CN1755865A - 对称结构的过压过流保护器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的过压和过流保护器，该保护器包括第一过流保护器、第一过压保护器和第二过压保护器，其中，第一过流保护器处于第一和第二导电端头之间，而且当第一和第二导电端头之间的电流超过一定值时，第一过流保护器形成开路；第一过压保护器连接在第一导电端头上，并将施加该端头上的电压限定在某一水平之下；第二过压保护器连接在第二导电端头上，并将施加该端头上的电压限定在某一水平之下。
Description
技术领域
本发明涉及一种改进型的过压和过流保护装置，更具体地说，本发明涉及一种可保护电路免于相对较高电压和/或较高电流造成损害的过压过流保护器。
背景技术
当今社会享受着大量的现代电子装置所带来的诸多便利和实惠，这些电子设备遍布工业、商业和消费各领域。然而，电子设备中包含着对于一定大小的电流或电压敏感的电路或元器件。电子设备中出现浪涌(spike)或超正常水平的电流或电压，通常就被认为是过电流或过电压的条件。过电流条件或过电压条件的发生会导致电子装置中的电路或元器件的受损或破坏。因此，设计人员经常采用熔断器、变阻器、可控硅或其他装置来防止电路中发生过载情况。
熔断器是一种公知的、被普遍用于电路中进行过电流保护的装置。许多限电流的熔断器中采用金属丝、金属片或金属膜作为熔断元件。当流经熔断元件的电流超过规定的量值时，电流所产生的热量将会熔化熔断元件，形成开路电路，从而防止进一步的过电流。但是，有时熔断元件熔化或断开会产生电弧，这会引起被保护的电路中产生意外的电流，从而可能导致电路受损。为此，熔断元件通常被可以灭弧材料或屏蔽电弧的材料所包围。本领域中已经存在多种类型、多种结构的熔断器，例如在如下的美国专利文件中就描述了各种不同的此类熔断器：6,590,490；6,005,470；5,726,621；5,479,147；5,453,726；5,296,833；5,245,308；5,228,188；和2,864,917。
而变阻器(varistors)这样的过压保护装置也是已知并广泛用于保护电路免于超过额定的电压。变阻器是一种用于电路过电压保护的电子元件。最普通的变阻器是金属氧化物型的变阻器(MOV)。与电容器相类似，变阻器通常包括两个金属电极板，两个金属电极板之间被绝缘材料分隔。这些绝缘材料通常是半导体材料，当负载电压(crossing voltage)较小时，其电阻较高，而当负载电压较大时，其电阻较低。当两电极之间的电压值达到某一水平时，绝缘体击穿，从而允许电流流动(即击穿电流)。变阻器具有一定的电容量，因此也可以被称为电容器；类似地，所有的电容器也具有击穿电压。区别在于：大多数电容器的击穿是非正常的，而且通常会导致器件损坏；而变阻器是设计来重复地承受击穿的。
图1图示一种常规的过流、过压保护装置或模块100，其具有熔断器102，该熔断器102连结在变阻器104的一端。这样的保护电路的例子在美国专利6,636,404和6,510,032中曾有公开。如图1所示，电源106连结在熔断器102的第一端头上，熔断器102的第二端头连结在一个被保护的电子电路108上。变阻器104的第一电极连结在熔断器102的第二端头和电子电路108上，变阻器104的第二电极连结地线。电源106和电子电路108的适当端头(未示出)也同时连接地线。
因为图1中保护模块100具有仅处于熔断器102一端的变阻器104，电路设计是不对称的。因此，当保护电路100被提供给表面贴装器件或零件时，器件的方向就会成为保护装置100发挥正常功能的决定因素，例如，其装在印刷电路(PC)板上时。这样，一个来自电源106的电压脉冲，其对于保护装置100的冲击就不同于一个来自电子电路108的电压脉冲的冲击。来自电源106的电压脉冲将会在变阻器104中产生击穿电流，所有的击穿电流将通过熔断器102。如果电流足够高，就会熔化熔断器102。另一方面，如果电压脉冲来自电子电路108，变阻器104中的全部击穿电流将仅通过变阻器104，而不会对熔断器102产生大的影响。这样，为了保证保护模块100能依照设计正确地嵌入并定向在印刷线路板上，就必须在保护模块100的包装上进行标注，以指明变阻器104的位置和保护模块100的正确方向。这将会在保护模块100的制造、自动包装和安装印刷板过程中产生额外的成本和困难。
而且，如果电源106输出意外的电压浪涌，变阻器104为了实现其预定的功能而压制电压浪涌，变阻器104中所有的击穿电流必须通过熔断器102，而这对保护电路100的设计提出了一个重要的限制，因为熔断器102必须具有相当大的电流规格以承受变阻器104这一击穿电流。此外，现有的保护电路通常使用单层或空心管变阻器，这样的变阻器相对多层变阻器而言其单位体积的电流通过能力非常小。单层或空心管变阻器在此领域是众所周知的，例如日本专利04-359403和05-013205。
针对上述现有过压和过流保护电路的缺点，有必要提供一种改进型的过压和过流保护装置，以克服这些缺点。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点、达到本发明的目的，本发明提供了一种如下所述的过载(过压和过流)保护装置：在其变阻器或其他过压保护装置的保护动作期间(及击穿状态下)，该变阻器或其他过压保护装置的击穿电流不需全部通过该过压和过流保护装置的熔断器；相应地，其熔断器的电流规格可以根据被保护电子电路的规格进行设计，而无需过分顾及变阻器的击穿电流。
在本发明的一个实施方案中，本发明的过压和过流保护装置的特点在于对称设计，亦即熔断器处于两个变阻器之间。该熔断器的第一端头电连接第一变阻器的第一电极(电极之一)，该熔断器的第二端头电连接第二变阻器的电极之一。第一和第二变阻器的第二电极(电极之二)共同接地。，因为，该保护电路接在电源与被保护电子电路间的方向已经与其保护功能无关了。由于在该保护模块的生产及印刷板安装过程中，其电路的方向已无关紧要，所以，也不再需要在该保护电路包装上作外部标记。
在本发明的进一步实施方案中，两个或更多的并联变阻器(也即多层变阻器)连接到一个或多个熔断器的各端头上，其中，如果熔断器超过一个，它们之间也为并联。
在本发明的实施方案之一中，本发明的保护电路可以制成适应于印刷电路板的多层表面贴装器件。
以下，结合具体实施方式和附图，对本发明的技术解决方案作进一步说明，其中，类似或相同的部件标有类似或相同的数字标记。下述的实施方式中，变阻器代表过压保护装置并与一个或多个熔断器相连接。但是，除了变阻器之外，本领域的熟练技术人员完全可以勿需过多的实验，采用的其他类型的过压保护装置，例如，硅可控整流器、二极管、静电释放器(electricstatic discharge，ESD)(例如美国专利6,642,297、6,160,695和5,476,714所描述的树脂复合装置)和公知的气体放电管，都可以用在本发明中。
附图说明
图1为现有技术过压和过流保护装置连结在电源和电子电路间的等效电路示意图。
图2为本发明的一种过压和过流保护装置连结在电源和电子电路间的等效电路示意图。
图3为本发明的一种表面贴装式过压和过流保护装置的立体示意图。
图4为图3中本发明表面贴装式过压和过流保护装置的侧面剖视示意图。
图5为图3中本发明表面贴装式过压和过流保护装置的俯视剖视示意图。
图6为本发明另一种过压和过流保护装置的等效电路示意图。
图7为图6中所示表面贴装式过压和过流保护装置的侧面剖视示意图。
具体实施方式
图2为两端分别与电源106和电子电路108相连接的一种过载保护器或模块200的等效电路示意图。该保护模块200包括熔断器102，该熔断器102包括一熔断元件和其相对的两个端子：第一端子和第二端子，其中，所述第一端子与模块200的第一导电端头103a相连接，所述第二端子与模块200的第二导电端头103b相连接。如图2所示，变阻器104a和104b分别连接第一导电端头103a和第二导电端头103b。其中，第一变阻器104a的第一电极(A点)连接第一导电端头103a，亦即连接着熔断器102中熔断元件的第一端子；第二变阻器104b的第一电极(B点)连接第二导电端头103b，亦即连接着熔断器102中熔断元件的第二端子。两个变阻器104a和104b的第二电极(C点)均连接地线。
保护装置或模块200的导电端头103a连接到电源106的第一端头上，导电端头103b连接到被保护电路108的第一端头上。电源106与被保护电路108的合适端头也连接地线。
运行中，如果电源106输出高于预先设定电压水平的电压浪涌202，第一变阻器104击穿并流过击穿电流204，这样就能压制或减少电压浪涌202到低于某一水平。这样，电子电路108得到保护，免受电压浪涌202的损坏。此外，还需注意，在保护装置200行使过压保护功能过程中，变阻器104a上的全部击穿电流204无须通过熔断器102。更准确地说，仅仅部分击穿电流(例如50％)可以通过熔断器102，这使得熔断器102的设计更加灵活。
图3表示本发明实施方式的表面贴装式过载保护电路或模块300的立体示意图。保护模块300包括第一导电端头103a和第二导电端头103b，导电端头103b处于103a的相反一端，且二者分别与图2中的导电端头103a、103b相对应。当将其安装在还装配有其他外电路和/或元件的印刷电路板上后，导电端头103a和103b就为包含在模块300中的熔断器102和变阻器104a和104b提供与外电路和/或元件(如电源和集成电路片)间的电连接。
保护模块300进一步包括一对接地的侧导电端头302，该对侧导电端头302位于模块300的相对两侧面。这些接地侧导电端头302被制成为同一模块300中熔断器102和变阻器104a和104b的对地电连接通路。
图4表示图3所示实施方式的保护电路模块300侧面剖视图。其中，模块300包括多层半导体和/或绝缘材料层。本领域已知的多种半导体和绝缘材料均可用于本发明中。这些材料此处通称为绝缘物或绝缘材料。
如图4所示：熔断器102被置于第一绝缘层402的顶面。熔断器102的第一端子电连接在第一导电端头103a上，熔断器102的第二端子电连接在第二导电端头103b上。在一种方式中，灭弧材料404包埋着或封闭着熔断器102的熔断元件，以熄灭电弧、切断电弧电流，防止被保护电路受损。当通过熔断元件的电流超过一定水平时，电流生热将会熔化熔断元件并产生金属蒸汽，而金属蒸汽将会产生电弧。为了抑制或熄灭电弧，几种已知的材料如陶瓷粉末、玻璃、无机材料等被用于封闭熔断元件和吸收熔断元件熔化蒸发出来的金属蒸汽。灭弧材料404通过吸收金属蒸汽防止起弧并阻止电流浪涌到达被保护电路。
在本领域已知的复合熔断元件中，可采用两层或更多层灭弧材料之间封闭或夹心着金属或合金材料。本发明也可采用如此的胶囊式或夹心式的复合熔断元件。在另一实施方式中，一种改进的熔断元件是采用导电颗粒(如粉末)和抑制电弧的颗粒混合物复合而成，或者采用在一种材料的颗粒上涂敷有另一材料的薄膜。这样改进的熔断元件及其制备方法也可用于本发明中，其在同时申报的、名称为“复合熔断器材料及其制备方法”的美国专利申请38666-2000100中作有描述。该文件的内容可作为此处参考。
仍参考图4，第一电极406包括金属和/或合金导电板，其一端电连接着端头103a；该第一电极相当于图2中变阻器104a的电极A。第二电极408包括金属和/或合金导电板，其一端电连接着端头103b；该第二电极408相当于图2中变阻器104b的电极B。第三电极410包括金属或合金导电板，其被置于电极406和408之间；该第三电极410电连接着接地的侧导电端头302(图3)之一或二边，其对应于变阻器104a和104b共同的接地电极C。绝缘材料层将电极406、408和410分隔开来。绝缘层及处在绝缘层两边的电极406(A)和410(C)构成变阻器104a(图2)，绝缘层及处在绝缘层两边的电极408(B)和410(C)构成变阻器104b(图2)。
当变阻器104a的电极406和410之间的电压达到一定值，两电极之间的绝缘体被击穿从而允许大电流通过(即击穿电流)。如此一来，变阻器104a使得两电极之间的电压被限制在预设的击穿电压以下。类似地，当变阻器104b的电极408和410两端的电压达到一定值，两电极之间的绝缘体被击穿从而允许击穿电流通过，也就限制了穿过变阻器104b的电压。需要指出，此处的图示并非按比例绘制。
图5表示保护模块300的俯视剖视图。第一电极406(A)电连接着第一导电端头103a、并且覆盖模块300的长度但并不连接第二导电端头103b。第二电极408(B)处于第一电极406以下，且低于虚线表示的中间绝缘层以下；第二电极408电连接着第二导电端头103b、并且覆盖模块300的长度但并不连接第一导电端头103a，第二电极408的一端在图5中用虚线408b表示。
夹心在电极406和408之间以及两绝缘层(未示出)之间的是第三电极410(C)。如图5中虚线所表示，第三电极410向外延伸，电连接着两侧边的两个侧导电端头302。在另一实施方式中，第三电极410仅仅电连接着两侧边的两个侧导电端头302中的一个。如上所述，采用已知的表面贴装技术，导电端头103a、103b和302可为表面贴装件300(图3)提供了将其方便安装在印刷电路板(未示出)上的电连接。
如上述图2～5的讨论，过压和过流保护电路具有对称设计。亦即，电源或被保护电子电路可以连接到导电端头103a、103b的任一端上，因为，不论保护电路模块300在电源与被保护电路间朝向如何，该电路的构造和功能都是相同的。
此外，来自熔断器102任一端的过压脉冲将主要在电连接着熔断器102该侧的变阻器104a或104b中产生电流，从而大量分流了通过熔断器102的击穿电流。在极端的情况下，熔断器102接近零电阻，则变阻器104a和104b等效于并连的一对变阻器。因为一对变阻器104a和104b将均担电流负荷，在过压保护状态中，通过熔断器102的电流相当于通过变阻器总的击穿电流的一半。这样，熔断器102的电流规格可以基本按照被保护电子电路的限流要求决定，而不需受到过压保护需要的变阻器104a和104b的击穿电流的限制。这样，本发明的保护装置较之传统过压和过流保护装置100具有更大的灵活性。
图6为本发明另一种实施方式的过压过流保护装置600的等效电路示意图。保护装置600基本上与图2中的保护装置200类似，只是多了附加的变阻器105a和105b，该两个附加的变阻器105a和105b分别与位于熔断器102两端的变阻器104a和104b并联。增加并联变阻器，可以增加击穿电流，使得作为过压保护器的保护装置600能够承受更大的电流。请注意，多个单层变阻器相互并联等效于一个多层变阻器。
在进一步的实施例中(未示出)，多个熔断器102可以并连在导电端头103a和103b之间。这样，保护装置的额定电流就能大大增加。
图7表示具有图6中保护电路600的多层结构表面贴装件700的侧面剖视图。该装置700基本上类似于图2～5中的保护装置或模块300。各部件的数字编号如102、103a、103b、402、404、406、408和410与图4中的相同部件的编号一致。因此，可以参考原来有关这些部件的描述。但是，图7进一步描述了构成附加并联变阻器105a和105b的附加电极和绝缘层。
如图7所示，附加的电极406’(A’)电连接着导电端头103a，而附加的电极408’(B’)电连接着导电端头103b。附加的接地电极410’(C’)处于电极406’和电极408’之间，而绝缘材料层402将电极406’、408’和410’彼此分隔。
这样，电极406’、410’与它们之间的绝缘层构成变阻器105a(图6)。因为电极406和406’二者均电连接导电端头103a，电极410和410’二者均电连接着至少一个接地导电端头302(图3、图5)，所以，变阻器105a是导电并联着变阻器104a。类似地，电极408’、410’与它们之间的绝缘层构成变阻器105b，电极408和408’二者均电连接导电端头103b，电极410和410’二者均电连接着至少一个接地导电端头302，所以，变阻器105b导电并联着变阻器104b。并联的变阻器104a和105a可以看作为单个的多层结构变阻器。同样，并联的变阻器104b和105b也可以看作为单个的多层结构变阻器。
在进一步的实施例中，一个或多个并联变阻器104可置于一个或多个并联熔断器102的两侧，这取决于变阻器(组)的击穿电流和/或熔断元件(组)的额定电流。
在某实施例中，熔断器102中的熔断元件置于模块300、700的中心部位，如图4、7所示。在另一实施例中，熔断器102可以置于偏离模块300、700中央的位置。当设计为多熔断器102形式时，相应的熔断元件可以因应变阻器电极或绝缘层而相互接近或相互远离。
如上所述的本发明装置的实施例，可以采用各种已知技术进行制备，例如采用干片工艺、湿涂敷工艺、丝网印刷工艺，紫外成形工艺。后续的切割、烧结、封端、镀层工艺则与多层陶瓷元件制造工业中常用的方法相似，这些方法是该领域技术人员所熟知的。
上面描述了本发明的多种优选实施方式，但是，可以理解，上述的这些实施方式仅仅是举例而已，而不是对权利要求所要求保护范围的限制。本领域的普通熟练技术人员，勿需过多试验，就可对上述优选实施方式进行改进，例如采用半导体闸流管、二极管作为过压保护装置代替所述的变阻器，而这种改进都应该属于权利要求所要求的实质内容及其保护范围。
Claims (19)
1、一种具有对称结构的过压和过流保护器，该过压和过流保护器包括：
第一熔断元件，该第一熔断元件包括第一端子和位于第一端子相对侧的第二端子；
第一变阻器，该第一变阻器包括第一电极和第二电极，所述第一电极电连接到所述第一熔断元件的第一端子上，所述第二电极具有电连接地线的结构；以及
第二变阻器，该第二变阻器包括第一电极和第二电极，其中，其第一电极电连接到所述第一熔断元件的第二端子上，其第二电极具有电连接地线的结构。
2、如权利要求1所述的过压和过流保护器，其特征在于，该过压和过流保护器具有表面贴装器件的结构，而且该过压和过流保护器还包括三个导电端头，其中：
第一导电端头电连接到所述第一熔断元件的第一端子及第一变阻器的第一电极上，
第二导电端头电连接到所述第一熔断元件的第二端子及第二变阻器的第一电极上，
第三导电端头电连接到所述第一及第二变阻器的第二电极上。
3、如权利要求2所述的过压和过流保护器，其特征在于，所述第一及第二变阻器的第二电极是该两个变阻器共用的同一电极。
4、如权利要求1或2所述的过压和过流保护器，其特征在于，所述的第一熔断元件包括复合材料，该复合材料包括被灭弧材料包埋的导电板或导电线。
5、如权利要求1或2所述的过压和过流保护器，其特征在于，所述的熔断元件包括由灭弧材料粉末与导电材料粉末混合制得的复合材料。
6、如权利要求1或2所述的过压和过流保护器，其特征在于，所述的熔断元件包括通过在灭弧材料颗粒上涂敷导电材料膜层制得的复合材料。
7、如权利要求1或2所述的过压和过流保护器，其特征在于，所述的过压和过流保护器还包括第三变阻器和第四变阻器，所述的第三变阻器与第一变阻器并连，所述的第四变阻器与第二变阻器并连。
8、如权利要求1或2所述的过压和过流保护器，其特征在于，所述过压和过流保护器还包括第二熔断元件，该第二熔断元件与所述的第一熔断元件相并连。
9、一种具有多层、对称结构的过压和过流保护模块，所述的模块包括：
第一熔断元件，该第一熔断元件处于第一导电端头和第二导电端头之间，且该第一熔断元件包括电连接到所述第一导电端头上的第一端子以及电连接到所述第二导电端头上的第二端子；
第一电极，该第一电极电连接到所述的第一导电端头上；
第二电极，该第二电极电连接到所述的第二导电端头上；
第三电极，该第三电极电连接到一个第三导电端头上，并与所述的第一和第二导电端头相互绝缘；以及
多层的绝缘层，该多层的绝缘层处于所述第一电极、第二电极、第三电极和第一熔断元件之间，使得至少一层的绝缘层将所述第一电极、第二电极、第三电极和第一熔断元件彼此分隔开。
10、如权利要求9所述的过压和过流保护模块，其特征在于，所述的第一熔断元件被夹心置于两层灭弧材料之间。
11、如权利要求9所述的过压和过流保护模块，其特征在于，所述的第一熔断元件包括是由灭弧材料粉末与导电材料粉末混合制得的复合材料。
12、如权利要求9所述的过压和过流保护模块，其特征在于，所述的第一熔断元件包括通过在灭弧材料颗粒上涂敷导电材料膜层制得的复合材料。
13、如权利要求9所述的过压和过流保护模块，其特征在于，所述第一电极、第三电极和介于这两个电极之间的第一绝缘层构成第一变阻器；所述的第二电极、第三电极和介于这两个电极之间的第二绝缘层构成第二变阻器。
14、如权利要求13所述的过压和过流保护模块，其特征在于，所述的保护模块还包括：
与所述第一导电端头电连接的第四电极；
与所述第二导电端头电连接的第五电极；
与所述第三导电端头电连接的第六电极；
第三绝缘层，该绝缘层处于第四电极和第六电极之间，并形成第三变阻器，该第三变阻器与所述的第一变阻器以并连方式电连接；以及
第四绝缘层，该绝缘层处于第五电极和第六电极之间，并形成第四变阻器，该第四变阻器与所述的第二变阻器以并连方式电连接。
15、如权利要求9所述的过压和过流保护模块，其特征在于，所述的过压和过流保护模块还包括第二熔断元件，该第二熔断元件处于所述第一和第二导电端头之间，且与所述的第一熔断元件相并连。
16、一种过压和过流保护装置，其包括：
第一过流保护器，该第一过流保护器处于第一和第二导电端头之间，其中，当所述的第一和第二导电端头之间的电流超过一定值时，该第一过流保护器形成开路；
第一过压保护器，该第一过压保护器电连接在所述第一导电端头上，并将施加该端头上的电压限定在某一水平之下；以及
第二过压保护器，该第二过压保护器电连接在所述第二导电端头上，并将施加该端头上的电压限定在某一水平之下。
17、如权利要求16所述的过压和过流保护器，其特征在于，所述的第一过流保护器包括第一熔断器，所述的第一过压保护器包括第一变阻器，所述的第二过压保护器包括第二变阻器。
18、如权利要求17所述的过压和过流保护器，其特征在于，所述的第一和第二变阻器各包括一多层变阻器。
19、如权利要求17所述的过压和过流保护器，其特征在于，该过压和过流保护器还包括第二熔断器，该第二熔断器与所述的第一熔断器并连，且处于所述的第一和第二导电端头之间。
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