TWI500229B - 過電流保護裝置 - Google Patents

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Description

過電流保護裝置
本發明關於一種過電流保護裝置，特別是關於一種應用於二次電池之過電流保護裝置。
由於具有正溫度係數(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性之導電複合材料之電阻具有對溫度變化反應敏銳的特性，可作為電流或溫度感測元件之材料，且目前已被廣泛應用於過電流保護元件或電路元件上。由於PTC導電複合材料在正常溫度下之電阻可維持極低值，使電路或電池得以正常運作。但是，當電路或電池發生過電流(over-current)或過高溫(over-temperature)的現象時，其電阻值會瞬間提高至一高電阻狀態，即發生觸發(trip)現象，從而降低流過的電流值。
目前行動裝置使用的二次電池(例如鋰電池)的過電流保護是將二次電池串接一保護電路模組(Protection Circuit Module；PCM)，而該保護電路模組中搭載PTC元件，以提供過電流時的保護。圖1例示一保護電路模組10，其中PTC元件11係設置於電路板(PCB)15上。該保護電路模組10上通常會因應電路設計另外設置各式電阻13、電感14等被動元件及包含場效電晶體的IC元件12。PTC元件11和IC元件12通常具有一定的高度，而搭載PTC元件11和IC元件12的電路板15亦具有一定厚度，使得保護電路模組10整體的厚度會達1.8-2.3mm，或甚至更高。
隨著手持式電子產品的衍進，為增加產品電池的續航力，IC元件與被動元件在電路上能佔有的空間也更加窄小。因此，如何在不降低元件尺寸、不降低維持電流(hold current)、同時也不增加PTC元件的電阻的前提下，如何經由結構設計，使PTC相關保護模組所佔空間減少，已經成為亟需突破的重要課題。
本發明揭露一種過電流保護裝置，串接於二次電池的正負電極端，以提供過電流時的保護。過電流保護裝置具有容置空間以容納相關的IC、PTC及被動元件，可有效降低整體高度。
本發明揭露一種過電流保護裝置，用於提供二次電池的過電流保護，其包含導線架(lead frame)、至少一主動或被動元件和PTC元件。導線架具有承載部及彎折的兩端部，形成一容置空間。該導線架的兩端部分別電氣連接於該二次電池的正、負極。承載部包含複數個區塊。主動或被動元件和PTC元件均設置於該承載部，且設置於該容置空間中。PTC元件包含第一電極及第二電極，該第一電極和第二電極電氣連接該承載部中不同的區塊。主動元件可為IC，被動元件可為電阻及/或電感等。
一實施例中，PTC元件的第一電極係打線連接(wire bonding)至該導線架，第二電極焊接於該導線架表面。其中PTC元件可為包含PTC材料層，且第一電極和第二電極分別設於該PTC材料層的上下表面之結構。
一實施例中，PTC元件跨接於導線架中相鄰的不同區塊，且第一電極和第二電極分別焊接於該相鄰的不同區塊表面。焊接可採用迴焊(reflow soldering)方式，即以表面黏著(surface mount)方式進行連接。
一實施例中，PTC元件另包含電阻元件，該電阻元件為三明治結構，包含第一導電層、第二導電層及疊設於其間之PTC材料層。該第一電極連接該第一導電層，第二電極連接該第二導電層。
一實施例中，該第一電極包含位於上下表面之電極層，且利用導通件進行連接，該第二電極包含位於上下表面之電極層，且利用導通件進行連接。
一實施例中，該第一電極中位於上表面之電極層，其所佔面積可超過上表面的二分之一，且該第二電極中位於下表面之電極層，其所佔面積可超過下表面的二分之一。
相較於傳統以電路板為基板的保護電路模組，本發明使用導線架作為基板者可將過電流保護模組的整體高度降低約一半，或特別是降低至1.5mm、1.2mm或1mm以下。此外，PTC元件可採用表面黏著元件，利用其位於左右之第一和第二電極可跨接於不同區塊間，所以元件寬度較不受限，而可以提供較大的維持電流且降低PTC元件的電阻。
為讓本發明之上述和其他相關技術內容、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，作詳細說明如下。
圖2顯示本發明第一實施例之過電流保護裝置立體示意圖，其係應用於二次電池的過電流保護。過電流保護裝置20主要以導線架21作為其中所包含的電子元件的支撐結構，且在相關電子元件罩上包覆件25進行保護。該導線架21包含承載部211和連接於該承載部211且彎折的兩端部212和213，而形成容置空間。容置空間的高度和寬窄可根據電子元件進行調整，以容置承載部211上的各式主、被動電子元件。在應用於二次電池的保護時，過電流保護裝置20係上下翻轉，而導線架21的二端部212和213分別電氣連接於二次電池的正、負極。
一實施例中，過電流保護裝置20的上視圖和側視圖可分別如圖3和圖4所示。導線架21分成數個區塊201、202、203、204、205，且相鄰區塊間有間隔。導線架21的區塊中可設置PTC元件22、電阻23、IC元件24，或視需求另設置其他電子元件。本實施例中，PTC元件22包含PTC材料層221及位於其上、下表面之第一電極222和第二電極223。位於底部的第二電極223可直接焊接(表面黏著)於最左側的區塊201，而上方之第一電極222利用打線方式，以金屬線26連接於相鄰之區塊202。本實施例中，電阻23跨接於相鄰的區塊202和203間。IC元件24設置於區塊204上，且同樣地可利用打線方式，以金屬線27連接相鄰區塊203和205。因為導線架21的厚度遠較傳統保護電路模組的電路板為薄，且提供容置空間以容納PTC元件22、電阻23和IC元件24等各式電子元件，所以可以有效降低過電流保護裝置20的整體高度，例如將整體高度維持在1.5或1.2mm以下，或進一步可降低至1mm以下。
PTC元件的結構並不限於圖4所示者，其他例如表面黏著型的PTC元件亦可加以利用。而因應PTC元件結構的不同，亦可採取其他連接至導線架21的不同方式。圖5繪示另一實施例之過電流保護裝置30，其中PTC元件50包含PTC材料層321、電極層322、電極層323、電極層324及電極層325。電極層322和電極層325位於PTC材料層321的上表面。電極層323和電極層324位於PTC材料層321的下表面。電極層322和323利用導通件326電氣連接，而構成第一電極35。電極層324和325利用導通件327電氣連接，而構成第二電極36。本實施例中，第二電極36和第一電極35分別左、右設置，而分別連接相鄰的導線架區塊201和202。如此一來，無須利用打線方式連接，而可直接利用迴焊等焊接方式直接連接於導線架21。
其他具有左右電極設計之PTC元件如圖6和圖7所示。參照圖6，PTC元件60包含電阻元件61、第一電極65和第二電極66。電阻元件61包含PTC材料層62、第一導電層63和第二導電層64，該PTC材料層62係疊設於第一導電層63和第二導電層64之間，形成三明治結構。第一電極65包含電極層622和623，且利用導通件626連接於第一導電層63。第二電極66包含電極層624和625，且利用導通件627連接於第二導電層64。電阻元件61和電極層622~625之間設有絕緣層67，作為隔離之用。同樣地，PTC元件60可直接以表面黏著的方式跨接於導線架21相鄰的區塊201和202，亦即電極層624和623分別連接於相鄰的導線架區塊201和202。
參照圖7，PTC元件70包含電阻元件61、第一電極75和第二電極76。電阻元件61包含PTC材料層62、第一導電層63和第二導電層64，該PTC材料層62係疊設於第一導電層63和第二導電層64之間。第一電極75包含電極層722和723，且利用導通件726連接於第一導電層63。第二電極76包含電極層724和725，且利用導通件727連接於第二導電層64。電阻元件61和電極層722~725之間設有絕緣層67，作為隔離之用。相較於圖6所示之PTC元件60，PTC元件70具有較長之電極層722和724，可提供更佳的散熱特性。特而言之，第一電極75中位於上表面之電極層722，其所佔面積可超過上表面的二分之一，甚至三分之二；第二電極76中位於下表面之電極層724，其所佔面積可超過下表面的二分之一，甚至三分之二，藉此有效提升散熱效率。同樣地，PTC元件70可直接以表面黏著的方式跨接於導線架21相鄰的區塊201和202，亦即電極層724和723分別連接於相鄰的導線架區塊201和202。
圖4和5所示之PTC元件22和50都是單層PTC材料層搭配上下電極層的設計，本身即具有高度較低的優勢。圖5至7所示的PTC元件50、60和70屬表面黏著方式，因其左右電極可跨接於不同區塊間，所以元件寬度較不受限，相對地可提供較大元件面積，進而提供較大的維持電流且降低PTC元件的電阻值。
本發明使用導線架提供容置空間的設計，可降低過電流保護裝置的整體高度，另外可搭配優選的PTC元件設計，可在不縮小PTC元件的尺寸下，作最佳的空間利用。據此，本發明之過電流保護裝置不僅可有效降低其高度，且可以保有較高的維持電流和較低的電阻值。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域具有通常知識之技術人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧保護電路模組
20、30‧‧‧過電流保護裝置
11、22、50、60、70‧‧‧PTC元件
12、24‧‧‧IC元件
13‧‧‧電阻
14‧‧‧電感
15‧‧‧電路板
21‧‧‧導線架
23‧‧‧電阻
24‧‧‧IC元件
25‧‧‧包覆件
26、27‧‧‧金屬線
61‧‧‧電阻元件
62‧‧‧PTC材料層
63‧‧‧第一導電層
64‧‧‧第二導電層
65、75‧‧‧第一電極
66、76‧‧‧第二電極
67‧‧‧絕緣層
201、202、203、204、205‧‧‧區塊
212、213‧‧‧端部
221、321‧‧‧PTC材料層
222‧‧‧第一電極
223‧‧‧第二電極
322、323、324、325‧‧‧電極層
326、327‧‧‧導通件
622、623、624、625、722、723、724、725‧‧‧電極層
626、627、726、727‧‧‧導通件
圖1繪示習知之保護電路模組之結構。圖2至4繪示本發明第一實施例之過電流保護裝置。圖5繪示本發明第二實施例之過電流保護裝置。圖6繪示本發明第三實施例之過電流保護裝置中之PTC元件。圖7繪示本發明第四實施例之過電流保護裝置中之PTC元件。
20‧‧‧過電流保護裝置
21‧‧‧導線架
22‧‧‧PTC元件
23‧‧‧電阻
24‧‧‧IC元件
26、27‧‧‧金屬線
201、202、203、204、205‧‧‧區塊
212、213‧‧‧端部
221‧‧‧PTC材料層
222‧‧‧第一電極
223‧‧‧第二電極

Claims (9)

  1. 一種過電流保護裝置，用於提供二次電池的過電流保護，其包含：一導線架，具有一承載部及彎折的兩端部，形成一容置空間，該導線架兩端部分別電氣連接於該二次電池的正、負極，該承載部包含複數個區塊，且複數個區塊中相鄰者以貫穿導線架的間隔作為分隔；至少一主動或被動元件，設置於該承載部；以及一PTC元件，設置於該承載部，且包含第一電極及第二電極，該第一電極和第二電極電氣連接該承載部中不同的區塊，該不同的區塊係以貫穿導線架的間隔作為分隔，且該第二電極係焊接於該導線架表面；其中該至少一主動或被動元件和PTC元件係設置於該容置空間中。
  2. 根據請求項1之過電流保護裝置，其中該第一電極打線連接至該導線架。
  3. 根據請求項1之過電流保護裝置，其中該PTC元件包含一PTC材料層，且第一電極和第二電極分別設於該PTC材料層的上下表面，該第一電極打線連接至該導線架。
  4. 根據請求項1之過電流保護裝置，其中該PTC元件跨接於相鄰的不同區塊，且第一電極和第二電極分別焊接於該相鄰的不同區塊表面。
  5. 根據請求項4之過電流保護裝置，其中該PTC元件另包含電阻元件，該電阻元件包含第一導電層、第二導電層及疊設於其間之PTC材料層，該第一電極連接該第一導電層，第二電極連接該第二導電層。
  6. 根據請求項5之過電流保護裝置，其中該第一電極包含位於上下表面之電極層，且利用第一導通件進行連接，該第二電極包含位於上下表面之電極層，且利用第二導通件進行連接。
  7. 根據請求項6之過電流保護裝置，其中該第一電極中位於上表面之電極層，其所佔面積超過上表面的二分之一，且該第二電極中位於下表面之電極層，其所佔面積超過下表面的二分之一。
  8. 根據請求項1之過電流保護裝置，其中該過電流保護裝置的高度在1.5mm以下。
  9. 根據請求項1之過電流保護裝置，其中該主動元件包含IC，被動元件包含電阻、電感。
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