造成损坏。因此，该感测单元601在判断出流过该第一熔断单元101的电流I1超出该警示值(在此例如为7安培)时，则发出该保护信号PS将该开关元件602导通，电流I1改流经该开关单元602与该第二熔断单元102。由于电流I1大于该第二电流规格值，故该第二熔断单元102发生熔断，同时熔断产生的破坏能量将会使该第一熔断单元101连带地发生结构性的破坏，藉此达到将锂电池组BS完全与该电压源隔绝。通过上述方式，可通过设定该警示值进一步提供对该将锂电池组BS的保护。

图6C显示上述图6A、图6B的上位电路架构图。与图6A、图6B相同的元件及动作，在此不再赘述。

图6C的该感测单元601，耦接该保护元件10与该锂电池组BS，可直接检测锂电池组BS两端的电压(如图6A、图6B)、以决定是否发生过压的情形。惟该感测单元601也可通过设置于该锂电池组BS内的电压监测装置提供的对应信号来判定是否发生过电压的情形。此外，也可通过设置于该锂电池组BS内的电流监测装置提供的对应信号来判定是否发生超出前述警示值的情形。

在一实施例中，保护装置60还可包括温度传感器603(图6A、图6B)，用以测量环境温度或该锂电池组BS的温度，当检测得到的温度高于既定温度值时，发出一控制信号CS以驱动该开关元件602导通以将电力予以旁路。

需注意的是，如果将该保护元件10的第一端电极T1改连接该锂电池组BS，第二端电极T2改连接该电压源，上述图6A～图6C所述的动作仍可正常运作。

由上述图6A～图6C所述可知，本发明提出的保护元件内部设置有内埋孔洞结构且含括双熔断单元，当发生过电压时，第二熔断单元102熔断时的破坏能量亦能通过内埋孔洞的作用而一并将第一熔断单元101的结构加以破坏，故能提供更完整的保护功能。

虽然本发明已以诸项实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不违背本发明精神和范围的情况下，可做些许变动与替代，因此本发明的保护范围当应视所附权利要求书要求保护的范围所界定者为准。

Claims (15)

1.一种保护元件，包括：

封装基材；

第一熔断单元，沿第一方向延伸而设于该封装基材内；

第二熔断单元，沿第二方向延伸而设于该封装基材内，且与该第一熔断单元相互交越；以及

第一内埋孔洞，对应于该第一及该第二熔断单元的交越位置而设于该封装基材内，用以当该第一和该第二熔断单元其中之一发生熔断时，辅助熔断所产生的能量将另一熔断单元截断；

第二内埋孔洞，对应于该第一及该第二熔断单元的交越位置且与该第一内埋孔洞上下交错地设于该封装基材内；以及

一隔板设于该封装基材内；其中该第一熔断单元设置于该隔板上，

其中该隔板对应于该交越位置的部分更形成一弱化缺陷，用以当该第一和该第二熔断单元其中之一发生熔断时，加速该隔板的断裂。

2.如权利要求1所述的保护元件，其中位于该交越位置的该第一及该第二熔断单元的部分均曝露于该第二内埋孔洞中；该弱化缺陷曝露于该第一内埋孔洞中。

3.如权利要求2所述的保护元件，还包括高挥发性材料层，将曝露于该第二内埋孔洞中的该第二熔断单元的一部分或全部加以掩盖。

4.如权利要求1所述的保护元件，其中位于该交越位置的该第一熔断单元的部分曝露于该第一内埋孔洞中；该第二熔断单元及该弱化缺陷曝露于该第二内埋孔洞中。

5.如权利要求1所述的保护元件，其中位于该交越位置的该第一熔断单元的部分曝露于该第一内埋孔洞中；该第二熔断单元设置于该第一熔断单元于该隔板所设位置的背面。

6.如权利要求1所述的保护元件，还包括第二内埋孔洞；该第一与该第二内埋孔洞包夹该第一及该第二熔断单元的交越位置而设置于该封装基材。

7.如权利要求6所述的保护元件，还包括第一及第二弱化缺陷，分别设于该第一及该第二内埋孔洞中靠近该第一及该第二熔断单元的位置。

8.如权利要求6所述的保护元件，其中该第一内埋孔洞设置于该第一熔断单元上且使该第一熔断单元的部分在该第一内埋孔洞的底部露出；该第二内埋孔洞设置于该第一熔断单元之下且使该第二熔断单元的部分在该第一内埋孔洞的顶部或底部露出。

9.如权利要求8所述的保护元件，还包括高挥发性材料层，将曝露于该第二内埋孔洞中的该第二熔断单元的一部分或全部加以掩盖。

10.如权利要求1所述的保护元件，其中该第一及第二方向实质上相互垂直。

11.如权利要求1所述的保护元件，还包括第一、第二及第三端电极设置于该封装基材内；

其中该第一熔断单元的第一及第二端延伸出该封装基材外而分别与该第一及该第二端电极电性连接；该第二熔断单元的第一端延伸出该封装基材外而与该第三端电极电性连接，该第二熔断单元的第二端选择性地与该第一及该第二端电极其中之一构成电性连接。

12.一种保护装置，包括：

如权利要求1所述的保护元件，该保护元件还包括：

第一端电极，与该第一熔断单元的第一端电性连接，用以接收至少一电压源所提供的电力；

第二端电极，与该第一熔断单元的第二端电性连接，用以将该电力提供至一负载装置；以及

第三端电极，与该第二熔断单元的第一端电性连接；其中该第二熔断单元的第二端选择性地与该第一及第二端电极其中之一电性连接；

感测单元，耦接该保护元件与该负载装置，当检测到该电力高于预设值，输出一保护信号；以及

开关元件，耦接该第三端电极与一参考电位节点之间，当接收到该保护信号时即导通而将原提供至该负载的该电力旁路至该参考电位节点。

13.如权利要求12所述的保护装置，其中该感测单元检测提供至该负载单元的电流或电压而决定该电力是否高于该预设值。

14.如权利要求12所述的保护装置，还包括温度传感器，用以测量环境温度或该负载的温度，当检测得到的温度高于既定温度值时，发出一控制信号以驱动该开关元导通。

15.如权利要求12所述的保护装置，其中该负载装置为二次电池。