CN103380473A - 三功能可回流的电路保护装置 - Google Patents

Abstract

一种电路保护装置(100)，被构造以在下述三种激活状态中的任一种下保护电路元件：过流状态、过温度状态和由加热元件接收的激活控制电流。该电路元件包括第一电极和第二电极(124，126)和加热元件(104)。滑动接触件(108)由检测元件连接至第一电极(124)、第二电极(126)和加热元件(104)，从而在每一个之间桥接并提供导电路径。弹性元件(106)被滑动接触件保持绷紧，并在滑动接触件上施加作用力。在检测到三种激活状态中的任一种时，检测元件释放滑动接触件，并且由弹性元件施加的作用力将滑动接触件移动至基板上的另一个位置，在所述另一个位置处滑动接触件不再在第一电极、第二电极和加热元件之间提供导电路径。

Description

三功能可回流的电路保护装置

技术领域

本发明主要涉及电子保护电路。更具体地，本发明涉及可以电激活的三功能表面安装式电路保护装置。

背景技术

保护电路经常用在电子电路中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气电路中，如锂离子电池组中的电气或热故障状态。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丝。热熔丝类似于典型的玻璃熔丝一样起作用。也就是说，在正常运行状态下，熔丝作用就像短路一样，在故障状态期间，熔丝作用就像开路一样。当热熔丝的温度超过规定温度时，热熔丝在这种两种运行模式之间转变。为了便于这些模式，热熔丝包括可以从传导状态切换至非传导状态的传导元件，如可熔电线、一组金属接触件，或焊接的金属接触件组。还可以结合检测元件。检测元件的物理状态相对于检测元件的温度改变。例如，检测元件可以对应于在激活温度处熔化的低熔点金属合金或离散熔化有机化合物。当检测元件改变状态时，传导元件通过物理地断开导电路径而从传导状态切换到非传导状态。

在操作中，电流流过熔丝元件。一旦检测元件达到规定温度，则它改变状态并且传导元件从传导状态切换到非传导状态。

一些现有热熔丝的一个缺点在于，必须小心进行热熔丝的安装以防止热熔丝达到检测元件改变状态时的温度。结果，一些热熔丝不能经由在将引起检测元件永久地断开的温度处运行的回流焊炉安装至电路板。

美国公开No.2010/0245022、以及美国公开No.2010/0245027中描述的热熔丝解决了上述缺点，通过引用将这些美国专利申请中的每一个的全部内容结合于此。

其它缺点包括尺寸和通用性。电路保护装置通常太高而不能满足对电路板安装装置的高度限制。电路保护装置通常还不能提供允许电路保护装置在充分地保持电路所必须的所有状态下激活的通用性。

虽然已经在提供改进的电路保护装置方面作出了进展，但仍然存在对改进的电路保护装置的需求。

发明内容

一种电路保护装置被构造以在下述三种激活状态中的任一种下保护电路元件：过流状态、过温度状态和由加热元件接收的激活控制电流。该电路保护装置包括基板，该基板具有连接至将被保护的电路的第一电极和第二电极。电路保护装置还包括定位在第一电极和第二电极之间的加热元件。滑动接触件由检测元件连接至第一电极、第二电极和加热元件，从而在每一个之间桥接并提供导电路径。弹性元件被滑动接触件保持绷紧，并在滑动接触件上施加平行于基板的长度的作用力。由位于滑动接触件与第一电极，第二电极和加热元件之间的检测元件提供的连接抵抗由弹性元件施加的作用力。在检测到所述激活状态中的任一种时，检测元件释放滑动接触件，并且由弹性元件施加的作用力将滑动接触件移动至基板上的另一个位置，在所述另一个位置处滑动接触件不再在第一电极、第二电极和加热元件之间提供导电路径。

附图说明

图1是未组装的示例性三功能可回流的电路保护装置的分解图。

图2a是组装后的电路保护装置的底视图。

图2b是图1a中示出的组装后的电路保护装置的顶视图。

图3a是滑动接触件位于闭合位置中的电路保护装置。

图3b是图3a的、滑动接触件位于断开位置中的电路保护装置。

图4是在限制元件熔断之前将由电路保护装置保护的示例性电池组电路的示意图。

图5是图4的电路的示意图，其中限制元件熔断并且滑动接触件处于闭合位置中。

图6是图5的电路的示意图，其中滑动接触件处于断开位置中。

图7是用于三功能可回流的电路保护装置的基板的另一个实施例。

图8是三功能可回流的电路保护装置的另一个实施例的顶视图。

图9是图8中示出的三功能可回流的电路保护装置的底视图。

具体实施方式

图1是未组装的示例性三功能可回流的电路保护装置100的分解图。电路保护装置100包括基板102、加热元件104、弹性元件106、滑动接触件108和间隔装置110。电路保护装置100还可以包括盖112。

基板102可以包括印刷电路板(PCB)。为说明起见，基板102被描述为包括顶部PCB 114和底部PCB 116的多层PCB。将会理解的是，基板102还可以被制造为单层。

顶部PCB 114包括接收加热元件104的开口118。顶部PCB 114的高度可以被设置允许放置在开口118中时的加热元件104与基板102的顶表面共面，即与顶部PCB 114的顶表面共面。在图7中示出且在下文更详细地描述的另一个实施例中，加热元件104可以在制造过程期间被铺设在基板102上，在该示例中，基板102可以不包括开口118。

顶部PCB 114还可以包括用于接收滑动接触件108的悬臂部122的另一个开口120。图1中的开口120平行于基板102的长度延伸，允许滑动接触件108沿平行于基板102的长度的方向滑动。在图8-9中示出且在下文更详细地描述的另一个实施例中，悬臂122可以远离基板102向着盖112延伸。在该示例中，基板102可以不包括开口120。

顶部PCB 114包括焊盘/电极，124、126和128。电极124和126沿着顶部PCB 114的宽度定位在开口118的相对侧上。电极128可以定位在开口118的一侧上，电极128和开口120位于开口118的相对两侧上。如图3a-3b所示，在滑动接触件108处于备用或闭合位置中时，滑动接触件108桥接电极124和126与加热元件104，因此便于加热元件104、电极124和电极126之间的电连接。

底部PCB 116包括分别对应于顶部PCB 114的电极124、126和128的位置的焊盘130、132和134。底部PCB 116还可以包括对应于加热元件104的位置的焊盘136。如图2a所示，底部PCB 116的底侧包括对应于焊盘130，132，134和136的接线端，用于连接至将被保护的电路。

如说明的那样，加热元件104装入基板102中的开口118中。加热元件104还可以构成电路保护装置100的另一个电极。加热元件104可以是正温度系数(PTC)装置，如在美国公开No.2010/0245027中公开的PTC装置，通过引用将该美国申请的全部内容结合于此。除了或代替PTC装置，可以利用作为电流流过该装置的结果而产生热量的其它加热元件，如导电合成物加热器。在另一个示例中，加热元件104可以是零温度系数元件或恒定功率加热器。如图7所示，在另一个实施例中，加热元件也可以是在PCB工艺期间被铺设在基板上的薄膜电阻器或加热装置。

滑动接触件108可以是具有悬臂部122的导电的平面元件。悬臂部122装入开口120中。弹性元件106位于悬臂122和开口120的一侧之间。滑动接触件108可以由例如低熔点检测元件(未示出)熔接至加热元件104和电极124，126。当检测元件改变状态时，如，在阈值温度处熔化时，滑动接触件108不再熔接至电极124，126和加热元件104，并且弹性元件106伸展并沿着沟槽120推动滑动接触件108。检测元件因此可以在滑动接触件108和电极124，126以及加热元件104之间提供机械的和电学的接触。

检测元件可以是例如低熔点金属合金，如焊料。为说明起见，检测元件在本文中被描述为焊料。将会理解的是，其它合适的材料可以用作检测元件，如，例如，具有软化点或熔点的导电热塑料。

在滑动接触件108焊接至加热元件104和第一电极和第二电极124，126的情况下，悬臂122和开口120的该侧之间的弹性元件106被保持为压缩状态。当将滑动接触件108保持至加热元件和电极124，126的焊料熔化时，弹性元件106被允许伸展，压靠在悬臂122上并引起它沿着开口120滑动，这又推动滑动接触件108离开加热元件104和电极124，126。以这种方式，加热元件104、电极124和电极126之间的电连接断开。下文描述的图3a和3b分别示出处于闭合位置和断开位置的电路保护装置。

弹性元件106可以是盘簧，其由铜、不锈钢、塑料、橡胶或已知或预期用于盘簧的其它材料制成。弹性元件106可以是本领域已知的其它可压缩材料和/或结构。为说明起见，弹性元件106被描述为由滑动接触件108保持绷紧处于压缩状态。将会理解的是，弹性元件还可以被构造为被保持绷紧处于伸展或拉伸状态，如在弹性元件包括弹性材料时。在该示例中，当检测到激活状态并且焊料熔化时，弹性元件可以拉动滑动接触件离开基板的加热元件和电极。

电路保护装置100被构造为在至少三种状态下断开。焊料可以通过过流状态熔化，即，通过流过电极124和126(即，第一和第二电极)的电流熔化。当通过电极124和126的电流达到阈值电流时，即，即达到超过设计的保持电流的电流，焦耳加热将引起焊料熔化或以其它方式失去弹性，并且滑动接触件108通过由弹性元件106推开而移动至断开位置。

焊料可以通过过温度状态被熔化，在过温度状态中，装置100的温度通过过热FET或高的环境温度而超过将滑动接触件108保持到电极124，126和加热元件104的焊料的熔点。例如，电路保护装置100周围的环境温度可以达到引起焊料熔化或以其它方式失去弹性的阈值温度，如140℃或更高。在焊料熔化之后，滑动接触件108被沿着沟槽120推动并被推入断开位置，因此防止电流在电极124，126和加热元件106之间流动。

焊料还可以通过受控激活状态被熔化，在受控激活状态中，加热元件104被由其中安装电路保护装置100的电路供给的控制电流激活。例如，在检测到该电路的过电压时，电路保护装置可以将电流转到加热元件104，引起该装置用作受控激活熔丝。当流过加热元件104的电流增加时，加热元件104的温度可能增加。温度的增加可以引起焊料更快速地熔化或以其它方式失去弹性，导致滑动接触件108移动到断开位置。

电路保护装置100还包括在回流期间将滑动接触件108保持在闭合位置中的限制元件(未示出)。在回流工艺期间，将滑动接触件108保持到加热元件104和电极124，126的焊料可以熔化，这将由于压缩的弹簧106的作用力而导致滑动接触件108移动至断开位置。例如，焊料的熔点可以为近似140℃，而回流期间的温度可能达到超过200℃，例如260℃。因此在回流期间，焊料会熔化，引起弹性元件106将滑动接触件108永久地移动至断开位置。

为了防止由弹性元件106施加的作用力在安装期间断开电路保护装置100，限制元件可以用来将滑动接触件108保持在合适的位置并抵抗弹簧106的伸张力。在可回流的热熔丝安装在电路或面板上并通过回流焊炉之后，可以通过施加保险解除电流通过限制元件而熔断限制元件。这又使可回流的热熔丝打开保险。

间隔装置110可以放置在基板102上。间隔装置110是绝缘材料，如陶瓷、聚合物、或玻璃、或其组合。例如，间隔装置110可以为纤维或玻璃增强环氧树脂制成。间隔装置110包括形成沟槽的开口，该沟槽允许滑动接触件108在上述状态下滑动。间隔装置110可以具有稍大于滑动接触件108的高度的高度，使得当盖112放置在电路保护装置100上，盖的下侧邻接间隔装置110，允许滑动接触件108自由地滑动并避免滑动接触件108和盖112之间的任何摩擦。

下文描述的是用于组装电路保护装置100的示例性过程。可以通过PCB板工艺制造基板102，其中电路板焊盘形成主接线端，电镀通路进行从这些接线端至表面安装焊盘的连接。采用已知的钻孔和布线工艺可以切割狭槽。作为替换，可以采用带有被嵌件模制的或在后模压操作中被安装的接线端的注射模制部件。

在制造和图案化基板102之后，通过将加热元件104的底部焊接至基板102可以将加热元件104安装在基板102中。弹性元件106插入沟槽120中。滑动接触件108被插入并滑动以将弹性元件106置于悬臂122和沟槽120的一侧之间处于压缩状态。滑动接触件108焊接至加热元件104和电极124，126。

限制元件在一端连接至滑动接触件108，并在另一端连接至电极128。可替换地，限制元件的一端可以在滑动接触件焊接至加热元件104和电极124，126之前连接至滑动接触件108。在该示例中，限制元件的另一端在滑动接触件108的焊接之后连接至电极128。可以通过阻焊、激光焊接或通过其它已知的焊接技术连接限制元件。

间隔装置110随后可以被放置在基板102的顶部上，间隔装置内的开口具有足够滑动接触件108装配在其内的宽度。随后可以安装盖112以将各种部件保持在合适的位置。

图2a-2b分别示出组装后的电路保护装置200的底视图和顶视图。电路保护装置的底部可以包括便于将电极124，126，128和加热元件106分别电连接至外部电路板元件的接线端202，204，206，208。以这种方式，接线端202，204，206，208可以用来将电路保护装置200安装至电路板(未示出)的表面，并使加热元件106，电极124，126，128与装置200之外的电路电连通。

为了实现低轮廓，电路保护装置200的高度可以为1.5mm或更小。电路保护装置200的宽度可以为3.8mm或更小。电路保护装置200的长度可以为6.0mm或更小。在一种实施例中，电路保护装置可以为6.0mm×3.8mm×1.5mm。由于弹性元件的平行于基板表面的平面的伸展力(这导致滑动接触件还平行于基板的表面滑动)，实现基本上薄的电路保护装置200。

图3a-3b分别示出滑动接触件302处于闭合位置和断开位置中时的电路保护装置300。在闭合位置中，滑动接触件302在电极304，306和加热元件308之间桥接并提供电连接。在断开位置中，当将滑动接触件302保持到电极304，306和加热元件308的焊料熔化时，伸展的弹性元件的作用力沿着基板312中的沟槽310推动滑动接触件302，切断电极304，306和加热元件308之间的电连接。如上所述，电路保护装置300是被构造为在下述三种状态下断开的三功能可回流的热熔丝：过电流、过温度和受控激活。

图3a还图示了上述限制元件314。限制元件314可以是在回流期间将滑动接触件302保持在合适的位置中的焊接的、可熔接限制电线。特别地，限制元件314适于将滑动接触件302固定在防止滑动接触件302在回流期间沿着沟槽310滑动的状态中。例如，限制元件314使得甚至在将滑动接触件302保持到电极304，306和加热元件308的焊料或其它材料熔化的情况下也能够将弹性元件保持在压缩状态中，从而防止弹性元件伸展并沿着沟槽310推动滑动接触件302。

限制元件314可以由能够导电的材料制成。例如，限制元件314可以由铜、不锈钢或合金制成。限制元件314的直径大小形成为以便能够由保险解除电流熔断限制元件314。如通过在安装装置300之后使电流流过限制元件314，熔断限制元件314。换句话说，使足够高的电流或保险解除电流流过限制元件314可以引起限制元件314断开。在一种实施例中，保险解除电流可以约为2安培。然而，将会理解的是，限制元件314的直径和/或另一种尺寸可以增加或减小，允许更高或更低的保险解除电流。

为了便于施加保险解除电流，限制元件314的第一端314a和第二端314b可以与围绕壳体设置的各种焊盘电连通。第一端314a可以连接至电极316，电极316对应于图1-2的实施例中的电极128。参照图1-2的实施例，电极316(或128)与接线端206电连通。第二端314b可以连接至滑动接触件302。保险解除电流可以通过接线端206供给至电极316。

下文描述的是用于安装本文中描述的三功能可回流的电路保护装置的示例性过程。电路保护装置被放置在面板上。焊膏可以在定位电路保护装置之前被印刷在电路板上。带有电路保护装置的面板随后被放入回流焊炉中，这引起焊盘上的焊料熔化。在回流之后，允许面板冷却。

保险解除电流通过电路保护装置的插脚以熔断限制元件。参照图2，足够大的电流，例如，2安培，可以施加至电连接至限制元件的接线端206，以在本文中描述的三种状态中的一种之下熔断限制元件并允许弹性元件将滑动接触件推入断开位置中。熔断限制元件将电路保护装置置入保险被解除状态中。

图4-6是将由电路保护装置保护的示例性电池组电路400的示意图。在图4-6中示出的示例中，电路400利用图3的电路保护装置300。为说明起见，电路保护装置300可以定位成与连接至将被保护的电路部件(如一个或多个FET)的两个接线端402，404串联。将会理解的是，电路保护装置300可以用在其它电路结构中。加热元件308电连接至激活控制器406。

图4示出限制元件314熔断之前的电路保护装置300。图5示出限制元件314熔断之后的电路保护装置300。进一步，在图4-5中，滑动接触件302处于闭合位置，因此在电极304、电极306和电极308(即，加热元件)之间桥接并提供电连接。图6示出处于断开位置的电路保护装置300，其中电极304，306，308之间的电连接断开，如在检测到故障状态(过电流或过温度)之后，或者在由激活控制器406发出激活信号之后。

图7示出用于三功能电路保护装置的基板700的另一个实施例。在该实施例中利用PCB结构中使用的嵌入式电阻器概念。基板700包括顶部PCB层702和底部PCB层704。顶部PCB层702包括用于分别电连接至底部PCB层中的图案化电极710，712的焊盘706，708。顶部PCB层702还包括至加热元件716的通路连接714，加热元件716在PCB工艺期间被铺设在基板700上。在该示例中，加热元件716是薄膜电阻器或其它加热装置。在该实施例中采用该薄膜的情况下，电阻路径横向于该薄膜的平面。

图8-9分别示出三功能可回流的电路保护装置800的另一个实施例的顶部和底部视图。在电路保护装置800中，弹性元件802位于盖804中，而不是位于基板806内。滑动接触件810的悬臂部808向上延伸到盖804中，而不是向下延伸到基板806的开口中，图8-9中的基板806不需要被图案化以包括接收滑动接触件810的悬臂部808的开口。

盖804(图9中示出)包括凹部或沟槽902，悬臂部808可以插入凹部或沟槽902中，并且当将滑动接触件810保持到基板806的电极的焊料熔化时悬臂部808可以滑动通过凹部或沟槽902。

弹性元件802可以穿过盖804的一个侧面安装在盖804中。帽812随后可以插入盖804的该侧面中以将弹性元件802的一端保持在合适的位置中，使得当弹性元件802在本文中描述的激活状态下伸展时，所产生的作用力将沿着沟槽902推动悬臂部808。帽812包括突出部814，突出部814在一端成锥形且在另一端垂直于帽812的长度。以这种方式，帽812可以以搭扣配合连接方式插入盖804的该侧面的孔中。将会理解的是，其它方法可以用来将弹性元件802插入盖804中。

虽然已经参照一些实施例描述了三功能可回流的电路保护装置，但本领域技术人员将会理解，在不偏离本申请的权利要求的保护范围的情况下，可以进行多种变化，并且可以替换等同物。此外，在不偏离其范围的情况下，可以进行多种修改以使特定情况或材料适应该教导。因此，预期的是，三功能可回流的电路保护装置不限于所公开的特定实施例，而是可以是落入权利要求的范围之内的任何实施例。

Claims (12)

1.一种三功能电路保护装置，包括：

包括第一电极、第二电极和加热元件的基板，加热元件被构造以接收激活控制电流；

在第一位置处定位在基板上的滑动接触件，其中在所述第一位置处，滑动接触件经由检测元件连接至第一电极、第二电极和加热元件并在第一电极、第二电极和加热元件之间提供导电路径；

弹性元件，被构造为在检测元件失去弹性时将滑动接触件移动至第二位置，其中在所述第二位置处，滑动接触件未在第一电极、第二电极和加热元件之间提供导电路径，

其中检测元件被构造为在检测到下述三种激活状态中的任一种时失去弹性：

过流状态；

过温度状态；和

由加热元件接收的激活控制电流。

2.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中检测元件包括在阈值温度处熔化的材料。

3.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中滑动接触件包括悬臂部，弹性元件在该悬臂部上施加作用力，优选地，其中悬臂部延伸到一沟槽中，该沟槽由基板中的开口和套在基板上的壳体的底侧中的开口中的一个限定，其中当滑动接触件位于所述第一位置时悬臂部位于沟槽的第一端处。

4.根据权利要求3所述的电路保护装置，其中当检测元件失去弹性时，弹性元件被构造为通过(a)将悬臂部推向沟槽的第二端，或者(b)将悬臂部拉向沟槽的第二端，将滑动接触件移动至所述第二位置。

5.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中当在第一电极和第二电极之间通过的电流超过阈值电流并引起检测元件熔化时检测到过流状态，在过流状态中弹性元件将滑动接触件移动到所述第二位置。

6.根据权利要求1所述的电路保护装置，其中加热元件被构造为在接收到激活控制电流时加热至检测元件的熔点。

7.根据权利要求1所述的电路保护装置，还包括被构造为将滑动接触件固定在第一位置处的限制电线，其中施加保险解除电流通过限制元件引起限制元件断开，并将电路保护装置置于保险被解除状态中。

8.一种电路保护装置，包括：

基板，包括第一电极、第二电极、以及位于第一电极和第二电极之间的加热元件；

定位在基板上的滑动接触件，其中：

在基板上的第一位置处，滑动接触件在第一电极、第二电极和加热元件之间提供导电路径，并且

在基板上的第二位置处，滑动接触件未在第一电极、第二电极和加热元件之间提供导电路径；和

弹性元件，被构造为在检测到下述激活状态中的任一种时在滑动接触件上施加使滑动接触件滑动到所述第二位置的作用力：

过流状态；

过温度状态；和

由加热元件接收的激活控制电流。

9.根据权利要求1或8所述的电路保护装置，其中加热元件包括薄膜电阻器和正温度系数装置中的一个。

10.根据权利要求1或8所述的电路保护装置，其中当围绕电路保护装置的环境温度超过阈值温度时检测到过流状态，在过流状态中弹性元件将滑动接触件移动到所述第二位置。

11.根据权利要求1或8所述的电路保护装置，其中基板包括安装焊盘，该安装焊盘被构造为允许将电路保护装置表面安装至面板。

12.根据权利要求1或8所述的电路保护装置，还包括包围基板、滑动接触件和弹性元件的壳体，并且优选地，存在下述条件中的至少一种：

包围基板、滑动接触件和弹性元件的壳体的高度小于或等于约1.5mm；

包围基板、滑动接触件和弹性元件的壳体的长度小于或等于约6.0mm；

包围基板、滑动接触件和弹性元件的壳体的宽度小于或等于约3.8mm。

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