连接器的制作方法

本发明涉及一种连接器，特别涉及一种具有过温度及过电流保护功能的连接器。

背景技术：

随着可携式装置技术的发展，使用者需求的功能越来越多，例如，为因应屏幕尺寸越来越大，装置的电池容容量需求也越来越大，再加上因应快速充电的需求，因此所需要的充电器功率越来越大。在这种大电流的充电过程中使用者都可能遇到充电器输出端子的连接器(例如广为使用的USB和micro USB型连接器，或较为新式的Type C型式)在充电时发生微短路后烧融的安全问题。举例而言，大电流的充电过程中，随着热插拔的次数越来越多，在使用过程中异物(例如：头髪、金属屑、杂物、饮料、甚至是没干透的咖啡残渣)进入充电介面连接器的狭小空间内，产生微短路，或是插头插座斜向插拔破损，插头用力过大变形，造成资料传输线或充电器在插头内部微短路，微短路无法达到充电器短路保护条件，导致充电器持续输出功率，并转化形成热量，因此出现发热故障导致充电器插头或连接器烧毁的问题。目前许多使用者在充电时都发生充电介面连接器微短路后烧融的安全问题，因此对此问题的解决将越来越迫切。

目前USB资料传输线已成为主要的资料传输和充电工具。如前所述，由于电子设备充电电流的变大，热插拔次数的越来越多，使得USB资料传输线出现发热故障导致电子设备烧毁的概率增加。但是现有USB资料传输线中大部分都没有安装保护装置，或即使有保护装置却无法感测到微短路而作出降低电流值的反应，因此可能发生USB资料传输线、相关连接器或电子设备烧毁故障，将对人身财产安全造成威胁。

技术实现要素：

为了解决上述充电或资料传输时可能发生微短路却又无法提供保护的问题，本发明提供一种连接器，其内部设置的层状电路板具有过电流和过温度保护的功能，从而避免微短路可能产生连接器或电子设备烧毁的风险。

过电流保护通常使用的导电复合材料具正温度系数(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性，亦即在室温时具低电阻值，而当温度上升至一临界温度或电路上有过量电流产生时，其电阻值可立刻跳升数千倍以上(亦即触发trip)，由此抑制过量电流通过，以达到电路保护的目的。当温度降回室温后或电路上不再有过电流的状况时，PTC导电复合材料可回复至低电阻状态，而使电路重新正常操作，具有可重复使用的优点。本发明即利用PTC导电复合材料作为连接器中层状电路板的核心，从而提供过电流和过温度保护的功能。

根据本发明的一实施例，一种连接器包括连接器端子与层状电路板。该层状电路板连接该连接器端子的一端，且包含一PTC材料层以及形成层状电路板上表面的第一电极层和位于层状电路板下表面的第二电极层。该PTC材料层设置于该第一和第二电极层之间。第一电极层和第二电极层中包含作为电源提供的第一电极区块和第二电极区块，该PTC材料层电气连接该第一电极区块和第二电极区块，形成导电路径。该PTC材料层在该导电路径中形成一串联于第一电极区块和第二电极区块之间的PTC电阻元件，当该导电路径中有过电流或过温度发生时，该PTC电阻元件会触发而成高电阻状态。

申言之，当可作为充电接口的连接器端子发生过电流或微短路发热故障时，热量很快可传递到串联于电路中的PTC材料层，然后形成高电阻大幅降低流通的电流值，以防止连接器和其相关电子装置过热烧毁。

一实施例中，该层状电路板还包含第一导电层和第二导电层。第一导电层形成于该PTC材料层的一表面，且电气连接该第一电极区块。第二导电层形成于该PTC材料层相对的另一表面，且电气连接该第二电极区块。

一实施例中，该层状电路板还包含第一绝缘层和第二绝缘层。第一绝缘层叠设于该第一导电层和第一电极层之间，第二绝缘层叠设于该第二导电层和第二电极层之间，作为其间的隔离。

一实施例中，该层状电路板还包含第一导电连接件和第二导电连接件。第一导电连接件电气连接第一电极区块和第一导电层。第二导电连接件电气连接第二电极区块和第二导电层。

一实施例中，该第一导电连接件穿过该第一绝缘层并连接第一电极区块和第一导电层，且第二导电连接件穿过该第二绝缘层并连接第二电极区块和第二导电层。

一实施例中，该第一电极区块和第二电极区块分别位于层状电路板的不同侧。

一实施例中，该第一导电连接件和第二导电连接件为通过第一绝缘层、PTC材料层和第二绝缘层之贯穿结构，第一导电连接件连接第一电极区块和第一导电层且与第二导电层隔离，第二导电连接件连接第二电极区块和第二导电层且与第一导电层隔离。

一实施例中，该第一电极区块和第二电极区块分别位于层状电路板的同侧。

一实施例中，该连接器还包含一警示装置，该警示装置与该PTC电阻元件形成并联。当该PTC电阻元件因触发而成高电阻状态时，电流转而流经该警示装置，从而发出警示信息。

一实施例中，该警示装置包含一LED元件，可于异常状况时发光警示。

一实施例中，该警示装置包含两个互成并联的LED元件，且该两个LED元件极性方向相反，可于异常状况时发光警示。

一实施例中，该警示装置包含一蜂鸣器，可于异常状况时发声警示。

随着电池容量增大及快充需求增加，充电器瓦数势必增大，不仅是电流增大电压也会增加。本发明将PTC材料层作为核心制作成整片层状电路板型式，故具有相当大的有效面积，而可降低其电阻值。相较于其它方案将PTC元件以SMD方式贴装于电路板上，本发明不仅可节省空间，PTC材料层更因此增大了利用面积而可达成较低电阻，故设计上更可采用高耐压的材料来制作，大大提升其实用性及应用广度。本发明保护电路板还有另一优点，只需查证充电线端子的电路板是否为PTC所制作，客户就能方便地判断用户是否使用了标配充电线，避免了出厂后的纠纷。

附图说明

图1显示本发明一实施例的连接器的立体示意图；

图2显示本发明一实施例的连接器中层状电路板的横剖面示意图；

图3显示本发明另一实施例的连接器中层状电路板的横剖面示意图；

图4显示本发明又一实施例的连接器中层状电路板的横剖面示意图；

图5显示本发明一实施例的连接器的电路示意图；以及

图6至图8显示本发明其他实施例的连接器的电路示意图。

【符号说明】

10 连接器

11 外壳

12 连接器端子

13 电路板

21 PTC材料层

22 第一导电层

23 第二导电层

24 第一电极层

25 第二电极层

26 第一绝缘层

27 第二绝缘层

28、44 第一导电连接件

29、45 第二导电连接件

30、31、32 导电连接件

40、50 警示装置

41 PTC电阻元件

42、51、52 LED元件

43 电阻元件

60 蜂鸣器

241、245 第一电极区块

242、243、244 电极区块

251、255 第二电极区块

252、253、254 电极区块

具体实施方式

为让本发明的上述和其他技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

参照图1，其显示本发明一实施例的连接器的立体示意图，其以目前广为使用的USB 2.0型式连接器为例进行说明，但并不以该型式的连接器为限。连接器10包含外壳11、连接器端子12以及层状电路板13。层状电路板13一端连接连接器端子12，且另一端则可连接至相关导电线或电缆线(图未示)。连接器端子12中有多个引脚，通过线路分别电气连接至层状电路板13上的相对电极区块Vbus、D－、D+、GND等。根据USB 2.0规范，Vbus提供5V的电源，D－、D+作为数据传输，GND则为接地。层状电路板13由外壳11包覆作为保护，该外壳11可为塑胶类的绝缘材料。

图2显示本发明一实施例的层状电路板13的横剖面结构图，其为多层堆叠的层状结构。层状电路板13包含以水平方向延伸的PTC材料层21、第一导电层22、第二导电层23、第一电极层24、第二电极层25、第一绝缘层26以及第二绝缘层27。第一导电层22和第二导电层23分别置于PTC材料层21的上表面和下表面，也就是PTC材料层21叠设于第一导电层22和第二导电层23之间。第一绝缘层26设于第一导电层22和第一电极层24之间，第二绝缘层27设于第二导电层23和第二电极层25之间，作为隔离。第一电极层24形成层状电路板13上表面，且分隔出多个电极区块241、242、243和244，分别作为Vbus、D－、D+、GND的电源或数据传输。类似地，第二电极层25形成层状电路板13下表面，且分隔出多个电极区块251、252、253和254，分别作为Vbus、D－、D+、GND的电极区块。第一电极层24和第二电极层25中提供电源供应Vbus的电极区块包含位于层状电路板13上表面的第一电极区块241和位于下表面的第二电极区块251。第一导电连接件28穿过第一绝缘层24而连接第一电极区块241至第一导电层22，而第二导电连接件29穿过第二绝缘层27而连接第二电极区块251至第二导电层23。如此一来，PTC材料层21电气连接第一电极区块241和第二电极区块251，形成导电路径。如前述，第一电极区块241连接至连接器端子12中的Vbus相应引脚，第二电极区块251则连接至相应电源线，如此提供电源的导电路径必须通过PTC材料层21，从而该PTC材料层21在该导电路径中形成一PTC电阻元件。当连接器10发生过电流异常时，PTC材料层21会触发而成高电阻状态，进而大幅降低电流值。若连接器10有微短路的情形发生时，连接器10会发热升温，此时PTC材料层21可以感测到温度上升，从而提升其电阻值甚至达到触发状态，大幅降低通过电流，如此可避免连接器10或与其数据线和电子设备烧毁。作为数据传输的D－、D+，其相对应的上下电极区块242和252、电极区块243和253之间，并不需要连接PTC材料层21，而分别利用导电连接件30和31直接导通。第一导电层22和第二导电层23邻近导电连接件30和31的地方可制作缺口形成隔离。接地GND的上下电极区块244和254之间也不需要连接PTC材料层21，而利用导电连接件32直接导通。同样地，第一导电层22和第二导电层23邻近导电连接件32的地方可制作缺口形成隔离。

图3为本发明电路板13的另一实施例的横剖面示意图，其结构类似于图2，不过PTC材料层21并不直接接触D－、D+和GND的导电连接件30、31和32，而与第一导电层22和第二导电层23一同以缺口隔离，提供更好的绝缘效果。

实际应用上，电路板13并不限制于图2和图3所示的情况，亦即将第一和第二电极区块位于层状电路板的不同侧。串联连接PTC材料层21的Vbus第一和第二电极区块241和251也可以利用层状电路板13中的电路连线设计，使其位于层状电路板13的同一侧。图4显示作为提供电源的第一和第二电极区块位于层状电路板同侧的一实施例。图4所示为层状电路板13的另一方向的横剖面侧视图，其中D－、D+和GND的相关结构未绘出。层状电路板13包含以水平方向延伸的PTC材料层21、第一导电层22、第二导电层23、第一电极层24、第二电极层25、第一绝缘层26以及第二绝缘层27。不同于图2或3的设计，第一导电连接件44和第二导电连接件45为通过第一绝缘层26、第一导电层22、PTC材料层21、第二导电层23和第二绝缘层27的贯穿结构，第一导电连接件44连接第一电极区块245和第一导电层22且与第二导电层23隔离。第二导电连接件45连接第二电极区块255和第二导电层23且与第一导电层22隔离。

综言之，第一导电连接件28或44电气连接第一电极区块241或245和第一导电层22。第二导电连接件29或45电气连接第二电极区块251或255和第二导电层23。第一和第二电极层24和25包含Vbus的两电极区块，且必须达到串联PTC材料层21而形成PTC电阻元件的效果，如此才能提供过电流及过温度保护的功能。图2至4的第一导电层22和第二导电层23除了邻近导电连接件30、31和32处形成缺口外，其余都是导电路径中通过PTC材料层21的有效电极区块(PTC材料层21与第一导电层22和第二导电层23重叠部分)，也就是说通过PTC材料层21的有效电极面积趋近于层状电路板13的面积。按电阻公式，电极面积愈大，其电阻愈小。因为本发明的PTC材料层21相对于单颗PTC被动元件具有较大的面积，甚至达数倍以上，因此可以达到更低的电阻值。

PTC材料层21中的导电复合材料由一结晶性高分子聚合物及导电填料所组成，该导电填料均匀分散于该高分子聚合物之中。该高分子聚合物一般为聚烯烃类聚合物，例如：聚乙烯，而导电填料可为为碳黑，具有较佳的耐电压特性和电阻回复性。然而，如果容纳空间不足导致PTC材料层的有效面积不足，也可考虑使用具有较低体积电阻值的金属或导电陶瓷填料的PTC导电复合材料，以提供相较于碳黑更低的电阻值。

前述PTC材料层21在该导电路径中形成一串联于第一电极区块241和第二电极区块251之间或第一电极区块245和第二电极区块255之间的PTC电阻元件，即相当于在Vbus线路中串联PTC电阻元件41，如图5所示。当该导电路径中有过电流或过温度发生时，该PTC电阻元件41会触发而成高电阻状态，也就是在连接器10中提供电源的导电路径上串联PTC电阻元件41，以提供过电流和过温度保护功能。

除了前述利用串联PTC电阻元件41以提供过电流和过温度保护功能外，亦可如以下实施例发出警示给使用者，可直接拔除电源而完全避免烧毁的可能。参照图6，可于Vbus的线路中上另外设置一警示元件40，于本实施例为一LED元件42，而警示元件40(LED元件42)与PTC电阻元件41成并联。LED元件42另外串联一电阻元件43作为限流电阻。该电阻元件43可为固定电阻或PTC热敏电阻。LED元件42与PTC电阻元件41并联，当PTC电阻元件41为低电阻时，因跨电压低，无法驱动LED元件42。当PTC电阻元件41感测到过温度或过电流的状况而呈现高电阻状态时，跨电压上升至大于LED元件42驱动临界电压，电流将转而流经LED元件42，点亮LED元件42。此时可于外壳11(参照图1)相对位置开孔，以便将LED元件42的光透出外壳11，作为对使用者的异常警示。

图6所示的LED元件42有极性方向，使得其电路板安装时也需一并可虑方向，而可能会产生组装时的差错。另外，针对双向线材如Type C型式，因其电源端和充电端的连接器格式相同，所以若LED元件有方向性，线材以不同方向连接可能造成即使PTC电阻元件41触发后，LED元件仍无法点亮的情况。图7显示使用两个不同极性方向的LED元件51和52作为警示元件50。因为LED元件51和52属不同极性方向，不论电路板以何种方向装设，或线材以何种方向连接，当PTC电阻元件41感测到过温度或过电流而成为高电阻状态时，电流将转而流向LED元件51和52中的一个并使其发光而达到警示的效果。

参照图8，除了利用LED元件作为发光警示外，亦可利用其他的警示装置，例如可发出声响的蜂鸣器60，该蜂鸣器60与PTC电阻元件41并联设置。当PTC电阻元件41感测到过温度或过电流而成为高电阻状态时，电流将转而流向蜂鸣器60，并使其发出声响而达到警示的效果。

上述实施例揭露的连接器的层状电路板包含单一PTC电阻元件，但于实际应用上并不限于包含单一PTC电阻元件，亦可利用多层PTC材料层的方式构成并联的多个PTC电阻元件，从而进一步降低其电阻值，而为本发明所涵盖。并联PTC材料层的连接方式已揭露于许多公开专利，而为本领域技术人士所能轻易了解，在此不再重述。

本发明的连接器并不限于前述USB 2.0形式，其他例如但不限于USB 3.0、USB 3.1和Type C等也都可以使用本发明的设计。连接器的格式也不限于USB型式的连接器。

本发明使用大面积的PTC材料层作为层状电路板的核心，可有效降低电阻值，而较佳地但不限于可使用碳黑等可耐高压和有较佳电阻回复性的导电填料，可提升其实用性及应用广度。PTC材料层在连接器中作为电源供应的导电路径中形成一串联于第一电极区块和第二电极区块之间的PTC电阻元件。当该导电路径中有过电流或过温度发生时，该PTC电阻元件会迅速触发，从而有效防止例如微短路可能带来的损害。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域具有通常知识的技术人士仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为所附的权利要求所涵盖。