CN115606057A - 具有集成的过电流保护和过温保护的usb电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电缆，其具有终止于第一连接器中的多个导体，该第一连接器包括连接部分，该连接部分具有用于促进连接到相对性别的第二连接器的多个引脚；端子部分，该端子部分包括电源端子，该电源端子在连接部分的电源引脚和延伸通过电缆的电源导体之间提供电连接；以及正温度系数(PTC)芯片，该芯片直接设置在电源端子上并且在电源端子和电源导体之间串联地电连接。

Description

具有集成的过电流保护和过温保护的USB电缆
技术领域
本公开总体上涉及电路保护装置的领域，并且更具体地涉及具有集成的热保护和过电流保护的通用串行总线电缆。
背景技术
通用串行总线(USB)电缆除了其更传统的促进数据通信的作用外，还越来越多地用于向电子装置输送电力。随着最近USB-C标准的出现，USB电缆现在可以以相对小的形状因子输送高达100瓦的电力，从而促进了先前经由USB连接无法实现的高电力应用。然而，据观察，输送如此高的电力可能导致对USB电缆的热损坏，尤其是在USB电缆的引脚变脏、弯曲或以其他方式倾向于次优连接的情况下。
被采用用于保护USB电缆免于过电流/过热的一种技术是将正温度系数(PTC)元件与USB电缆的电力承载导体串联结合，其中PTC元件具有随着PTC元件温度的增加而增加的电阻。因此，当流过PTC元件的电流增加到预定极限以上时，PTC元件可能升温，这造成PTC元件的电阻增加，并且大幅减少或中止流过USB电缆的电流。由此防止了原本因为未减弱的故障电流流过USB电缆而导致的损坏。
与结合了用于热保护和过电流保护的PTC元件的现有USB电缆相关联的缺点是对故障状况的响应慢。也就是说，当这种电缆中的PTC元件被充分加热以造成流过其中的电流显著减少时，可能已经允许故障状况(例如，过热或过电流)在电缆中持续足够长的时间而造成对电缆和/或连接的装置的损坏。因此，期望最小化PTC元件的响应时间，以便避免或减弱故障状况造成的损坏。
就这些和其他考虑而言，目前的改进可能是有用的。
发明内容
提供该概述以便以简化的形式介绍一系列概念，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。该概述不旨在鉴别所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在帮助确定所要求保护的主题的范围。
根据本公开的电缆的示例性实施例可以包括终止于第一连接器中的多个导体，该第一连接器包括连接部分，该连接部分具有用于促进连接到相对性别的第二连接器的多个引脚；端子部分，该端子部分包括电源端子，该电源端子在连接部分的电源引脚与延伸通过电缆的电源导体之间提供电连接；以及正温度系数(PTC)芯片，该芯片直接设置在电源端子上并且在电源端子与电源导体之间串联地电连接。
根据本公开的电缆的另一示例性实施例可以包括终止于第一连接器中的多个导体，该第一连接器包括连接部分，该连接部分具有用于促进连接到相对性别的第二连接器的多个引脚；端子部分，该端子部分包括电源端子，该电源端子在连接部分的电源引脚与延伸通过电缆的电源导体之间提供电连接；带型引线，该带型引线连接到电源端子并且从电源端子延伸；以及正温度系数(PTC)芯片，该芯片直接设置在带型引线上并且在电源端子与电源导体之间串联地电连接。
附图说明
图1是示出根据本公开的具有集成的过电流保护和过温保护的USB电缆的示例性实施例的透视图；
图2是示出根据本公开的图1中示出的USB电缆的连接器的示例性实施例的透视图；
图3A是示出根据本公开的图1中示出的USB电缆的连接器的另一示例性实施例的透视图；
图3B是示出根据本公开的图3A中示出的连接器的PTC芯片和相关联连接元件的示例性实施例的透视图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述根据本公开的具有集成的热保护的数据/电力传输电缆，其中呈现了电缆的优选实施例。然而，电缆可以以许多不同的形式体现，并且可以被配置为符合各种标准(例如，IEEE标准)，并且不应该被解释为限于本文中阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得该公开将向本领域技术人员传达电缆的某些示例性方面。
参考图1，示出了根据本公开的USB-C数据/电力传输电缆10(下文称为“电缆10”)。从表面上看，电缆10可以看起来基本上类似于本领域普通技术人员所熟悉的传统USB-C电缆。电缆10可以包括在其相对端部处的连接器12、14，以及邻近连接器12、14的刚性基板(plaque)16、18，该刚性基板在电缆10中提供应变消除，并且容纳连接器12、14和延伸通过电缆10的各种导体之间的互连(下面将更详细地描述)。
现在参考图2，连接器12被示出为仅与示出的连接到其上的电缆10的电源导体19隔离。应当理解，电缆10可以包括多个附加导体(例如，接地导体、高速数据导体、标准数据导体等)，并且为了以下描述的清晰性，这种导体已经从图2中省略。还应当理解，电缆10的连接器14(见图1)与连接器12基本上是一样的，并且因此以下参考图2对连接器12的描述将也适用于连接器14。
连接器12可以包括连接部分20和端子部分22。连接部分20可以适于与相对性别的USB-C连接器配合接合，并且可以容纳例如根据USB-C标准布置的多个导电引脚23。所示的连接器12是公USB-C连接器，但是本领域普通技术人员将理解，本公开的改进可以类似地在母USB-C连接器中实施。
连接器12的端子部分22可以包括多个导电端子，这些导电端子电连接到连接部分20的引脚23，并且促进引脚23电连接到延伸通过电缆10的各种导体(例如，数据和电源导体)。例如，端子部分22可以包括电源端子24(通常称为“Vbus”端子)以用于促进连接部分20的电源引脚(“Vbus”引脚)25和电缆10的电源导体19之间的电连接。在各种实施例中，电源导体19和电源引脚25可以适于在20安培(100瓦)下处理高达5伏的电压。本公开不限于该方面。
仍然参考图2，正温度系数(PTC)芯片26可以在电源端子24和电缆10的电源导体19之间串联地直接电连接到连接器12的端子部分22的电源端子24。PTC芯片26可以是层压结构，其通常包括PTC元件28，其中导电垫或电极30设置在其顶部表面和底部表面上(PTC元件28的底部表面上的电极30不在视野内，但是与PTC元件28的顶部表面上的电极30基本上是一样的)。电极30可以由任何合适的、导电材料形成，包括但不限于铜、金、镍、锡等。PTC元件28可以由任何类型的PTC材料(例如，聚合PTC材料、陶瓷PTC材料等)形成，这些PTC材料被配置成具有随着PTC元件28的温度增加而增加的电阻。特别地，PTC元件28可以具有预定的“跳闸温度”，高于该跳闸温度时，PTC元件28的电阻(例如，以非线性方式)迅速并且大幅地增加，以便基本上中止电流流过其中。在电缆10的非限制性、示例性实施例中，PTC元件28可以具有80摄氏度到130摄氏度范围内的跳闸温度。
在各种实施例中，PTC芯片26的底部上的电极30可以回流焊到电源端子24，并且电源导体19可以手工焊到PTC芯片26的顶部表面的电极30。本公开不限于该方面，并且可以设想电极30可以经由任何合适的固定手段电连接到电源端子24和电源导体19，包括但不限于回流焊、手工焊、激光焊、点焊、导电粘合等。
在电缆10的运行期间，如果PTC元件28的温度升高到其跳闸温度以上，比如可能由电缆10中的过电流状况或由暴露于外部热源(例如，太阳、热的计算机机箱等)导致，PTC元件28可以展示出高电阻，并且可以中止或减弱流过电源导体19的电流，从而保护电缆10和连接的设备免受损坏，否则如果允许电流持续，可能会导致损坏。随后，当PTC元件28冷却到低于其跳闸温度的温度并且再次导电时，电流可以被允许流过电源导体19。因此，PTC元件28充当减弱电缆10中的过热和过电流的可复位的保险丝。
有利的是，由于PTC元件28被实施在连接器12的电源端子24上，其中PTC芯片26的底部上的电极30的整个宽度被焊接、钎焊或以其他方式直接连接到电源端子24，其间没有导体或迹线(trace)延伸，所以电源端子24和PTC芯片26之间的热联接被优化，并且PTC元件28在连接器12中出现故障状况时的跳闸时间被最小化。这与传统的热保护USB电缆形成对比，在传统的热保护USB电缆中，PTC芯片或装置被实施在印刷电路板(PCB)上，并且通过迹线和/或柔性导体连接到连接器的电源端子。相对于本文中描述的实施例，这种电缆展示出较差的热联接，并且因此提供对故障状况的较慢响应(即，PTC芯片或装置升温和跳闸较慢)，这使得过温或过电流状况持续更长时间并且对电缆和连接的部件造成损坏。此外，相对于传统的热保护USB电缆连接器，连接器12的布置可以以更小的形状因子实施。
现在参考图3A和3B，示出了根据本公开的可选实施例的连接器112。连接器112可以基本上类似于上述连接器12，并且可以包括与上述PTC芯片26基本一样的PTC芯片126。特别地，PTC芯片126可以包括PTC元件128，该PTC元件具有设置在其顶部表面和底部表面上的导电电极130(PTC元件128的底部表面上的电极130不在视野内，但是基本上与PTC元件128的顶部表面上的电极130是一样的)。连接器112可以与上述连接器12不同，不同之处在于，PTC芯片126可以通过带型引线131连接到连接器112的电源端子124，并且可以通过导电引线垫132连接到电缆10的电源导体19。术语“带型”在本文中应被定义为基本上是平面的并且具有由比其厚度大至少5倍的宽度限定的横截面面积，并且更优选地，具有由比其厚度大至少10倍的宽度限定的横截面面积。
参考图3B，带型引线131可以是基本平面的构件(尽管它可以包括形成在其中的一个或更多个弯曲)，该带型引线可以包括接口部分134和舌状部分136。带型引线131可以由任何合适的、导电和导热材料形成，包括但不限于镍、铜、银、金、锡等。接口部分134可以设置成与PTC元件128的底部表面上的电极130平坦地贴靠，并且可以电连接到PTC元件128的底部表面上的电极130。接口部分134和电极130之间的连接可以经由任何合适的固定手段实现，包括但不限于回流焊、手工焊、激光焊、点焊、导电粘合等。接口部分134可以具有等于或大于PTC元件128的底部表面上的电极130的长度和宽度的长度和宽度，以确保其间良好的电联接和热联接。在示例性实施例中，接口部分可以具有大约3.6毫米的长度和大约2.8毫米的宽度。本公开不限于该方面。
带型引线131的舌状部分136可以从接口部分134延伸，并且可以设置成与连接器112的电源端子124平坦地贴靠，并且可以电联接和热联接到连接器112的电源端子。舌状部分136的宽的、平坦的形状可以特别好地适于促进激光焊或点焊到电源端子124。本公开不限于该方面，并且可以设想，舌状部分136可以使用任何合适的导电和导热的固定手段连接到电源端子124，包括但不限于回流焊、手工焊、导电粘合等。
连接器112的引线垫132可以设置在PTC芯片126的顶部上与PTC元件128的顶部表面上的电极130平坦地贴靠并且与PTC元件128的顶部表面上的电极130电连接。引线垫132可以由任何合适的、导电和导热材料形成，包括但不限于镍、铜、银、金、锡等。在非限制性实施例中，引线垫132可以回流焊到电极130。
引线垫132可以相对较厚(例如，可以具有0.3毫米或更大的厚度)，以用于促进电缆10的电源导体19联接到PTC芯片126，而不会损坏PTC芯片126。例如，如果电源导体19直接手工焊或点焊到PTC芯片126，来自钎焊或焊接操作的高热量会损坏PTC元件128和/或造成将电极130保持到PTC元件128的焊料熔化，这导致电极130相对于PTC元件128移位。因此，引线垫132充当热防护物，其保护PTC元件128和电极130在联接期间免受损坏和移位，同时促进电源导体19和PTC芯片126之间的电连接。可以设想，在连接器112的各种可选实施例中，可以省略引线垫132，并且电源导体19可以直接连接到PTC元件128的顶部表面上的电极130。
有利的是，带型引线131在电源端子124和PTC芯片126之间提供牢固的热联接。因此，PTC元件128在连接器112中出现故障状况时的跳闸时间被最小化。这与传统的热保护USB电缆形成对比，在传统的热保护USB电缆中，PTC芯片或装置被实施在印刷电路板(PCB)上，并且通过具有相对较小的横截面面积的迹线和/或柔性导体连接到连接器的电源端子。相对于本文中描述的实施例，这种电缆展示出较差的热联接，并且因此提供对故障状况的较慢响应(即，PTC芯片或装置升温和跳闸较慢)，使得过温或过电流状况持续更长时间并且对电缆和连接的部件造成损坏。此外，相对于传统的热保护USB电缆连接器，连接器112的布置可以以更小的形状因子实施。
应当理解，上述连接器12和112可以类似地在符合除USB-C外的标准的电力/数据传输电缆中实施。例如，上述配置可以类似地在符合苹果闪电标准、苹果雷雳标准、各代高通快速充电标准和早期USB标准的电缆中实施。本公开的实施例不限于该方面。
如本文所使用的，以单数形式陈述并且用单词“一个(a)”或“一个(an)”开头的元件或步骤应被理解为不排除复数元件或步骤，除非明确陈述了这种排除。此外，对本公开的“一种实施例”的引用不旨在被解释为排除也结合所陈述特征的额外实施例的存在。
虽然本公开参考了某些实施例，但是在不脱离如所附(多个)权利要求中限定的本公开的区域和范围的情况下，对所描述的实施例的众多修改、变更和改变是可能的。因此，意图是本公开不限于所描述的实施例，而是具有由以下权利要求及其等同物的语言限定的整个范围。

Claims (19)

1.一种电缆，该电缆具有终止于第一连接器中的多个导体，所述第一连接器包括：
连接部分，该连接部分包括多个引脚，所述引脚用于促进到相对性别的第二连接器的连接；
端子部分，该端子部分包括电源端子，所述电源端子在所述连接部分的电源引脚与延伸通过所述电缆的电源导体之间提供电连接；以及
正温度系数(PTC)芯片，该芯片直接设置在所述电源端子上，并且在所述电源端子与所述电源导体之间串联地电连接。
2.根据权利要求1所述的电缆，其中，所述PTC芯片是包括PTC元件的层压结构，所述PTC元件具有设置在其顶部表面和底部表面上的导电电极。
3.根据权利要求2所述的电缆，其中，所述PTC元件的底部表面上的电极直接物理连接到所述电源端子。
4.根据权利要求2所述的电缆，其中，所述电源导体直接物理连接到所述PTC元件的顶部表面上的电极。
5.根据权利要求2所述的电缆，其中，所述PTC元件具有在80摄氏度至130摄氏度的范围内的跳闸温度。
6.根据权利要求5所述的电缆，其中，当所述PTC元件的温度超过所述跳闸温度时，所述PTC元件适于减弱流过其中的电流。
7.根据权利要求1所述的电缆，其中，所述连接部分、所述端子部分和所述PTC芯片至少部分地设置在基板内。
8.根据权利要求1所述的电缆，其中，所述第一连接器符合USB-C标准。
9.一种电缆，该电缆具有终止于第一连接器中的多个导体，所述第一连接器包括：
连接部分，该连接部分包括多个引脚，所述引脚用于促进到相对性别的第二连接器的连接；
端子部分，该端子部分包括电源端子，所述电源端子在所述连接部分的电源引脚与延伸通过所述电缆的电源导体之间提供电连接；
带型引线，该带型引线连接到所述电源端子并且从所述电源端子延伸；以及
正温度系数(PTC)芯片，该芯片直接设置在所述带型引线上，并且在所述电源端子与所述电源导体之间串联地电连接。
10.根据权利要求9所述的电缆，其中，所述PTC芯片是包括PTC元件的层压结构，所述PTC元件具有设置在其顶部表面和底部表面上的导电电极。
11.根据权利要求10所述的电缆，其中，所述PTC元件的底部表面上的电极直接物理连接到所述带型引线。
12.根据权利要求10所述的电缆，其中，所述第一连接器进一步包括设置在所述PTC元件的顶部表面上的电极上的导电引线垫。
13.根据权利要求12所述的电缆，其中，所述引线垫具有0.3毫米或更大的厚度。
14.根据权利要求12所述的电缆，其中，所述电源导体直接物理连接到所述引线垫。
15.根据权利要求10所述的电缆，其中，所述带型引线基本上是平面的，并且包括固定到所述电源端子的舌状部分和固定到所述PTC元件的底部表面上的电极的接口部分，其中，所述接口部分具有至少与所述PTC元件的底部表面上的电极的长度和宽度一样大的长度和宽度。
16.根据权利要求10所述的电缆，其中，所述PTC元件具有在80摄氏度至130摄氏度的范围内的跳闸温度。
17.根据权利要求16所述的电缆，其中，当所述PTC元件的温度超过所述跳闸温度时，所述PTC元件适于减弱流过其中的电流。
18.根据权利要求9所述的电缆，其中，所述连接部分、所述端子部分和所述PTC芯片至少部分地设置在基板内。
19.根据权利要求9所述的电缆，其中，所述第一连接器符合USB-C标准。
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