TWI495233B - 電源轉接器、絕緣體組件及用於製造電源轉接器之方法 - Google Patents

電源轉接器、絕緣體組件及用於製造電源轉接器之方法 Download PDF

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Description

電源轉接器、絕緣體組件及用於製造電源轉接器之方法
本申請案依據35 USC § 119(e)規定主張2011年10月13日申請之美國臨時專利申請案第61/547,020號之權利，該臨時專利申請案之揭示內容之全文係出於所有目的而以引用的方式併入本文中。
電源轉接器無所不在且用於多種電子裝置中。一些電源轉接器將傳入AC電壓轉換成DC電壓以供已連接電子裝置使用。一些其他電源轉接器將一AC波形轉換成另一AC波形，其中可任意地設定輸出電壓及頻率。大多數電子裝置係依靠DC電壓而操作。電子裝置之實例包括(但不限於)電腦、攜帶型媒體播放器、平板電腦(tablet)、行動電話，等等。
此等電子裝置中之大多數具有內部電池，可藉由將DC電壓施加至該電池而對該電池進行充電。電池儲存電荷，電荷接著可由電子裝置用於其操作。供應至住宅及工業之大多數電能呈AC電壓之形式。因此，為了對電子裝置之電池進行充電，有必要將AC電壓轉換成所需DC電壓。現今使用之電源轉接器中許多者經設計成(例如)經由位於壁中之插座連接器(通常被稱為「壁式插座」)而接受傳入AC電壓，且將傳入AC電壓轉換成DC電壓。因為AC電壓及DC電壓在此項技術中為吾人所熟知，所以此處省略AC電壓及DC電壓之解釋。
在電源轉接器中，變壓器將傳入AC電源轉換成DC電源 且關聯電路可將DC濾波及調節至所要值。基本習知AC-DC轉接器之個別元件中之每一者在此項技術中為吾人所熟知。常常，某一類別之絕緣體材料提供於轉接器之高電壓電路(例如，AC電壓)與低電壓電路(例如，DC電壓)之間。絕緣體材料有助於保護低電壓電路以免受到高電壓電路中之故障影響。
通常，組裝電源轉接器之程序包括許多手動步驟。舉例而言，圍繞高電壓元件手工纏繞諸如Kapton®膠帶之絕緣材料，以便提供所需絕緣。因為手動程序傾於發生品質及可靠性之大變化，所以製造電源轉接器之較好程序將極大地減輕品質問題且幫助電源轉接器之可製造性。其他潛在問題可與單獨印刷電路板之使用(亦即，針對AC電路使用一印刷電路板且針對DC電路使用另一印刷電路板)有關，因為該等板在最終組裝之前必須彼此電連接。此情形可引起製造問題，此係因為個別連接導線可需要手工焊接且因為小元件在製造程序期間必須在極小區域中固持於合適位置。已藉由利用帶狀纜線進行在應付潛在配線問題時之一些嘗試。然而，此等纜線龐大、堅硬且難以在電源配接器之小界限內工作。舉例而言，該等纜線可需要膠帶及/或膠劑以固持於合適位置。
本發明之實施例大體上係關於電源轉接器。更具體言之，本發明之一些實施例係關於一種單片絕緣體組件，該單片絕緣體組件具有內嵌於其中的輔助電源轉接器之快速 且準確之組裝的特徵及通道。
本發明之一些實施例提供一種電源轉接器。該電源轉接器包括一第一連接器及一第一電組件，該第一電組件耦接至該第一連接器且經組態以接收一傳入AC電壓且將該傳入AC電壓轉換成一DC電壓。該電源轉接器進一步包括一第二連接器及一第二電組件，該第二電組件耦接至該第二連接器且經組態以接受該DC電壓且經由該第二連接器輸出該DC電壓。另外，該電源轉接器亦包括具有一第一側及一第二側之一單片絕緣體單元。該第一電組件耦接至該第一側且該第二電組件耦接至該第二側。該絕緣體組件進一步包括內嵌於其中以在指定位置處在該第一電組件與該第二電組件之間提供一電路徑之一或多個通道。該電源轉接器進一步包括附接至該單片絕緣體單元之一電源變壓器及附接至該單片絕緣體單元之一共模抗流器。
本發明之一些實施例提供一種絕緣體組件。該絕緣體組件包括具有一第一側及一第二側之一單片結構。該第一側及該第二側中之每一者在其上具有用以使該單片結構能夠分別接受一第一電路及一第二電路之特徵。存在內嵌於該單片結構中之一或多個通道。該一或多個通道中之每一者自該第一側延伸至該第二側。該單片結構進一步包括安置於該一或多個通道中之每一者中以在該第一電路與該第二電路之間提供電連接之導電構件。在一特定實施例中，該單片結構係由具有一V-0耐燃等級之一材料(例如，玻璃填充式耐綸)製成。
本發明之一些其他實施例提供一種用於組裝或製造一電源轉接器之方法。該方法包括提供具有一第一側及一第二側之一單片絕緣體單元。該第一側及該第二側中之每一者包括形成於其上之特徵。該方法進一步包括將一變壓器附接於該單片絕緣體單元之一第一預定義位置處，及將一共模抗流器附接於該單片絕緣體單元之一第二預定義位置處。該方法亦包括將包括一第一電路之一初級印刷電路板(PCB)附接至該單片絕緣體單元之該第一側，及將包括一第二電路之一次級PCB附接至該單片絕緣體單元之該第二側。另外，該方法包括在該初級PCB與該次級PCB之間提供電連接性。最後，該方法包括將一頂蓋組件附接至該單片絕緣體單元、將該單片絕緣體單元置放於外殼內部，及將該頂蓋組件附接至該外殼以將該單片絕緣體單元密封於該外殼內。
以下詳細描述連同隨附圖式一起將提供對本發明之實施例之性質及優點的較好理解。
本發明之實施例大體上係關於電源轉接器。更具體言之，本發明之一些實施例提供一種包括單片絕緣體結構之電源轉接器。絕緣體結構包括經設計成接受初級印刷電路板(PCB)、變壓器及次級PCB之特徵。絕緣體結構在其中具有內嵌式通道，且金屬構件可插入於該等通道中以在初級PCB與次級PCB之間產生電路徑。本發明揭示供攜帶型電子裝置使用之電源轉接器。本文所揭示之電源轉接器可 以可引起一或多個優點的更有效率且一致之方式製造。舉例而言，如下文所描述，使用單片絕緣體組件會在初級電路與次級電路之間引起一致、可靠且適當的間隔，使得電源轉接器始終滿足或超過所需安全容限。另外，舉例而言，如下文所描述，使用導電接針/構件而非導線以將初級(primary stage)及次級(secondary stage)電耦接在一起亦會引起縮減之製造要求及經更一致製造且可靠之最終產品。
本發明之其他實施例提供用於製造電源轉接器之方法。該方法包括提供單片絕緣體結構，絕緣體結構具有自絕緣體結構之一側延伸至絕緣體結構之另一側的內嵌式電路徑。共模抗流器、變壓器、包括高電壓(例如，AC)電路之初級PCB及包括低電壓(例如，DC)電路之次級PCB以彼次序附接至絕緣體結構以形成電源轉接器之電組件。對共模抗流器之輸入連接至頂蓋組件上之輸入叉尖。整個組件接著經插入至外殼中且頂蓋組件以超音波方式熔接至外殼以完成轉接器。
圖1A及圖1B說明根據本發明之一實施例的電源轉接器100之等角視圖。電源轉接器100包括外殼102及頂蓋組件104。外殼102可由任何合適材料(例如，塑膠、橡膠、陶瓷、矽，等等)製成。儘管外殼102被說明為具有矩形形狀，但無需為此情形。外殼102可具有特定應用所需要之任何其他形狀。頂蓋組件104可包括兩個或兩個以上連接器106。連接器106經設計成與提供AC電源之對應插座連 接器(例如，壁式插座)嚙合。在與頂蓋組件相對之末端處，電源轉接器100可包括另一連接器108。舉例而言，連接器108可為USB連接器；然而，亦可使用任何其他連接器。連接器108可用以使電源轉接器100與外部裝置耦接以對外部裝置進行供電或充電。舉例而言，具有互補USB連接器之纜線可連接至連接器108。該纜線之另一末端可具有基於應用之任何其他合適連接器。此連接器之實例包括(但不限於)μUSB連接器、由Apple公司之裝置使用之30接針連接器、由Apple公司之裝置使用之Lightning®連接器，等等。在一實施例中，電源轉接器100之高度為約28mm(不包括叉尖106)或其高度為約34至35mm(包括叉尖106)。轉接器之寬度可介於25mm與27mm之間，且轉接器之深度可介於25mm與28mm之間。
電源轉接器100可經由連接器/叉尖106而接收AC電源(例如，110V至220V之AC)且經由連接器108輸出DC電源(例如，5V至20V)。DC電壓可由已連接外部裝置用於其操作或對其電池進行充電，如上文所描述。圖2說明根據本發明之一實施例的電源轉接器100之分解圖。如圖2所說明，電源轉接器100包括外殼102及頂蓋組件104。安置於外殼102內的是電組件202。電組件202包括用於接收AC電壓、將AC電壓轉換成所要DC電壓且經由另一連接器(未圖示)輸出DC電壓之電路。外殼102可包括允許電組件202精確地定位於外殼102內之軌道(未圖示)或導銷。在一些實施例中，電組件202可需要於特定定向上插入，以便配合於外 殼102內部。
圖3A及圖3B說明根據本發明之一實施例的電源轉接器100之部分截面圖。如圖3A所說明，電組件202可使用通道302予以定位，通道302可形成於頂蓋組件104及外殼102之與頂蓋組件104相對之內部表面中。外殼102之與頂蓋組件104相對之側中的開口304容納連接器108。
圖4為根據本發明之一實施例的電組件202之分解圖，其展示電組件202之構成元件。電組件202包括單片絕緣體404，單片絕緣體404包括促進電組件202之其他元件之附接的預定義特徵。下文更詳細地描述單片絕緣體404。電組件202亦可包括初級PCB 402，初級PCB 402具有形成於其上之電路。初級PCB 402可包括暴露至高於輸出DC電壓之傳入AC電壓之多個電子元件，諸如電容器、電阻器、電晶體，等等。初級PCB 402可使用習知技術中之任一者製造。電組件進一步包括次級PCB 406，次級PCB 406在其上具有電路。次級PCB上之電路可包括用於在輸出DC電壓之前使DC電壓平滑之濾波器電路。次級PCB 406亦包括可用以將DC電壓輸出至外部裝置之連接器108。
圖5說明根據本發明之一實施例的單片絕緣體404之等角視圖。可使用模具且用玻璃填充式耐綸填充模具以產生單一均質單元來製備單片絕緣體404。可看出，單片絕緣體404具有形成於其上之若干特徵。此等特徵中之每一者服務於一特定目的。凹座502經設計成容納初級PCB(例如，圖4之初級PCB 402)之區段。開口504經設計成容納用以將 AC電壓轉換成DC電壓之變壓器。凹入特徵506經設計成容納次級PCB(例如，圖4之PCB 406)及其關聯連接器(例如，圖4之連接器108)。若干通道508形成於絕緣體壁中。通道508自單片絕緣體404之收納初級PCB之第一表面延伸至收納次級PCB之第二表面。安置於通道508中之導電構件，例如是導電接針510，在初級PCB與次級PCB之間提供電連接性。導電接針510可插入至通道508中而使得該等接針稍微延伸超出該等通道之每一末端。在一些實施例中，導電接針510可使用不鏽鋼作為核心材料來製造，此將提供所要強度及硬度。核心可塗佈有銅層以提供具有極佳導電性屬性之導電接針510。接著，銅層可塗佈有鎳層，使得接針在焊接至其他元件或PCB時應形成極佳焊接點。使用接針及通道簡化製造程序，同時改良總體可靠性(歸因於互連實體地固定於適當位置而非用膠帶及/或膠劑黏附於適當位置)。另外，使用接針及通道亦會縮減針對配線之總體空間要求，此情形在受限制空間中(諸如，在外殼102內)甚受歡迎。
單片絕緣體404可在兩個PCB之其他區段之間同時提供絕緣及隔離。為了保護轉接器之低電壓區段以免受到高電壓區段影響，有益的是在兩個電壓區段之間具有絕緣材料。若電源轉接器之尺寸足夠大，則可使用空氣作為有效絕緣體。然而，在諸如本文所描述之電源轉接器的緊湊電源轉接器中，轉接器之各種元件被緻密地封裝，從而在低電壓元件與高電壓元件之間導致極少空間。在此等情境 中，空氣並非有效絕緣介質且可需要其他絕緣機構。
在一些實施例中，單片絕緣體404可由按照UL標準被設定V-0安全等級之材料製成。舉例而言，在一實施例中，單片絕緣體404可由玻璃填充式耐綸製成。亦可使用諸如以聚矽氧為基礎之材料的其他合適材料。因為用於轉接器之製造程序包括若干波焊回合，所以針對單片絕緣體404而選擇之任何材料皆需要耐受範圍介於200℃至300℃之間的波焊溫度。在一些實施例中，單片絕緣體404可具有以下尺寸：在約20mm至22mm之範圍內之長度、在約19mm至21mm之範圍內之寬度，及在約18mm至21mm之範圍內之高度。
如上文所描述，可使用絕緣膠帶來覆蓋高電壓元件；然而，此手動技術難以在大量製造環境中準確地複製。又，允許製造程序中之此重要步驟手動可將轉接器暴露至增加之故障率且更重要地為顯著安全危害。絕緣之失效可引起發弧或永久地損害轉接器及/或連接至轉接器之外部裝置。藉由提供如上文所描述之單片絕緣體，製造程序得到極大地簡化且更可重複，此係因為手動步驟之數目顯著地減少或完全地消除。
圖6A至圖6J說明根據本發明之一實施例的電源轉接器之組裝程序中之步驟。圖7A及圖7B說明圖6A至圖6J所描繪之組裝程序之對應流程圖700。下文參看圖6A至圖6J及圖7A至圖7B來描述組裝程序。整個組裝程序可為自動化的，或組裝程序之部分可為手動的，而其他部分可為自動 化的。可使用不同機器來執行該程序之每一步驟，或可由單一機器執行該程序中之若干步驟。熟習此項技術者將實現執行該程序之方式之眾多變化。
如圖6A所說明，最初，可提供單片絕緣體結構600(步驟702)。如上文所描述，單片絕緣體結構600可使用被引入至定製模具中之玻璃填充式耐綸製成。單片絕緣體結構600包括形成於其上之許多特徵，如上文所描述。接下來，出於彼目的而將導電構件602插入至形成於單片絕緣體結構600中之各種通道中(步驟704)。導電構件可由諸如銅包鋼、黃銅、鋁、導電金屬合金等等之任何合適導電材料製成。如上文所描述，導電構件/接針提供轉接器之高電壓電路與低電壓電路之間的電路徑。
接下來，將電源變壓器604插入於單片絕緣體結構600之經設計成接受該電源變壓器之凹座中，如圖6B及步驟706所說明。在一些實施例中，圍繞電源變壓器604塗覆諸如以環氧樹脂為基礎之膠劑的黏接劑且向該電源變壓器施加壓縮力歷時預定時間，以便進一步確保電源變壓器604至單片絕緣體結構600之附接穩固。此後，將共模抗流器606附接至單片絕緣體結構600，如圖6C所說明(步驟708)。來自共模抗流器606之導線係經由指定通道607進行佈線。使用預形成通道會有助於將共模抗流器導線保持於正確位置(例如，共模抗流器導線保持緊密且靠近單片絕緣體結構600，此情形使已完成子組件在外殼102中之安裝更有效率)且亦增加總體製造效率，因為通道使導線維持於適當 位置以終止至製造程序中之其他下游元件。
此後，在指定側處將初級PCB 608附接至單片絕緣體結構600，如圖6D所說明(步驟710)。如上文所描述，初級PCB 608具有與傳入AC電壓相互作用之高電壓電路。在一些實施例中，可使用黏接劑來進一步使初級PCB 608至單片絕緣體600之附接更穩固。圖6E說明包括附接在一起之單片絕緣體、共模抗流器及初級PCB之組件610。組件610以翻轉方式展示以顯露單片絕緣體之可接受次級PCB之區。在此程序期間，可執行視覺檢測以保證元件中之每一者在適當位置中終結且意欲延伸通過PCB 608中之孔之所有導線/接針已延伸通過該等孔(檢測程序認為，在該程序中使用單片絕緣體結構600會極大地增加製造程序無錯誤地實現的可能性)。一旦單片絕緣體結構600及初級PCB 608已成功地嚙合在一起，即可使用波焊程序將接針、電容器及其他元件焊接至初級PCB 608，此時，子組件實質上完成。
接下來，將次級PCB 612附接至組件610，如圖6F所說明(步驟712)。次級PCB包括低電壓電路及連接器108，連接器108在上文予以描述。低電壓電路可包括(例如)用以在將DC輸出電壓提供至已連接外部裝置之前使DC輸出電壓平滑之濾波器電路。圖6G展示已完成電組件614。電組件614相似於圖2所說明之組件202。可利用另一波焊程序將連接器108(及所需要之任何額外離散元件(未圖示))緊固且電耦接至次級PCB 612，以及將適當接針緊固且電耦接至次級 PCB 612。
接下來，將對電組件614之變壓器之初級的輸入連接至頂蓋組件104之輸入端子616(步驟714)，此情形提供在將已完成電源轉接器插接至壁式插座中時使壁上電源耦接至變壓器之初級的能力，如圖6H所說明。此後，將整個電組件614插入至轉接器外殼102中(步驟716)，如圖6I所說明。一旦將組件插入至外殼102中，即使用超音波熔接將頂蓋組件104熔接至外殼102(步驟718)。在組裝程序結束時，電源轉接器100完成，如圖6J所說明。
應瞭解，圖6A至圖6J及圖7A至圖7B所說明之特定步驟提供根據本發明之一實施例的製造電源轉接器之特定方法。亦可根據替代實施例來執行其他步驟序列。舉例而言，本發明之替代實施例可以不同次序執行上文所略述之步驟。此外，圖6A至圖6J及圖7A至圖7B所說明之個別步驟可包括可以適於個別步驟之各種序列執行之多個子步驟。此外，可取決於特定應用而添加或移除額外步驟。一般熟習此項技術者將認識到許多變化、修改及替代例。
又，雖然已揭示具有特定特徵之數項特定實施例，但熟習此項技術者將認識到可將一項實施例之特徵與另一實施例之特徵進行組合的例子。又，熟習此項技術者將認識到或能夠僅僅使用常規實驗來確定本文所描述之本發明之特定實施例的許多等效者。此等等效者意欲由以下申請專利範圍涵蓋。
100‧‧‧電源轉接器
102‧‧‧外殼
104‧‧‧頂蓋組件
106‧‧‧連接器/叉尖
108‧‧‧連接器
202‧‧‧電組件
302‧‧‧通道
304‧‧‧開口
402‧‧‧初級印刷電路板(PCB)
404‧‧‧單片絕緣體
406‧‧‧次級印刷電路板(PCB)
502‧‧‧凹座
504‧‧‧開口
506‧‧‧凹入特徵
508‧‧‧通道
510‧‧‧導電接針
600‧‧‧單片絕緣體結構
602‧‧‧導電構件
604‧‧‧電源變壓器
606‧‧‧共模抗流器
607‧‧‧指定通道
608‧‧‧初級印刷電路板(PCB)
610‧‧‧組件
612‧‧‧次級印刷電路板(PCB)
614‧‧‧電組件
616‧‧‧輸入端子
圖1A及圖1B說明根據本發明之一實施例的電源轉接器。
圖2為根據本發明之一實施例的電源轉接器之部分分解圖，其說明電源轉接器之各種頂層元件。
圖3A及圖3B說明根據本發明之一實施例的轉接器之部分截面圖。
圖4說明根據本發明之一實施例的頂層電組件之分解圖。
圖5為根據本發明之一實施例的單片絕緣體之等角視圖。
圖6A至圖6J說明根據本發明之一實施例的用於組裝電源轉接器之程序。
圖7A及圖7B為根據本發明之一實施例的對應於圖6A至圖6J之用於製造電源轉接器之程序之流程圖。
100‧‧‧電源轉接器
102‧‧‧外殼
104‧‧‧頂蓋組件
106‧‧‧連接器/叉尖
108‧‧‧連接器

Claims (20)

  1. 一種電源轉接器，其包含：一第一連接器；一第一電組件，其耦接至該第一連接器且經組態以接收一傳入AC電壓且將該傳入AC電壓轉換成一DC電壓；一第二連接器；一第二電組件，其耦接至該第二連接器且經組態以接受該DC電壓且經由該第二連接器輸出該DC電壓；及一單片絕緣體單元，其具有一第一側及一第二側，其中該第一電組件耦接至該第一側且該第二電組件耦接至該第二側，該絕緣體組件進一步包含內嵌於其中以在指定位置處在該第一電組件與該第二電組件之間提供一電路徑之一或多個通道。
  2. 如請求項1之電源轉接器，其中該第二連接器包含一通用串列匯流排(USB)連接器。
  3. 如請求項1之電源轉接器，其中該第一連接器經組態以與提供介於110V至220V之間的AC之一壁式插座嚙合。
  4. 如請求項1之電源轉接器，其中該單片絕緣體單元包含玻璃填充式耐綸材料。
  5. 如請求項1之電源轉接器，其中該單片絕緣體單元包含經組態以在該第一電組件與該第二電組件之間提供一電路徑之一或多個通道。
  6. 如請求項5之電源轉接器，其中該一或多個通道中之每一者包括在該第一電組件與該第二電組件之間提供電連 接性之一導電構件。
  7. 如請求項1之電源轉接器，其進一步包含：一電源變壓器，其附接至該單片絕緣體單元；及一共模抗流器，其附接至該單片絕緣體單元。
  8. 如請求項7之電源轉接器，其進一步包含一外殼，該外殼圍封該單片絕緣體單元、該第一電組件、該第二電組件、該電源變壓器及該共模抗流器。
  9. 如請求項8之電源轉接器，其中該外殼包含選自塑膠、橡膠、陶瓷或矽之材料。
  10. 一種絕緣體組件，其包含：一單片結構，其具有一第一側及一第二側，該第一側及該第二側中之每一側在其上具有用以分別接受一第一電路及一第二電路之特徵；及一或多個通道，其內嵌於該單片結構中，其中該一或多個通道中之每一者自該第一側延伸至該第二側，其中該一或多個通道之每一者經組態以接收一導電構件，其用於在該第一電路與該第二電路之間提供一電路徑。
  11. 如請求項10之絕緣體組件，其中該單片結構包含玻璃填充式耐綸材料。
  12. 如請求項10之絕緣體組件，其中該等導電構件包含金屬。
  13. 如請求項10之絕緣體組件，其中該第二電路包括一連接器，該連接器用於將DC電源提供至連接至該連接器之一外部裝置。
  14. 如請求項10之絕緣體組件，其中該單片結構具有在約20mm至22mm之範圍內之一長度、在約19mm至21mm之範圍內之一寬度，及在約18mm至21mm之範圍內之一高度。
  15. 如請求項10之絕緣體組件，其中該單片結構包含具有一V-0耐燃等級之一絕緣材料。
  16. 一種用於製造一電源轉接器之方法，其包含：提供具有一第一側及一第二側之一單片絕緣體單元，其中該第一側及該第二側中之每一者包括形成於其上之特徵；將一變壓器附接於該單片絕緣體單元之一第一預定義位置處；將一共模抗流器附接於該單片絕緣體單元之一第二預定義位置處；將包括一第一電路之一初級印刷電路板(PCB)附接至該單片絕緣體單元之該第一側；將包括一第二電路之一次級PCB附接至該單片絕緣體單元之該第二側；在該初級PCB與該次級PCB之間提供電連接性；將一頂蓋組件附接至該單片絕緣體單元；將該單片絕緣體單元置放於一外殼內部；及將該頂蓋組件附接至該外殼以將該單片絕緣體單元密封於該外殼內。
  17. 如請求項16之方法，其中該單片絕緣體單元包括自該第 一側延伸至該第二側之一或多個通道，且提供該電連接性進一步包含將導電構件置放於該一或多個通道中以在該第一電路與該第二電路之間提供一電路徑。
  18. 如請求項16之方法，其中附接該變壓器進一步包含：將一黏接劑塗覆至該變壓器之一或多個部分且向該變壓器施加一壓縮力。
  19. 如請求項16之方法，其中將該初級PCB及該次級PCB附接至該單片絕緣體單元包含：使用一波焊技術。
  20. 如請求項16之方法，其中將該頂蓋組件附接至該外殼包含：將該頂蓋組件以超音波方式熔接至該外殼。
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