CN202395414U - 电路保护器件及包含该器件的电子电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种电路保护器件(P)以及包含该器件的电子电路，包括一个具有正温度系数特性的第一热敏电阻(1)；以及一个加热器件(2)，与所述第一热敏电阻(1)导热地耦接，用于受控地加热该第一热敏电阻(1)。本实用新型的实施方式实现了可控制地保护，并且提供了更短的动作时间，既适用于过流和过温等故障，也适用于非过流和非过温状况引起的故障，以及工作和故障电流较为接近、但保护动作时间要求较快、需要依靠控制电路主动触发保护的场合，例如功率型电池、USB和电源电路等。

Description

电路保护器件及包含该器件的电子电路

技术领域

本实用新型涉及电子器件技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种电路保护器件。 

背景技术

在电路中，电子元件或电气设备通常都具有额定的工作电压及工作电流。然而，由于各种原因，例如电源波动、电路短路等，这些电子元件或电子设备有时会不适当地工作在过载状态下而发生故障。为了避免电子元件或电子设备发生故障并导致损坏，可以使用电路保护器件来限制电路中的电压及电流。 

正温度系数(Positive Temperature Coefficient，简称PTC)热敏材料是一种常用的电路保护器件。它的特性是，由于电流或电压在PTC材料上产生的功率，PTC材料会逐渐地积累热量，并使其温度升高。当它的温度升高到居里温度点(或称转折温度点)处，PTC材料的阻值会成几何级数的增加。当温度降低，PTC材料的阻值又会降低回到接近初始电阻的位置。因此，PTC材料可广泛应用于需要可自恢复的过电流、过温度的保护场合，例如，将PTC电阻与需要保护的电路部分串联，当流经该需要保护的电路部分，即流过PTC电阻的电流过大后，PTC电阻会发热并升温至居里温度点，引起其电阻大幅提升，从而大大地提高回路中的电阻，继而减小流过需要保护的电路部分的电流，起到保护作用。 

以上描述的现有的保护技术存在一定的缺点，当过流时，PTC材料必须依靠一定的热积累时间才能达到居里温度点，继而阻值升高以开始保护动作。这个时间与半导体保护电路相比，通常较慢，保护效果受限。不仅如此，由于PTC材料是被动保护器件，缺少受 控地保护功能，例如无法接受控制电路的指令，因此，在特定故障条件下，如非过流和非过热条件下***损坏时，PTC材料将无法进行有效保护。而大电流、快动作、小尺寸以及可智能化控制是PTC材料技术当前主要方向发展。 

实用新型内容

为了解决上述至少一个问题，本实用新型的发明构思在于，为PTC材料提供一个可受控地加热该PTC材料的热源。在正常工作状态下，该热源不运作；而当外界检测到故障发生时，例如过压、过温、欠压等等故障时，该热源受控地加热该PTC材料。这样，能够加快PTC材料升温至其居里温度点，进而使得PTC材料更快地开始保护工作。从而，能够实现可控制地保护，以及提供了更短的动作时间。 

根据本实用新型的一个方面，提供了一种电路保护器件，其特征在于，包括： 

一个用于电路保护的、具有正温度系数特性的第一热敏电阻；以及 

一个加热器件，与所述第一热敏电阻导热地耦接，用于受控地加热该第一热敏电阻。 

根据该方面，实现了可控制地保护，并且提供了更短的动作时间。既适用于过流和过温等故障，也适用于故障由非过流和非过温状况引起，或者工作和故障电流较为接近，但保护动作时间要求较快，需要依靠控制电路主动触发保护的场合。更加具体的应用场合包括但不限于功率型电池、USB和电源电路等。 

根据一个更具体的实施方式，所述电路保护器件进一步包括输入端、输出端以及控制端， 

其中，所述第一热敏电阻具有第一电极与第二电极，所述第一电极与所述输入端相连，所述第二电极与所述输出端相连； 

所述加热器件具有第三电极与第四电极，所述第三电极与所述 输出端相连，所述第四电极与所述控制端相连并能够被所述控制端设为形成回路或者悬空，来受控地加热第一热敏电阻。 

该更具体的实施方式提供了一种三端的、比较紧凑的电路保护器件结构。 

根据另一个更具体的实施方式，所述加热器件包括以下至少任一项： 

-具有正温度系数特性的第二热敏电阻； 

-阻性加热器件； 

-感性加热器件； 

-半导体加热器件。 

该更具体的实施方式提供了加热器件的多种实现方式。 

优选地，所述加热器件包括所述第二热敏电阻，所述第二热敏电阻的转折温度点等于或高于所述第一热敏电阻的转折温度点。根据该优选的实施方式，能够在第一热敏电阻运作之前，持续地加热该第一热敏电阻，具有更优的加热效果，因此具有更优的保护效果。 

优选地，所述加热器件包括所述第二热敏电阻，在相同电流和环境下，所述第二热敏电阻的动作时间快于所述第一热敏电阻的动作时间。根据该优选的实施方式，第一热敏电阻能够更快地开始保护动作，具有更优的保护效果。 

根据又一个更具体的实施方式，所述第一热敏电阻与所述加热器件呈片状，且所述第一与第二电极分别位于所述第一热敏电阻的两侧，所述第三与第四电极分别对于所述加热器件的两侧，且所述第一热敏电阻与所述加热器件由所述第二电极与所述第三电极电连接地且导热地贴合，该电路保护器件还包括 

作为所述输入端的第一引脚，与所述第一电极电连接； 

作为所述输出端的第二引脚，与所述第二电极与所述第三电极电连接； 

作为所述控制端的第三引脚，与所述第四电极电连接。 

该实施方式提供了本电路保护器件的、引脚型实现方式。 

根据又一个更具体的实施方式，所述第一热敏电阻与加热器件呈片状，且所述第一与第二电极分别位于所述第一热敏电阻的两侧，所述第三与第四电极分别位于所述加热器件的两侧，且第一热敏电阻与加热器件被如下任一方式导热地耦接： 

-通过固定框架接合； 

-通过导热材料贴合； 

该电路保护器件还包括： 

作为所述输入端的第一焊盘，与所述第一电极电连接； 

作为所述输出端的第二焊盘，与所述第二电极与所述第三电极电连接； 

作为所述控制端的第三焊盘，与所述第四电极电连接。 

该实施方式提供了本电路保护器件的、贴片焊盘型实现方式。 

根据又一个实施方式，该电路保护器件还包括，位于所述第一热敏电阻与所述加热器件之间的绝缘导热层。 

根据本实用新型的第二个方面，提供了一种电子电路，包括需要保护的电路部分，其特征在于，还包括： 

-一个根据前述第一个方面所述的电路保护器件，其中，该电路保护器件的第一热敏电阻与所述电路部分相连； 

-一个控制电路，与所述电路部分相连，以检测所述电路部分中是否发生保护事件；并且，与所述电路保护器件的加热器件相连，以在所述保护事件发生时控制所述加热器件加热所述第一热敏电阻。 

该方面提供了包含本电路保护器件的电子电路，它能够得到可控地、动作时间更短的保护。 

根据本实用新型的第三个方面，提供了一种电路保护方法，其特征在于，包括如下步骤： 

-在电路中提供一个用于保护该电路的、具有正温度系数特性的第一热敏电阻； 

-提供一个加热器件，与所述第一热敏电阻导热地耦接； 

-当需要对该电路进行保护时，控制所述加热器件加热所述第一热敏电阻。 

根据该方面，实现了可控制地保护，并且提供了更短的动作时间。 

本实用新型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实用新型的特征、目的和优点。 

图1示出了根据本实用新型的一个具体实施方式的电路保护器件的电路图； 

图2示出了以引脚方式实现的根据本实用新型的一个具体实施方式的电路保护器件； 

图3示出了以贴片焊盘方式实现的根据本实用新型的一个具体实施方式的一种电路保护器件的分解示意图； 

图4示出了组装完成后的、图3所示的贴片焊盘方式的电路保护器件； 

图5示出了以贴片焊盘方式实现的根据本实用新型的一个具体实施方式的又一种电路保护器件的分解示意图； 

图6示出了组装完成后的、图5所示的电路保护器件； 

图7示出了以贴片焊盘方式实现的根据本实用新型的一个具体实施方式的另一种电路保护器件的俯视图； 

图8示出了图7所示的电路保护器件的仰视图； 

图9示出了包含根据本实用新型的一个具体实施方式的电路保护器件的电子电路。 

其中，相同或相似的附图标记代表相同或相似的装置。 

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实用新型的特定方式，而非限制本实用新型的范围。 

本实用新型提供了一种电路保护器件，包括： 

一个具有正温度系数特性的第一热敏电阻1；以及 

一个加热器件2，与所述第一热敏电阻导热地耦接，用于受控地加热该第一热敏电阻。 

根据一个更具体的实施方式，如图1所示，电路保护器件P包括输入端IN、输出端OUT以及控制端Ctrl。第一热敏电阻1具有第一电极t1与第二电极t2，第一电极t1与输入端IN相连，第二电极t2与输出端OUT相连；且加热器件2具有第三电极t3与第四电极t4，第三电极t3与输出端OUT相连，第四电极t4与控制端Ctrl相连。并且，参照例如图6所示的连接方式，该第四电极t4能够被控制端Ctrl设为形成回路或者悬空，来使加热器件2受控地运作以加热第一热敏电阻1。图中的箭头T代表加热器件2对第一热敏电阻1的热传递作用。 

在一个实施方式中，加热器件2是一个具有正温度系数特性的第二热敏电阻2。 

在一个优选的实施方式中，第二热敏电阻2的转折温度点等于或高于第一热敏电阻2的转折温度点，这样，能够在第一热敏电阻1运作之前，持续地加热该第一热敏电阻1，具有更优的加热效果，因此具有更优的保护效果。特别的，当该电路保护器件应用在非过流和非过温情况下时，单靠第一热敏电阻1自己承受的电流和温度是无法开始运作的。这时，依靠本优选的实施方式，第二热敏电阻2将第一热敏电阻1加热到其居里温度，使得第一热敏电阻1运作，这就显得尤其有用。 

在另一个优选的实施方式中，在相同电流和环境下，第二热敏电阻2的动作时间快于第一热敏电阻1的动作时间，这样，第一热敏电阻1开始保护动作的时间能够进一步地缩短，因此具有更优的 保护效果。 

图2示出了以引脚方式实现的本电路保护器件P。如图所示，第一热敏电阻1与第二热敏电阻2呈片状，且第一电极t1与第二电极t2分别位于第一热敏电阻1的朝纸面内和朝纸面外侧，第三电极t3与第四电极t4分别位于第二热敏电阻的朝纸面内和朝纸面外侧，且第一热敏电阻1与第二热敏电阻由第二电极t2与第三电极t3电连接地且导热地贴合，该电路保护器件P还包括作为输入端的第一引脚PIN1，与第一电极t1电连接，作为输出端的第二引脚PIN2，与第二电极t2与和第三电极t3电连接，以及作为控制端的第三引脚PIN3，与第四电极t4电连接。可以理解，该电路保护器件P还可以包括外面的绝缘封装，这里为了显示电路保护器件P的构造而没有示出。 

图3示出了以焊盘方式实现的一种电路保护器件P。如图所示，第一热敏电阻1与第二热敏电阻2呈片状，且第一电极t1与第二电极t2分别位于第一热敏电阻1的上侧和下侧，第三电极t3与第四电极t4分别位于第二热敏电阻2下侧和上侧。固定框架3通过用于防压的弹性垫5接合第一热敏电阻1，且固定框架3与弹性垫5中间镂空，正好容纳第二热敏电阻2，允许第二热敏电阻2的第三电极t3接合第一热敏电阻1的第二电极t2。该电路保护器件P还包括保护涂层4，位于第二热敏电阻2上层。该保护涂层4上包括三个焊盘，其中，作为输入端IN的第一焊盘通过通孔与第一电极t1电连接，作为输出端OUT的第二焊盘通过通孔与第二电极t2和第三电极t3电连接，作为控制端Ctrl的第三焊盘c通过通孔与第四电极t4电连接。图4示出了组装完成后的、图3所示的贴片焊盘方式的电路保护器件。 

图5给出了一种变化的实施方式。如图所示，第一热敏电阻1与第二热敏电阻2呈片状，且第一电极t1与第二电极t2分别位于第一热敏电阻1的上侧和下侧，第三电极t3与第四电极t4分别位于第二热敏电阻2下侧和上侧。绝缘层4位于第一热敏电阻1的下层， 第一和第二热敏电阻之间，以及第二热敏电阻2的上层。第二热敏电阻2上层的绝缘层4上包括三个分别作为输入端、控制端和输出端的焊盘，它们通过通孔分别与第一和第二热敏电阻的对应电极相连。图6是图5所示的电路保护器件组装完成后的视图。 

图7和图8示出了以焊盘方式实现的另一种电路保护器件P，其中，图7是俯视图，图8是仰视图。如图所示，第一热敏电阻1与第二热敏电阻2呈片状，且第一电极t1与第二电极t2分别位于第一热敏电阻1的上侧和下侧，第三电极t3与第四电极t4分别位于第二热敏电阻2上侧和下侧。第一热敏电阻1和第二热敏电阻2之间具有绝缘导热层3，它们由导热胶等材料贴合在一起。两块绝缘的涂层4分别贴合在第一热敏电阻1的上方和第二热敏电阻2的下方。第二热敏电阻的第四电极t4上一体形成有或结合有作为控制端Ctrl的焊盘，且下方的涂层4的对应位置被镂空具有开口5，以在贴合于第二热敏电阻2下方时显露出该焊盘。作为输入端IN的焊盘位于右侧，其通过通孔与第一电极t1相连，作为输出端Ctrl的焊盘位于左侧，其通过通孔与第二电极t2和第三电极t3相连。 

可以理解，焊盘的位置的并不限于以上所举的实施方式，这些焊盘可以位于贴片型的电路保护器件上的任何位置，并通过合理设置的通孔与所需的电极电连接。 

在描述了本电路保护器件的构造和功能之后，下面将采用一个示例的电子电路对本电路保护器件的运作原理进行详述。 

如图9所示，电子电路包括需要保护的电路部分，例如负载电路L，并包括本电路保护器件P，其中，电路保护器件P通过输入端IN和输出端OUT与负载电路串联，控制端Ctrl通过一个可控开关K为第二热敏电阻2形成回路。该可控开关K受控制电路C的控制而打开或关闭。该控制电路C还与负载电路L相连，以检测负载电路L中是否发生保护事件。 

在正常工作状态下，控制电路未检测到保护事件，则其控制可控开关K断开，即将对于第二热敏电阻2的回路断开，第二热敏电 阻不工作，且第一热敏电阻不工作，即电路保护器件P不进行保护。在保护事件，例如下面任一情况发生时： 

-过电流； 

-过电压； 

-欠电压； 

-过温度。 

控制电路可以通过将负载电路经受的电流、电压、温度与预定的电流、电压、温度值进行比较，检测到该保护事件发生。然后，该控制电路C控制可控开关K闭合，即对于第二热敏电阻2形成回路，引起第二热敏电阻2动作，从而加热第一热敏1电阻，促使其更快地动作，保护负载电路。 

通过该种电路配置，第一热敏电阻1动作后能够避免流入控制开关K的电流过大，从而可以选择功率较小的控制开关K，减少成本。 

在非电流和非温度故障条件下，通过控制电路控制，电路保护器件仍然可以保护动作。申请人对单PTC保护器件和本电路保护器件的动作时间进行了测试，下表给出了测试结果。其中，输入电压为16V，单PTC保护器件的保持电流为7A，而故障时的电流仅为5A。分别测试5个单PTC保护器件和本电路保护器件，分别以序号1-5所示。 

表1 

从测试结果可以看出，由于故障时的电流低于保持电流，所以单PTC保护器件不动作。而本电路保护器件的动作时间均小于2秒。 

尽管在附图和前述的描述中详细阐明和描述了本实用新型，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；本实用新型不限于所上述实施方式。例如，图1所示的该加热器件2与第一热敏电阻1之间的电路连接方式并不限制本实用新型，例如加热器件2的第三电极t3也可以与第一热敏电阻1的第一电极t1相连，只要两者实体之间导热地即可。再例如，加热器件还可以由阻性加热器件，感性加热器件和半导体加热器件所构成，这些加热器件及其适用的连接方式是本领域的一般技术人员所熟知的，在此不再赘述。 

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。在实用新型的实际应用中，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 (10)

1.一种电路保护器件，其特征在于，包括：

一个用于电路保护的、具有正温度系数特性的第一热敏电阻(1)；以及

一个加热器件(2)，与所述第一热敏电阻(1)导热地耦接(T)，用于受控地加热该第一热敏电阻(1)。

2.根据权利要求1所述的电路保护器件，其特征在于，所述电路保护器件进一步包括输入端(IN)、输出端(OUT)以及控制端(Ctr1)，

其中，所述第一热敏电阻具有第一电极(t1)与第二电极(t2)，所述第一电极与所述输入端相连，所述第二电极与所述输出端相连；

所述加热器件具有第三电极(t3)与第四电极(t4)，所述第三电极与所述输出端相连，所述第四电极与所述控制端相连并能够被所述控制端设为形成回路或者悬空，来受控地加热第一热敏电阻。

3.根据权利要求1所述的电路保护器件，其特征在于，所述加热器件包括以下至少任一项：

-具有正温度系数特性的第二热敏电阻；

-阻性加热器件；

-感性加热器件；或

-半导体加热器件。

4.根据权利要求3所述的电路保护器件，其特征在于，所述加热器件包括所述第二热敏电阻，所述第二热敏电阻的转折温度点等于或高于所述第一热敏电阻的转折温度点。

5.根据权利要求3或4所述的电路保护器件，其特征在于，所 述加热器件包括所述第二热敏电阻，在相同电流和环境下，所述第二热敏电阻的动作时间快于所述第一热敏电阻的动作时间。

6.根据权利要求2所述的电路保护器件，其特征在于，所述第一热敏电阻与所述加热器件呈片状，且所述第一与第二电极分别位于所述第一热敏电阻的两侧，所述第三与第四电极分别对于所述加热器件的两侧，且所述第一热敏电阻与所述加热器件由所述第二电极与所述第三电极电连接地且导热地贴合，该电路保护器件还包括

作为所述输入端的第一引脚(PIN1)，与所述第一电极电连接；

作为所述输出端的第二引脚(PIN2)，与所述第二电极与所述第三电极电连接；

作为所述控制端的第三引脚(PIN3)，与所述第四电极电连接。

7.根据权利要求2所述的电路保护器件，其特征在于，所述第一热敏电阻与加热器件呈片状，且所述第一与第二电极分别位于所述第一热敏电阻的两侧，所述第三与第四电极分别位于所述加热器件的两侧，且第一热敏电阻与加热器件被如下任一方式导热地耦接：

-通过固定框架接合；

-通过导热材料贴合；

该电路保护器件还包括：

作为所述输入端的第一焊盘，与所述第一电极电连接；

作为所述输出端的第二焊盘，与所述第二电极与所述第三电极电连接；

作为所述控制端的第三焊盘，与所述第四电极电连接。

8.根据权利要求2所述的电路保护器件，其特征在于，还包括，位于所述第一热敏电阻与所述加热器件之间的绝缘导热层。

9.一种电子电路，包括需要保护的电路部分(L)，其特征在于， 还包括：

-一个根据权利要求1至7中任一项所述的电路保护器件，其中，该电路保护器件的第一热敏电阻(1)与所述电路部分(L)相连；

-一个控制电路(C)，与所述电路部分(L)相连，以检测所述电路部分(L)中是否发生保护事件；并且，与所述电路保护器件的加热器件(2)相连，以在所述保护事件发生时控制所述加热器件(2)加热所述第一热敏电阻(1)。

10.根据权利要求9所述电子电路，其特征在于，所述保护事件包括以下至少任一项：

-过电流；

-过电压；

-欠电压；

-过温度。 

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