TWI594524B

TWI594524B - 連接器

Info

Publication number: TWI594524B
Application number: TW104136094A
Authority: TW
Inventors: 曾郡騰; 王紹裘
Original assignee: 聚鼎科技股份有限公司
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2017-08-01
Also published as: US20170125954A1; TW201717504A; US10498092B2; CN106654735A

Description

連接器

本發明係關於一種連接器，特別是關於一種具有過溫度及過電流保護功能的連接器。

隨著可攜式裝置技術的發展，使用者需求的功能越來越多，例如，為因應螢幕尺寸越來越大，裝置的電池容容量需求也越來越大，再加上因應快速充電的需求，因此所需要的充電器功率越來越大。在這種大電流的充電過程中使用者都可能遇到充電器輸出端子的連接器（例如廣為使用的USB和micro USB型連接器，或較為新式的Type C型式）在充電時發生微短路後燒融的安全問題。舉例而言，大電流的充電過程中，隨著熱插拔的次數越來越多，在使用過程中異物（例如：頭髪、金屬屑、雜物、飲料、甚至是沒乾透的咖啡殘渣）進入充電介面連接器的狹小空間內，產生微短路，或是插頭插座斜向插拔破損，插頭用力過大變形，造成資料傳輸線或充電器在插頭內部微短路，微短路無法達到充電器短路保護條件，導致充電器持續輸出功率，並轉化形成熱量，因此出現發熱故障導致充電器插頭或連接器燒毀的問題。目前許多使用者在充電時都發生充電介面連接器微短路後燒融的安全問題，因此對此問題的解決將越來越迫切。

目前USB資料傳輸線已成為主要的資料傳輸和充電工具。如前所述，由於電子設備充電電流的變大，熱插拔次數的越來越多，使得USB資料傳輸線出現發熱故障導致電子設備燒毀的概率增加。但是現有USB資料傳輸線中大部分都沒有安裝保護裝置，或即使有保護裝置卻無法感測到微短路而作出降低電流值的反應，因此可能發生USB資料傳輸線、相關連接器或電子設備燒毀故障，將對人身財產安全造成威脅。

為了解決上述充電或資料傳輸時可能發生微短路卻又無法提供保護的問題，本發明提供一種連接器，其內部設置之層狀電路板具有過電流和過溫度保護的功能，從而避免微短路可能產生連接器或電子設備燒毀的風險。

過電流保護通常使用之導電複合材料具正溫度係數(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性，亦即在室溫時具低電阻值，而當溫度上升至一臨界溫度或電路上有過量電流產生時，其電阻值可立刻跳升數千倍以上（亦即觸發trip），藉此抑制過量電流通過，以達到電路保護之目的。當溫度降回室溫後或電路上不再有過電流的狀況時，PTC導電複合材料可回復至低電阻狀態，而使電路重新正常操作，具有可重複使用的優點。本發明即利用PTC導電複合材料作為連接器中層狀電路板的核心，從而提供過電流和過溫度保護的功能。

根據本發明之一實施例，一種連接器包括連接器端子與層狀電路板。該層狀電路板連接該連接器端子的一端，且包含一PTC材料層以及形成層狀電路板上表面的第一電極層和位於層狀電路板下表面的第二電極層。該PTC材料層係設置於該第一和第二電極層之間。第一電極層和第二電極層中包含作為電源提供的第一電極區塊和第二電極區塊，該PTC材料層電氣連接該第一電極區塊和第二電極區塊，形成導電路徑。該PTC材料層在該導電路徑中形成一串聯於第一電極區塊和第二電極區塊之間的PTC電阻元件，當該導電路徑中有過電流或過溫度發生時，該PTC電阻元件會觸發而成高電阻狀態。

申言之，當可作為充電接口的連接器端子發生過電流或微短路發熱故障時，熱量很快可傳遞到串聯於電路中的PTC材料層，然後形成高電阻大幅降低流通的電流值，以防止連接器和其相關電子裝置過熱燒毀。

一實施例中，該層狀電路板另包含第一導電層和第二導電層。第一導電層形成於該PTC材料層之一表面，且電氣連接該第一電極區塊。第二導電層形成於該PTC材料層相對之另一表面，且電氣連接該第二電極區塊。

一實施例中，該層狀電路板另包含第一絕緣層和第二絕緣層。第一絕緣層疊設於該第一導電層和第一電極層之間，第二絕緣層疊設於該第二導電層和第二電極層之間，作為其間的隔離。

一實施例中，該層狀電路板另包含第一導電連接件和第二導電連接件。第一導電連接件電氣連接第一電極區塊和第一導電層。第二導電連接件電氣連接第二電極區塊和第二導電層。

一實施例中，該第一導電連接件穿過該第一絕緣層並連接第一電極區塊和第一導電層，且第二導電連接件穿過該第二絕緣層並連接第二電極區塊和第二導電層。

一實施例中，該第一電極區塊和第二電極區塊分別位於層狀電路板的不同側。

一實施例中，該第一導電連接件和第二導電連接件為通過第一絕緣層、PTC材料層和第二絕緣層之貫穿結構，第一導電連接件連接第一電極區塊和第一導電層且與第二導電層隔離，第二導電連接件連接第二電極區塊和第二導電層且與第一導電層隔離。

一實施例中，該第一電極區塊和第二電極區塊分別位於層狀電路板的同側。

一實施例中，該連接器另包含一警示裝置，該警示裝置與該PTC電阻元件形成並聯。當該PTC電阻元件因觸發而成高電阻狀態時，電流轉而流經該警示裝置，從而發出警示信息。

一實施例中，該警示裝置包含一LED元件，可於異常狀況時發光警示。

一實施例中，該警示裝置包含二個互成並聯的LED元件，且該二個LED元件極性方向相反，可於異常狀況時發光警示。

一實施例中，該警示裝置包含一蜂鳴器，可於異常狀況時發聲警示。

隨著電池容量增大及快充需求增加，充電器瓦數勢必增大，不僅是電流增大電壓也會增加。本發明將PTC材料層作為核心製作成整片層狀電路板型式，故具有相當大的有效面積，而可降低其電阻值。相較於其它方案將PTC元件以SMD方式貼裝於電路板上，本發明不僅可節省空間，PTC材料層更因此增大了利用面積而可達成較低電阻，故設計上更可採用高耐壓的材料來製作，大大提升其實用性及應用廣度。本發明保護電路板還有另一優點，只需查證充電線端子的電路板是否為PTC所製作，客戶就能方便地判斷用戶是否使用了標配充電線，避免了出廠後的糾紛。

為讓本發明之上述和其他技術內容、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

參照圖1，其顯示本發明一實施例之連接器的立體示意圖，其係以目前廣為使用的USB 2.0型式連接器為例進行說明，但並不以該型式的連接器為限。連接器10包含外殼11、連接器端子12以及層狀電路板13。層狀電路板13一端連接連接器端子12，且另一端則可連接至相關導電線或電纜線（圖未示）。連接器端子12中有多個引腳，通過線路分別電氣連接至層狀電路板13上的相對電極區塊Vbus、D－、D+、GND等。根據USB 2.0規範，Vbus提供5V的電源，D－、D+作為數據傳輸，GND則為接地。層狀電路板13由外殼11包覆作為保護，該外殼11可為塑膠類的絕緣材料。

圖2顯示本發明一實施例的層狀電路板13的橫剖面結構圖，其為多層堆疊的層狀結構。層狀電路板13包含以水平方向延伸之PTC材料層21、第一導電層22、第二導電層23、第一電極層24、第二電極層25、第一絕緣層26以及第二絕緣層27。第一導電層22和第二導電層23分別置於PTC材料層21的上表面和下表面，也就是PTC材料層21疊設於第一導電層22和第二導電層23之間。第一絕緣層26設於第一導電層22和第一電極層24之間，第二絕緣層27設於第二導電層23和第二電極層25之間，作為隔離。第一電極層24形成層狀電路板13上表面，且分隔出多個電極區塊241、242、243和244，分別作為Vbus、D－、D+、GND的電源或數據傳輸。類似地，第二電極層25形成層狀電路板13下表面，且分隔出多個電極區塊251、252、253和254，分別作為Vbus、D－、D+、GND的電極區塊。第一電極層24和第二電極層25中提供電源供應Vbus的電極區塊包含位於層狀電路板13上表面的第一電極區塊241和位於下表面的第二電極區塊251。第一導電連接件28穿過第一絕緣層24而連接第一電極區塊241至第一導電層22，而第二導電連接件29穿過第二絕緣層27而連接第二電極區塊251至第二導電層23。如此一來，PTC材料層21電氣連接第一電極區塊241和第二電極區塊251，形成導電路徑。如前述，第一電極區塊241連接至連接器端子12中的Vbus相應引腳，第二電極區塊251則連接至相應電源線，如此提供電源之導電路徑必須通過PTC材料層21，從而該PTC材料層21在該導電路徑中形成一PTC電阻元件。當連接器10發生過電流異常時，PTC材料層21會觸發而成高電阻狀態，進而大幅降低電流值。若連接器10有微短路的情形發生時，連接器10會發熱升溫，此時PTC材料層21可以感測到溫度上升，從而提升其電阻值甚至達到觸發狀態，大幅降低通過電流，如此可避免連接器10或與其數據線和電子設備燒毀。作為數據傳輸的D－、D+，其相對應的上下電極區塊242和252、電極區塊243和253之間，並不需要連接PTC材料層21，而分別利用導電連接件30和31直接導通。第一導電層22和第二導電層23鄰近導電連接件30和31的地方可製作缺口形成隔離。接地GND的上下電極區塊244和254之間也不需要連接PTC材料層21，而利用導電連接件32直接導通。同樣地，第一導電層22和第二導電層23鄰近導電連接件32的地方可製作缺口形成隔離。

圖3係本發明電路板13的另一實施例的橫剖面示意圖，其結構類似於圖2，不過PTC材料層21並不直接接觸D－、D+和GND的導電連接件30、31和32，而與第一導電層22和第二導電層23一同以缺口隔離，提供更好的絕緣效果。

實際應用上，電路板13並不限制於圖2和圖3所示的情況，亦即將第一和第二電極區塊位於層狀電路板的不同側。串聯連接PTC材料層21的Vbus第一和第二電極區塊241和251也可以利用層狀電路板13中的電路連線設計，使其位於層狀電路板13的同一側。圖4顯示作為提供電源的第一和第二電極區塊位於層狀電路板同側之一實施例。圖4所示為層狀電路板13之另一方向的橫剖面側視圖，其中D－、D+和GND的相關結構未繪出。層狀電路板13包含以水平方向延伸之PTC材料層21、第一導電層22、第二導電層23、第一電極層24、第二電極層25、第一絕緣層26以及第二絕緣層27。不同於圖2或3之設計，第一導電連接件44和第二導電連接件45為通過第一絕緣層26、第一導電層22、PTC材料層21、第二導電層23和第二絕緣層27之貫穿結構，第一導電連接件44連接第一電極區塊245和第一導電層22且與第二導電層23隔離。第二導電連接件45連接第二電極區塊255和第二導電層23且與第一導電層22隔離。

綜言之，第一導電連接件28或44電氣連接第一電極區塊241或245和第一導電層22。第二導電連接件29或45電氣連接第二電極區塊251或255和第二導電層23。第一和第二電極層24和25包含Vbus的兩電極區塊，且必須達到串聯PTC材料層21而形成PTC電阻元件的效果，如此才能提供過電流及過溫度保護的功能。圖2至4的第一導電層22和第二導電層23除了鄰近導電連接件30、31和32處形成缺口外，其餘都是導電路徑中通過PTC材料層21的有效電極區塊（PTC材料層21與第一導電層22和第二導電層23重疊部分），也就是說通過PTC材料層21的有效電極面積趨近於層狀電路板13的面積。按電阻公式，電極面積愈大，其電阻愈小。因為本發明的PTC材料層21相對於單顆PTC被動元件具有較大的面積，甚至達數倍以上，因此可以達到更低的電阻值。

PTC材料層21中的導電複合材料係由一結晶性高分子聚合物及導電填料所組成，該導電填料係均勻分散於該高分子聚合物之中。該高分子聚合物一般為聚烯烴類聚合物，例如：聚乙烯，而導電填料可為為碳黑，具有較佳的耐電壓特性和電阻回復性。然而，如果容納空間不足導致PTC材料層的有效面積不足，也可考慮使用具有較低體積電阻值之金屬或導電陶瓷填料的PTC導電複合材料，以提供相較於碳黑更低的電阻值。

前述PTC材料層21在該導電路徑中形成一串聯於第一電極區塊241和第二電極區塊251之間或第一電極區塊245和第二電極區塊255之間的PTC電阻元件，即相當於在Vbus線路中串聯PTC電阻元件41，如圖5所示。當該導電路徑中有過電流或過溫度發生時，該PTC電阻元件41會觸發而成高電阻狀態，也就是在連接器10中提供電源的導電路徑上串聯PTC電阻元件41，以提供過電流和過溫度保護功能。

除了前述利用串聯PTC電阻元件41以提供過電流和過溫度保護功能外，亦可如以下實施例發出警示給使用者，可直接拔除電源而完全避免燒毀的可能。參照圖6，可於Vbus的線路中上另外設置一警示元件40，於本實施例為一LED元件42，而警示元件40（LED元件42）與PTC電阻元件41係成並聯。LED元件42另外串聯一電阻元件43作為限流電阻。該電阻元件43可為固定電阻或PTC熱敏電阻。LED元件42與PTC電阻元件41並聯，當PTC電阻元件41為低電阻時，因跨電壓低，無法驅動LED元件42。當PTC電阻元件41感測到過溫度或過電流的狀況而呈現高電阻狀態時，跨電壓上升至大於LED元件42驅動臨界電壓，電流將轉而流經LED元件42，點亮LED元件42。此時可於外殼11（參照圖1）相對位置開孔，以便將LED元件42的光透出外殼11，作為對使用者的異常警示。

圖6所示的LED元件42有極性方向，使得其電路板安裝時也需一併可慮方向，而可能會產生組裝時的差錯。另外，針對雙向線材如Type C型式，因其電源端和充電端的連接器格式相同，所以若LED元件有方向性，線材以不同方向連接可能造成即使PTC電阻元件41觸發後，LED元件仍無法點亮的情況。圖7顯示使用兩個不同極性方向的LED元件51和52作為警示元件50。因為LED元件51和52屬不同極性方向，不論電路板以何種方向裝設，或線材以何種方向連接，當PTC電阻元件41感測到過溫度或過電流而成為高電阻狀態時，電流將轉而流向LED元件51和52中的一個並使其發光而達到警示的效果。

參照圖8，除了利用LED元件作為發光警示外，亦可利用其他的警示裝置，例如可發出聲響的蜂鳴器60，該蜂鳴器60與PTC電阻元件41並聯設置。當PTC電阻元件41感測到過溫度或過電流而成為高電阻狀態時，電流將轉而流向蜂鳴器60，並使其發出聲響而達到警示的效果。

上述實施例揭露之連接器的層狀電路板係包含單一PTC電阻元件，但於實際應用上並不限於包含單一PTC電阻元件，亦可利用多層PTC材料層的方式構成並聯的多個PTC電阻元件，從而進一步降低其電阻值，而為本發明所涵蓋。並聯PTC材料層的連接方式已揭露於許多公開專利，而為本領域技術人士所能輕易了解，在此不再重述。

本發明的連接器並不限於前述USB 2.0形式，其他例如但不限於USB 3.0、USB 3.1和Type C等也都可以使用本發明之設計。連接器的格式也不限於USB型式的連接器。

本發明使用大面積的PTC材料層作為層狀電路板的核心，可有效降低電阻值，而較佳地但不限於可使用碳黑等可耐高壓和有較佳電阻回復性的導電填料，可提升其實用性及應用廣度。PTC材料層在連接器中作為電源供應的導電路徑中形成一串聯於第一電極區塊和第二電極區塊之間的PTC電阻元件。當該導電路徑中有過電流或過溫度發生時，該PTC電阻元件會迅速觸發，從而有效防止例如微短路可能帶來的損害。

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‧‧‧連接器
11‧‧‧外殼
12‧‧‧連接器端子
13‧‧‧電路板
21‧‧‧PTC材料層
22‧‧‧第一導電層
23‧‧‧第二導電層
24‧‧‧第一電極層
25‧‧‧第二電極層
26‧‧‧第一絕緣層
27‧‧‧第二絕緣層
28、44‧‧‧第一導電連接件
29、45‧‧‧第二導電連接件
30、31、32‧‧‧導電連接件
40、50‧‧‧警示裝置
41‧‧‧PTC電阻元件
42、51、52‧‧‧LED元件
43‧‧‧電阻元件
60‧‧‧蜂鳴器
241、245‧‧‧第一電極區塊
242、243、244‧‧‧電極區塊
251、255‧‧‧第二電極區塊
252、253、254‧‧‧電極區塊

[圖1]顯示本發明一實施例之連接器的立體示意圖； [圖2]顯示本發明一實施例之連接器中層狀電路板的橫剖面示意圖； [圖3]顯示本發明另一實施例之連接器中層狀電路板的橫剖面示意圖； [圖4]顯示本發明又一實施例之連接器中層狀電路板的橫剖面示意圖； [圖5]顯示本發明一實施例之連接器的電路示意圖；以及 [圖6]至[圖8]顯示本發明其他實施例之連接器的電路示意圖。

13‧‧‧層狀電路板

21‧‧‧PTC材料層

22‧‧‧第一導電層

23‧‧‧第二導電層

24‧‧‧第一電極層

25‧‧‧第二電極層

26‧‧‧第一絕緣層

27‧‧‧第二絕緣層

28‧‧‧第一導電連接件

29‧‧‧第二導電連接件

30、31、32‧‧‧導電連接件

241‧‧‧第一電極區塊

242、243、244‧‧‧電極區塊

251‧‧‧第二電極區塊

252、253、254‧‧‧電極區塊

Claims

一種連接器，包括：一連接器端子；以及一層狀電路板，其連接該連接器端子的一端，該層狀電路板包含一PTC材料層以及形成層狀電路板上表面的第一電極層和位於層狀電路板下表面的第二電極層，該PTC材料層係設置於該第一和第二電極層之間，該第一電極層和第二電極層中包含作為電源提供的第一電極區塊和第二電極區塊，該PTC材料層電氣連接於該第一電極區塊和第二電極區塊，形成導電路徑，該第一電極層和第二電極層另包含用於接地的其它電極區塊；其中該層狀電路板另包含第一導電層、第二導電層、第一絕緣層和第二絕緣層，該第一導電層形成於該PTC材料層之一表面，且電氣連接該第一電極區塊，該第二導電層形成於該PTC材料層相對之另一表面，且電氣連接該第二電極區塊，該第一絕緣層疊設於該第一導電層和第一電極層之間，該第二絕緣層疊設於該第二導電層和第二電極層之間；其中該PTC材料層在該導電路徑中形成一串聯於第一電極區塊和第二電極區塊之間的PTC電阻元件，當該導電路徑中有過電流或過溫度發生時，該PTC電阻元件會觸發而成高電阻狀態。
根據請求項1所述之連接器，其中該第一電極層和第二電極層另包含用於數據傳輸的其它電極區塊。
根據請求項2所述之連接器，其中該層狀電路板另包含作為連接該用於數據傳輸電極區塊的導電連接件，且該導電連接件不直接接觸第一導電層、第二導電層和PTC材料層。
根據請求項1所述之連接器，其中該層狀電路板另包含：第一導電連接件，電氣連接第一電極區塊和第一導電層；以及第二導電連接件，電氣連接第二電極區塊和第二導電層。
根據請求項4所述之連接器，其中該第一導電連接件穿過該第一絕緣層並連接第一電極區塊和第一導電層，且第二導電連接件穿過該第二絕緣層並連接第二電極區塊和第二導電層。
根據請求項5所述之連接器，其中該第一電極區塊和第二電極區塊分別位於層狀電路板的不同側。
根據請求項4所述之連接器，其中該第一導電連接件和第二導電連接件為通過第一絕緣層、PTC材料層和第二絕緣層之貫穿結構，第一導電連接件連接第一電極區塊和第一導電層且與第二導電層隔離，第二導電連接件連接第二電極區塊和第二導電層且與第一導電層隔離。
根據請求項7所述之連接器，其中該第一電極區塊和第二電極區塊分別位於層狀電路板的同側。
根據請求項1所述之連接器，其另包含一警示裝置，該警示裝置與該PTC電阻元件形成並聯，當該PTC電阻元件觸發而成高電阻狀態時，電流轉而流經該警示裝置，從而發出警示信息。
根據請求項9所述之連接器，其中該警示裝置包含一LED元件。
根據請求項9所述之連接器，其中該警示裝置包含二個互成並聯的LED元件，且該二個LED元件極性方向相反。
根據請求項9所述之連接器，其中該警示裝置包含一蜂鳴器。
根據請求項1所述之連接器，其中該PTC材料層包含結晶性高分子聚合物及導電填料，該導電填料選自碳黑、金屬或導電陶瓷填料。