CN102903468A - 过流保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种过流保护装置，包括：热敏电阻，其包括具有正温度系数特性的热敏材料；电流加热单元，其与所述热敏电阻串联连接，并以热传导的方式对所述热敏电阻加热。相比于传统的过流保护器件，本发明的过流保护装置的动作时间显著减少，特别是当过流保护装置工作在较小的动作电流时，动作时间的减少尤为明显。此外，由于辅助的电流加热单元能够以基本稳定的加热效率对热敏电阻进行加热，使得环境温度对热敏电阻的影响减小，这使得本发明的过流保护装置可以在较大的温度范围内的动作电流变化幅度较小。

Description

过流保护装置

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，更具体地，本发明涉及一种过流保护装置。

背景技术

热敏电阻是一种电阻值随温度变化而变化的电阻。按照温度系数的不同，热敏电阻通常分为正温度系数(Positive TemperatureCoefficient，PTC)热敏电阻与负温度系数(Negative TemperatureCoefficient，NTC)热敏电阻。PTC热敏电阻在温度升高时电阻值增加，而NTC热敏电阻在温度升高时电阻值降低。

具体来说，PTC热敏电阻的正温度系数特性是指，当温度升高到居里温度点(或转折温度点)以上时，PTC热敏电阻的电阻值会呈几何级数增加；而当温度降低到初始温度(例如室温)时，PTC热敏电阻的电阻值又会恢复到接近于初始状态下的电阻值。

PTC热敏电阻的这种正温度系数特性可以用于过流保护。在PTC热敏电阻被串联接入电路后，流过该PTC热敏电阻的电流使其发热，若热敏电阻的发热速率超过散热速率，则该热敏电阻的温度会逐渐升高。热敏电阻的电阻值随着温度升高而相应增加，这使得流过其的电流逐渐减小并最终使得其被关断，从而实现对电路的过流保护。其中，PTC热敏电阻从开始升温直至关断的时间称为动作时间。然而，由于电阻的发热速率与电流值相关，在故障电流较小的情况下，过流保护器件的发热速率较低，相应的动作时间也较长。过流保护器件过长的动作时间会使得需要保护的电子设备或电路较长地工作在故障电流下，从而影响过流保护效果。

对于采用PTC热敏材料的过流保护器件，能够使得PTC热敏电阻自热升温超过居里温度(或转折温度点)的最小电流称为动作电流；而能够使得PTC热敏电阻始终维持在导通状态所承受的最大电流称为保持电流。由于PTC热敏电阻对于温度敏感，因此，其保持/动作电流曲线具有温度折减特性，即不同温度下的动作电流、保持电流存在差异。这会造成同样的故障电流(其通常是使得PTC热敏电阻能够自动关断的动作电流)对应的动作时间差异较大。

发明内容

本发明的基本思想是利用辅助的加热装置来对PTC热敏电阻进行加热，以提高工作于动作电流下的PTC热敏电阻的升温速度，从而加速PTC热敏电阻的关断动作。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种过流保护装置，包括：热敏电阻，其包括具有正温度系数特性的热敏材料；电流加热单元，其与所述热敏电阻串联连接，并以热传导的方式对所述热敏电阻加热。

根据本发明的一个实施例，所述电流加热单元直接贴合到所述热敏电阻或通过导热材料贴合到所述热敏电阻。

根据本发明的一个实施例，所述热敏电阻具有第一电极与第二电极，所述电流加热单元具有第三电极与第四电极，所述第二电极与所述第三电极电连接。

根据本发明的一个实施例，所述过流保护装置还包括第一引脚与第二引脚，所述第一引脚用于将所述第一电极电引出，而所述第二引脚用于将所述第四电极电引出。

根据本发明的一个实施例，所述过流保护装置还包括第三引脚，所述第三引脚用于将所述第二电极及所述第三电极电引出。

根据本发明的一个实施例，所述电流加热单元包括：发热部件，其基于流过其的电流生成热量；基板，用于支撑所述发热部件，以允许所述发热部件沿所述基板的一侧延展；以及位于所述基板两侧的第三电极与第四电极，用于将所述发热部件电引出，其中，所述第三电极与所述发热部件位于所述基板的同一侧，而所述第四电极通过穿过所述基板的过孔与所述发热部件电连接。

根据本发明的一个实施例，所述电流加热单元包括：发热部件，其基于流过其的电流生成热量；位于所述发热部件两侧的第三电极与第四电极，用于将所述发热部件电引出。

根据本发明的另一方面，提供了包括前述实施例的过流保护装置的过流保护电路。

相比于传统的过流保护器件，本发明的过流保护装置的动作时间显著减少，特别是当过流保护装置工作在较小的动作电流时，动作时间的减少尤为明显。此外，由于辅助的电流加热单元能够以基本稳定的加热效率对热敏电阻进行加热，使得环境温度对热敏电阻的影响减小，这使得本发明的过流保护装置在较大的温度范围内的动作电流变化幅度较小。

本发明的以上特性及其他特性将在下文中的实施例部分进行明确地阐述。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，能够更容易地理解本发明的特征、目的和优点。其中，相同或相似的附图标记代表相同或相似的装置。

图1示出了根据本发明一个实施例的过流保护装置的模块图；

图2示出了根据本发明实施例的过流保护装置的动作时间随动作电流变化的曲线；

图3示出了根据本发明实施例的过流保护装置中热敏电阻动作电流的温度折减曲线；

图4a示出了根据本发明一个实施例的过流保护装置；

图4b示出了根据本发明另一实施例的过流保护装置；

图5示出了采用图4b的过流保护装置的电路示意图；

图6a至6b示出了根据本发明实施例的过流保护装置的结构示意图；

图7a至7b示出了根据本发明实施例的过流保护装置的分解结构图；

图7c示出了根据本发明另一实施例的电流加热单元的剖面示意图。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。

图1示出了根据本发明一个实施例的过流保护装置100的模块图。该过流保护装置100包括热敏电阻101以及电流加热单元102，其中：

该热敏电阻101包括具有正温度系数特性的热敏材料；

该电流加热单元102与该热敏电阻101串联连接，并以热传导的方式向该热敏电阻101加热。

具体而言，当该过流保护装置100被接入到电路中时，流经电流加热单元102的电流会使得该电流加热单元102产生热量并传导给热敏电阻101。可选地，电流加热单元102可以直接贴合到热敏电阻101；或者通过导热材料贴合到热敏电阻101以向热敏电阻101加热，该导热材料例如为金属材料或者导热胶。

在电流超载的情况下，即过流保护装置100工作于动作电流的范围内，电流加热单元102提供的热量使得该热敏电阻101的温度升高；同时，由于电流加热单元102与热敏电阻串联连接，流过电流加热单元102的电流至少部分地流过热敏电阻101，因此，热敏电阻101本身也仍然会基于流过其的电流而发热。热敏电阻101的自热以及电流加热单元102的加热使得该热敏电阻101升温超过居里温度，从而引起该热敏电阻101的动作。相比于常规仅包括PTC热敏电阻的过流保护器件，本实施例的过流保护装置100可以被电流加热单元102加热，因而具有更快的升温速率与更短的动作时间，其能够尽快地实现电路的关断而避免待保护电路持续处于过载状态而发生故障。

在电流未超载的情况下，该电流加热单元102提供的热量至少不会使得热敏电阻101升温超过居里温度而引起该热敏电阻101电阻值的大幅增加，即不会引起热敏电阻101的动作。可以理解，热敏电阻101温度的升高与电流加热单元102的加热速率以及热敏电阻101的散热速率相关，只有在电流加热单元102的加热速率超过热敏电阻101散热速率的情况下，热敏电阻101的温度才会升高。因此，当工作于较小的电流下时，虽然电流加热单元102仍会基于电流而发热，但是由于该发热速率低于热敏电阻101的散热速率，热敏电阻101会保持在较低的电阻值而不会动作。

图2示出了根据本发明实施例的过流保护装置的动作时间随动作电流变化的曲线。其中，曲线201是本发明实施例中过流保护装置的动作时间随动作电流变化的曲线，曲线202是传统的仅包括热敏电阻的过流保护器件的动作时间随动作电流变化的曲线。

可以看出，相比于传统的过流保护器件，本发明实施例的过流保护装置的动作时间显著减少，特别是当过流保护装置工作在较小的动作电流时，动作时间的减少尤为明显。这是由于在较小动作电流下，热敏电阻的自热速率较低，而在较大动作电流下，热敏电阻的自热速率增加较快。而电流加热单元的加热速率主要由其阻抗决定；相对于热敏电阻的自热速率，电流加热单元的加热速率相对稳定，因此，动作电流越小，电流加热单元的加热对动作时间的影响越明显。

图3示出了根据本发明实施例的过流保护装置中热敏电阻动作电流的温度折减曲线。其中，曲线301是本发明实施例中过流保护装置的动作电流随温度变化的曲线，曲线302是传统的仅包括热敏电阻的过流保护器件的动作电流随温度变化的曲线。

可以看出，相比于传统的过流保护器件，本发明实施例的过流保护装置的动作电流变化幅度较小。这是由于电流加热单元所提供的热量相对于环境温度的影响更高，而电流加热单元的加热速率是基本稳定的，主要与其电阻值相关，这实质上相当于弱化了环境温度对过流保护装置动作电流的影响，因此能够在较大的温度范围内保持较好的一致性。

在实际应用中，为了更好地提高电流加热单元对热敏电阻的加热效果，热敏电阻与电流加热单元可以集成在同一封装中，例如集成在同一塑料或陶瓷外壳中，并通过引脚将该过流保护装置的电极引出。图4a与4b分别示出了根据本发明的实施例的过流保护装置410及420。

如图4a及4b所示，热敏电阻401具有第一电极401a与第二电极401b，而电流加热单元402具有第三电极402a与第四电极402b，其中，该第二电极401b与第三电极402a电连接，以使得热敏电阻401与电流加热单元402串联连接，并且热敏电阻401与电流加热单元402封装于同一封装件403内。

在图4a中，过流保护装置410还包括第一引脚404与第二引脚405，该第一引脚404用于将该第一电极401a从封装件403电引出，而第二引脚405用于将该第四电极402b从封装件403电引出。在图4b中，过流保护装置420除了第一引脚404与第二引脚405外，还包括第三引脚406，用于将该第二电极401b与第三电极402a从封装件403电引出。相比于具有两个引脚的过流保护装置，第三引脚406使得热敏电阻401与电流加热单元402能够分别地被检测以确定其电学特性。

在实际应用中，过流保护装置420还可以以其他形式接入电路。图5即示出了采用图4b的过流保护装置的一种电路示意图。该电路包括过流保护装置、电源501、负载502、控制模块503以及可控开关504。其中，负载502与控制模块503串联连接构成第一支路，过流保护装置的电流加热单元402与可控开关504串联连接构成第二支路，该第一支路与第二支路并联连接以接入电路。其中，该控制模块503用于检测流经其的电流大小，并基于所检测的电流值的不同形成相应的控制信号来控制可控开关504的开关。该控制模块503可以例如采用微处理器(MCU)的控制元件。

具体而言，在图5的电路中，当热敏电阻401的工作电流小于动作电流时，可控开关504被置于关断状态，第二支路中没有流过电流，电流加热单元402不工作，因此，热敏电阻401不会被电流加热单元402加热；而当热敏电阻401的工作电流超过动作电流时，控制模块503向可控开关504提供使得其打开的控制信号，从而使得第二支路导通，因而电流加热单元402工作并向热敏电阻401加热以加快热敏电阻401的升温速度。

依据具体实施例的不同，本发明的过流保护装置可以采用多种封装结构。图6a-7c即示出了本发明过流保护装置的各种结构示意图。

如图6a与6b所示，该过流保护装置包括热敏电阻601与电流加热单元602。其中，该热敏电阻601为平板状，其包括一层正温度系数特性的热敏材料，例如为聚合物PTC热敏材料或陶瓷PTC热敏材料。电流加热单元602为平板状，其包括发热部件，例如为电阻材料，该发热部件基于流过其的电流生成热量。由于热敏材料与电阻材料均为导电材料，其可以相互直接贴合以实现热敏电阻601与电流加热单元602的电连接及热连接。可选地，在这两层热敏材料与电阻材料之间，还可以夹入一层导热导电材料，例如金属材料；或者可以加入一层不导电的导热材料以实现其间的热传导，并在该导热材料中嵌入导电引线来实现热敏电阻601与电流加热单元602的电连接。需要说明的是，对于电流加热单元602中的发热部件，在具体应用中其也可以采用例如感性器件(例如电感)、半导体器件(例如二极管)或其他可以通过电流发热的器件，不应限制其范围。

在图6a的实施例中，热敏电阻601的第一电极以及电流加热单元602的第四电极分别通过一个与其平行的第一引脚603以及第二引脚604引出。而在图6b的实施例中，热敏电阻601远离电流加热单元602的一侧覆盖有一层金属层作为第一电极(图中未示出)，电流加热单元602远离热敏电阻601的一侧覆盖有另一层金属层作为第四电极，这两个电极分别通过与其电连接的第一端子605与第二端子606引出。

图6a与图6b所示的结构特别适于具有2个引脚的过流保护装置，即图4a所示的过流保护装置410。对于具有3个引脚的过流保护装置，即图4b所示的过流保护装置420，由于需要将热敏电阻的第二电极以及第三电极引出，因此，其结构也有所不同，在下文中将详细说明。

如图7a与图7b所示，该过流保护装置包括热敏电阻701与电流加热单元702，该电流加热单元702可以直接贴合到热敏电阻701上，或通过导热材料贴合到热敏电阻701上，以通过热传导的方式向热敏电阻701提供热量。

热敏电阻701包括一层正温度系数特性的热敏材料711，该热敏材料711例如为聚合物PTC热敏材料或陶瓷PTC热敏材料。在本实施例中，该热敏材料711呈平板状，其两侧分别覆盖有一层导电层712，其中，每一个导电层712的一端都具有一个凹槽713，以使得该导电层712被分离为电学隔离的第一部分712a与第二部分712b；在该热敏材料711的两端还分别包裹有第一电极714以及第二电极715，该第一电极714与第二电极715分别用于引出一个导电层712的第一部分712a。这样，通过第一电极714与第二电极715，两层导电层712之间可以形成基本上垂直于热敏材料711的电场，并在其间形成电流。可以理解，上述热敏电阻701的结构仅为示例，在实际应用中，热敏电阻701还可以采用其他热敏材料及相应的封装结构，不应限制其范围。

电流加热单元702包括：发热部件721，其基于流过其的电流生成热量；基板722，用于支撑该发热部件721，以允许该发热部件721沿基板722的一侧延展；以及位于该基板722两侧的第三电极723与第四电极724，用于将该发热部件721电引出，其中，该第三电极723与该发热部件721位于基板722的同一侧，而该第四电极724通过穿过该基板722的过孔725与该发热部件721电连接。

在实际应用中，该发热部件721包括阻性器件、感性器件或半导体器件。在图7a的实施例中，该发热部件721为阻性的导电引线，其可以采用线圈结构，该导电引线的宽度、厚度及长度可以基于实际需要的不同进行设计。特别地，该发热部件721与基板722可以采用印刷电路板的结构，可以在基板722上印刷铜线或其他金属线来作为发热部件721的导电引线。可选地，在图7b所述的实施例中，可以在基板722上覆盖碳膜来形成发热部件。相应地，第三电极723与第四电极724可以为焊盘的结构，其中第三电极723可以通过例如焊接等方式与热敏电阻701的第二电极715电连接。此外，为了避免发热部件721与热敏电阻701直接地电连接，可以在该发热部件721上覆盖绝缘层，其中仅露出第三电极723。优选地，该绝缘层可以采用导热性能较优的材料，以利于电流加热单元702与热敏电阻701之间的热传导。

由图7a与7b所示的结构可以看出，可以通过在第二电极715上连接(例如焊接)引脚，以将第二电极715电引出，从而形成3个引脚的结构；或者可以在第三电极723上焊接引脚，以引出第二电极715与第三电极723。本领域技术人员可以理解，图7a与7b的结构既可以形成3个引脚，也适于形成2个引脚以将所需的电极电引出。

图7c示出了根据本发明另一实施例的电流加热单元的剖面示意图。该电流加热单元采用陶瓷厚膜技术，其发热部件731为厚膜电阻，而基板732为陶瓷基板。在实际应用中，该电流加热单元可以采用厚膜印刷的方式形成。

具体而言，基板732的一侧形成有发热部件731，具体为厚膜电阻体。该发热部件731两端分别电气地连接有第一内电极735与第二内电极736，其中，该第一内电极735通过穿过基板732的过孔737与基板732另一侧的第一面电极739电连接，该相互连接的第一内电极735、过孔737以及第一面电极739即构成了电流加热单元的第四电极；而该第二内电极736与发热部件731上的第二面电极738电连接，其中该第二面电极738通过依次位于其下的二次保护层734及一次保护层733与发热部件731电隔离，该第二内电极736与第二面电极738共同构成电流加热单元的第三电极。在实际应用中，该一次保护层733、二次保护层734以及第二面电极738通常采用具有较高导热率的材料，以利于发热部件735与其上的热敏电阻(图中未示出)之间的热传导。

尽管在附图和前述的描述中详细阐明和描述了本发明，应认为该阐明和描述是说明性的和示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所上述实施方式。

那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在发明的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

Claims (17)

1.一种过流保护装置，其特征在于，包括：

热敏电阻，其包括具有正温度系数特性的热敏材料；

电流加热单元，其与所述热敏电阻串联连接，并以热传导的方式对所述热敏电阻加热。

2.根据权利要求1所述的过流保护装置，其特征在于，所述电流加热单元直接贴合到所述热敏电阻或通过导热材料贴合到所述热敏电阻。

3.根据权利要求1所述的过流保护装置，其特征在于，所述热敏电阻具有第一电极与第二电极，所述电流加热单元具有第三电极与第四电极，所述第二电极与所述第三电极电连接。

4.根据权利要求3所述的过流保护装置，其特征在于，所述过流保护装置还包括第一引脚与第二引脚，所述第一引脚用于将所述第一电极电引出，而所述第二引脚用于将所述第四电极电引出。

5.根据权利要求4所述的过流保护装置，其特征在于，所述过流保护装置还包括第三引脚，所述第三引脚用于将所述第二电极及所述第三电极电引出。

6.根据权利要求1所述的过流保护装置，其特征在于，所述电流加热单元包括：

发热部件，其基于流过其的电流生成热量；

基板，用于支撑所述发热部件，以允许所述发热部件沿所述基板的一侧延展；以及

位于所述基板两侧的第三电极与第四电极，用于将所述发热部件电引出，其中，所述第三电极与所述发热部件位于所述基板的同一侧，而所述第四电极通过穿过所述基板的过孔与所述发热部件电连接。

7.根据权利要求6所述的过流保护装置，其特征在于，所述发热部件包括阻性器件、感性器件或半导体器件。

8.根据权利要求6所述的过流保护装置，其特征在于，所述基板包括印刷电路板或陶瓷基板。

9.根据权利要求8所述的过流保护装置，其特征在于，所述基板为印刷电路板，所述发热部件包括由导电引线或碳膜构成的电阻。

10.根据权利要求9所述的过流保护装置，其特征在于，所述发热部件覆盖有绝缘材料。

11.根据权利要求8所述的过流保护装置，其特征在于，所述基板为陶瓷基板，所述发热部件包括厚膜电阻。

12.根据权利要求1所述的过流保护装置，其特征在于，所述电流加热单元包括：

发热部件，其基于流过其的电流生成热量；

位于所述发热部件两侧的第三电极与第四电极，用于将所述发热部件电引出。

13.根据权利要求12所述的过流保护装置，其特征在于，所述电流加热单元为平板状。

14.根据权利要求13所述的过流保护装置，其特征在于，所述热敏电阻的形状为平板状。

15.根据权利要求12所述的过流保护装置，其特征在于，所述发热部件包括阻性器件、感性器件或半导体器件。

16.根据权利要求1所述的过流保护装置，其特征在于，所述热敏电阻包括聚合物PTC热敏材料或陶瓷PTC热敏材料。

17.一种过流保护电路，包括根据权利要求1至16任一项所述的过流保护装置。

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