一個(gè)超強(qiáng)的防干擾USB電纜設(shè)計(jì)

最近發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)的線纜需求，工業(yè)類和消費(fèi)類的區(qū)間越來(lái)越小，消費(fèi)類的線材也需要按照工業(yè)類的產(chǎn)品需求設(shè)計(jì)，便于統(tǒng)一規(guī)格，今天我們分享一個(gè)在開(kāi)發(fā)超強(qiáng)防干擾USB電纜設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)討論，該電纜要求在1000伏的外界干擾電壓下能正常通信，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，我們應(yīng)用了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法,供大家參考交流.

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(Designof Experiments) 是一系列試驗(yàn)及分析方法集,通過(guò)有目的地改變一個(gè)系統(tǒng)的輸入來(lái)觀察輸出的改變情況。圖1示出一個(gè)系統(tǒng)示意圖。圖1 中的系統(tǒng)既可以看作是一個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，也可以看作是一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。對(duì)于一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程, 一般它是由一些機(jī)器、操作方法和操作人員所組成的,把一種輸入原材料轉(zhuǎn)變(加工)成某種輸出產(chǎn)品。這種輸出產(chǎn)品具有一些可以觀察的質(zhì)量特性,也可叫響應(yīng)(例如,產(chǎn)量、強(qiáng)度、硬度等)。一些過(guò)程參數(shù)（X1,X2,?,Xp）是可控的,例如直徑、絞距等; 而另一些（Z1,Z2,?,Zq）是不可控的, 它們有時(shí)被稱為噪聲參數(shù),例如環(huán)境溫度、濕度等.



圖1一個(gè)系統(tǒng)示意圖：Input輸入; Output輸出;Controllable input factors可控的輸入?yún)?shù)X1,X2,?,Xp; Uncontrollable input factors不可控的輸入?yún)?shù)Z1,Z2,?,Zq

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的

?確定哪些參數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響最大;

?確定應(yīng)把有影響的參數(shù)設(shè)定在什么水平，以使響應(yīng)達(dá)到或盡可能靠近希望值(On target)；

?確定應(yīng)把有影響的參數(shù)設(shè)定在什么水平，以使響應(yīng)的分散度(或方差)盡可能減??；

?確定應(yīng)把有影響的參數(shù)設(shè)定在什么水平，以使不可控參數(shù)（噪聲參數(shù)）對(duì)響應(yīng)的影響盡可能減小。

因此, 在制造過(guò)程的開(kāi)發(fā)以及解決過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題中都可以應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),以改善過(guò)程的性能,或者使過(guò)程對(duì)于外部波動(dòng)源(干涉)不那么敏感，即得到一個(gè)“穩(wěn)健”(Robust)的過(guò)程，同時(shí)還可節(jié)省時(shí)間和降低成本。所以,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)于開(kāi)發(fā)和改善制造過(guò)程,提高產(chǎn)品質(zhì)量是一個(gè)非常重要的工程工具。除此之處,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還可以在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)或現(xiàn)有產(chǎn)品改進(jìn)中起到很大作用:

?評(píng)價(jià)和比較不同設(shè)計(jì)方案;

?評(píng)價(jià)代用材料;

?確定影響性能的關(guān)鍵產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)(KPC)。在這些領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以改善產(chǎn)品的制造工藝性、增強(qiáng)服役性能和可靠性、降低產(chǎn)品成本和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期.

設(shè)計(jì)思路分享

根據(jù)市場(chǎng)的要求，此款線材對(duì)抗干擾的要求很高，于是經(jīng)過(guò)分析討論之后認(rèn)為除了達(dá)到USB2.0規(guī)范要求的各項(xiàng)參數(shù)要求之外就是要提高該線材的屏蔽效率（SE）和轉(zhuǎn)移阻抗（TI）,轉(zhuǎn)移阻抗是用來(lái)表示屏蔽層效率或者屏蔽層保護(hù)效果的參數(shù)，轉(zhuǎn)移阻抗用單位長(zhǎng)度量表示，即毫歐姆/米（m ohm/m）,對(duì)于每一長(zhǎng)度的屏蔽電纜而言，假如在其屏蔽層的某個(gè)表面有一電流存在，那么在此屏蔽層的另一表面會(huì)由此電流而感生一電勢(shì)差，上述電勢(shì)差與電流之比即為“轉(zhuǎn)移阻抗”。屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗決定了其屏蔽層的效率，它包含兩個(gè)方面的含義：防止外界的電磁干擾進(jìn)入電纜內(nèi)部的能力以及阻止電纜內(nèi)部信號(hào)向外部輻射的能力。轉(zhuǎn)移阻抗的數(shù)值越小，其屏蔽層的效果越好！一般量測(cè)的分析如下：

■Radiation loss數(shù)據(jù)說(shuō)明

電磁場(chǎng)散逸在空氣中或介質(zhì)而損失能量。也就是EMI中的輻射干擾(另一種是經(jīng)由電流影響其他裝置的傳導(dǎo)干擾)，這能量若藕合到其它裝置就造成干擾。若輻射損耗要小，則shielding要做好.在低頻時(shí)，介質(zhì)的導(dǎo)電率低，故其流經(jīng)的電流很小，然而，在高頻時(shí)，介質(zhì)內(nèi)會(huì)被導(dǎo)入電流而有損耗.主要的處理方式就是增加鋁箔屏蔽層+編織或者纏繞銅導(dǎo)體來(lái)改善此系數(shù).由于在高頻時(shí)，電流愈靠近導(dǎo)體周圍流動(dòng)，稱集膚效應(yīng)（skin effect），此乃導(dǎo)因在更高頻時(shí)，導(dǎo)體中心的inductive reactance增大，強(qiáng)迫電流流向周圍。所以，真正可用的導(dǎo)體面積縮小，導(dǎo)致電阻值增加，損耗增加，增加編織導(dǎo)體或者屏蔽導(dǎo)體就是影響電流變化的方式之一.

■分享過(guò)程的公式及各種屏蔽組合參數(shù)的影響度

Impedance(阻抗) = Resistance(電阻) + Reactance(電抗)

Reactance有兩種： Inductive reactance (XL = L) 感抗

Capacitive reactance (Xc = 1/ C) 容抗

低頻時(shí)：reactance很小，主要是看resistance。因此在直流及低頻時(shí)，所量測(cè)(譬如用三用電表)到的是電阻.

高頻時(shí)：resistance很小，主要是reactance(電容及電感的效應(yīng))。故在高頻時(shí)，reactance就是指阻抗.

■電纜連接線的屏蔽效果比較：

圖35所示的是電纜連接線的屏蔽效果比較。測(cè)試時(shí)源端阻抗為100Ω，負(fù)載端阻抗為1MΩ。測(cè)試用干擾信號(hào)為100kHz的磁場(chǎng)信號(hào)。

連接（A）：傳輸線為單芯屏蔽線，屏蔽層不與源端和負(fù)載端連接，源端和負(fù)載端均接本地地。以這種連接方式作為參照基準(zhǔn)，其相對(duì)屏蔽效能為0dB。

連接（B）：傳輸線為單芯屏蔽線，屏蔽層不與源端連接，但和負(fù)載端地連接，源端和負(fù)載端均接本地地。其相對(duì)屏蔽效能為0dB。

連接（C）：傳輸線為單芯屏蔽線，屏蔽層與源端和負(fù)載端地連接，源端和負(fù)載端均接本地地。其相對(duì)屏蔽效能為27dB。

連接（D）：傳輸線為雙絞線，其一線在源端和負(fù)載端均接地，源端和負(fù)載端均接本地地。雙絞線在本身具有磁屏蔽作用，但由于地環(huán)路存在使總的磁屏蔽效能下降，其相對(duì)屏蔽效能只有13dB。

連接（E）：傳輸線為屏蔽雙絞線，屏蔽層在負(fù)載端單端接地，源端和負(fù)載端均接本地地。雖然屏蔽層起到電場(chǎng)屏蔽作用，但并沒(méi)有增加磁屏蔽效果，所以其相對(duì)屏蔽效能仍為13dB。

連接（F）：傳輸線為屏蔽雙絞線，屏蔽層在源端和負(fù)載端均接地，源端和負(fù)載端均接本地地。由于屏蔽層的阻抗比信號(hào)線低，因此分流了很大一部分地環(huán)路噪聲電流，從而增加了磁屏蔽效能，其屏蔽效能為28dB。如果干擾頻率大于1MHz，地環(huán)路噪聲電流在屏蔽層外表面流動(dòng)，這將進(jìn)一步提高磁屏蔽作用。

由圖35 a可知，在電路兩端都接地的情況下圖（C）和圖（F）所示的磁屏蔽效能比其他方式高。由于屏蔽層兩端接地，具有磁屏蔽作用，只是在地環(huán)路的影響下磁屏蔽效能不會(huì)很大。如果頻率升高達(dá)f＞1MHz時(shí)，磁屏蔽效能將有很大增加，因?yàn)橥S電纜和屏蔽雙絞線地環(huán)路的影響很小。如果頻率降低到10kHz以下，則磁屏蔽作用大大下降。所以圖（C）和圖（F）所示只適合于高頻運(yùn)用。

圖35 a分析的是電路兩端接地的情況，其缺點(diǎn)是地環(huán)路會(huì)減小磁屏蔽效能，特別是低頻時(shí)影響更嚴(yán)重。如果電路是負(fù)載端單端接地則磁屏蔽效能可以大幅度增加，結(jié)果由圖35b給出。

連接（G）：傳輸線為單芯屏蔽線，屏蔽層與源端連接和負(fù)載端連接，負(fù)載端接本地地。這時(shí)不存在地環(huán)路，所以沒(méi)有地環(huán)路影響。外界磁場(chǎng)能穿過(guò)的環(huán)路面積只有屏蔽層與芯線之間很小的面積，因?yàn)槠帘螌涌梢钥醋魇窃谄渲行妮S上放置的一根等效導(dǎo)線，而這根等效導(dǎo)線是非常靠近芯線的。這時(shí)的相對(duì)屏蔽效能可達(dá)80dB，與圖（C）所示的電路兩端接地時(shí)比較提高了53dB。

連接（H）：傳輸線為雙絞線，連接（I）：傳輸線為屏蔽雙絞線，都是電路單點(diǎn)接地，屏蔽層也是單點(diǎn)接地。雙絞線本身具有磁屏蔽性能，在沒(méi)有地環(huán)路影響下充分發(fā)揮了它的磁屏蔽作用，雙絞線可達(dá)55dB，屏蔽雙絞線可達(dá)70dB。這里屏蔽效能比較的試驗(yàn)裝置中仍有一定的電場(chǎng)耦合，而雙絞線是沒(méi)有電場(chǎng)屏蔽性能的，只有屏蔽雙絞線才具備電場(chǎng)屏蔽性能。因此，連接（I）比連接（H）具有更高的屏蔽效能。此外比較連接（I）與連接（G），可知同軸電纜磁屏蔽效果比屏蔽雙絞線好，這是因?yàn)橥S電纜對(duì)磁場(chǎng)呈現(xiàn)的環(huán)路面積比雙絞線更小。當(dāng)然如果進(jìn)一步增加雙絞線的單位長(zhǎng)度的絞合數(shù)則雙絞線的磁屏蔽效能也會(huì)增加。

在實(shí)際應(yīng)用中低頻磁屏蔽電路常優(yōu)選連接（I）所示的屏蔽雙絞線，而不是連接（G）所示的同軸電纜。這是因?yàn)檫B接（I）所示的屏蔽層不是信號(hào)電路的一部分，僅是起到電場(chǎng)屏蔽作用，而連接（G）中同軸電纜的屏蔽層有信號(hào)回流流過(guò)。

連接（J）：傳輸線為屏蔽雙絞線，屏蔽雙絞線的屏蔽層兩端接地，這可能降低一些磁屏蔽效能。因?yàn)槠帘螌有纬闪说丨h(huán)路，噪聲電流在屏蔽層流動(dòng)時(shí)會(huì)在內(nèi)部?jī)筛€上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，如果內(nèi)部?jī)筛€對(duì)屏蔽層有不平衡處，則兩根線上的感應(yīng)電壓就不可能完全抵消，從而產(chǎn)生干擾。這種方式測(cè)得的磁屏蔽效能為63dB。

連接（K）：傳輸線為屏蔽雙絞線，屏蔽層與源端相連，并在負(fù)載端接地，其屏蔽效能比連接（I）高一些，為77dB。這種連接方式結(jié)合了連接（I）和連接（G）的特點(diǎn)。但是這種方式并不常用，因?yàn)槿f(wàn)一由于某種原因屏蔽層上感染上噪聲就可能流入信號(hào)線，因此屏蔽層與信號(hào)線還是在一點(diǎn)連接為好。

由圖35 b可知在電路單端接地時(shí)采用連接（G）和連接（I）可以得到較高的磁屏蔽效能，實(shí)際運(yùn)用中這兩種方式也最普遍.

審核編輯：劉清