浅析超强防干扰USB电缆设计过程

最近发现市场的线缆需求，工业类和消费类的区间越来越小，消费类的线材也需要按照工业类的产品需求设计，便于统一规格，今天我们分享一个在开发超强防干扰USB电缆设计过程来讨论，该电缆要求在1000伏的外界干扰电压下能正常通信，在设计开发的过程中，我们应用了实验设计的方法，供大家参考交流。

实验设计

实验设计(Designof Experiments) 是一系列试验及分析方法集，通过有目的地改变一个系统的输入来观察输出的改变情况。图1示出一个系统示意图。图1中的系统既可以看作是一个产品开发过程，也可以看作是一个生产过程。对于一个生产过程, 一般它是由一些机器、操作方法和操作人员所组成的，把一种输入原材料转变(加工)成某种输出产品。这种输出产品具有一些可以观察的质量特性，也可叫响应(例如,产量、强度、硬度等)。一些过程参数（X1,X2,⋯,Xp）是可控的，例如直径、绞距等; 而另一些（Z1,Z2,⋯,Zq）是不可控的, 它们有时被称为噪声参数,例如环境温度、湿度等。

图1一个系统示意图：Input 输入; Output 输出；Controllable input factors 可控的输入参数 X1,X2,⋯,Xp; Uncontrollable input factors 不可控的输入参数 Z1,Z2,⋯,Zq

实验设计的目的

• 确定哪些参数对响应的影响最大;

• 确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使响应达到或尽可能靠近希望值(On target)；

• 确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使响应的分散度(或方差)尽可能减小；

• 确定应把有影响的参数设定在什么水平，以使不可控参数（噪声参数）对响应的影响尽可能减小。

因此, 在制造过程的开发以及解决过程中出现的问题中都可以应用实验设计，以改善过程的性能或者使过程对于外部波动源(干涉)不那么敏感，即得到一个“稳健”(Robust)的过程，同时还可节省时间和降低成本。所以,实验设计对于开发和改善制造过程，提高产品质量是一个非常重要的工程工具。除此之处,实验设计还可以在新产品开发或现有产品改进中起到很大作用:

• 评价和比较不同设计方案;

• 评价代用材料;

• 确定影响性能的关键产品设计参数(KPC)。在这些领域应用实验设计可以改善产品的制造工艺性、增强服役性能和可靠性、降低产品成本和缩短产品开发周期。

设计思路分享

根据市场的要求，此款线材对抗干扰的要求很高，于是经过分析讨论之后认为除了达到USB2.0规范要求的各项参数要求之外就是要提高该线材的屏蔽效率（SE）和转移阻抗（TI）,转移阻抗是用来表示屏蔽层效率或者屏蔽层保护效果的参数，转移阻抗用单位长度量表示，即毫欧姆/米（m ohm/m）,对于每一长度的屏蔽电缆而言，假如在其屏蔽层的某个表面有一电流存在，那么在此屏蔽层的另一表面会由此电流而感生一电势差，上述电势差与电流之比即为“转移阻抗”。屏蔽电缆的转移阻抗决定了其屏蔽层的效率，它包含两个方面的含义：防止外界的电磁干扰进入电缆内部的能力以及阻止电缆内部信号向外部辐射的能力。转移阻抗的数值越小，其屏蔽层的效果越好！一般量测的分析如下：

■Radiation loss数据说明

电磁场散逸在空气中或介质而损失能量。也就是EMI中的辐射干扰(另一种是经由电流影响其他装置的传导干扰)，这能量若藕合到其它装置就造成干扰。若辐射损耗要小，则shielding要做好。在低频时，介质的导电率低，故其流经的电流很小，然而，在高频时，介质内会被导入电流而有损耗。主要的处理方式就是增加铝箔屏蔽层+编织或者缠绕铜导体来改善此系数。由于在高频时，电流愈靠近导体周围流动，称集肤效应（skin effect），此乃导因在更高频时，导体中心的inductive reactance增大，强迫电流流向周围。所以，真正可用的导体面积缩小，导致电阻值增加，损耗增加，增加编织导体或者屏蔽导体就是影响电流变化的方式之一。

■分享过程的公式及各种屏蔽组合参数的影响度

Impedance(阻抗) = Resistance(电阻) + Reactance(电抗)

Reactance有两种：  Inductive reactance (XL =  L) 感抗

Capacitive reactance (Xc = 1/ C) 容抗

低频时：reactance很小，主要是看resistance。因此在直流及低频时，所量测(譬如用三用电表)到的是电阻。

高频时：resistance很小，主要是reactance(电容及电感的效应)。故在高频时，reactance就是指阻抗。

■电缆连接线的屏蔽效果比较：

图35所示的是电缆连接线的屏蔽效果比较。测试时源端阻抗为100Ω，负载端阻抗为1MΩ。测试用干扰信号为100kHz的磁场信号。

连接（A）：传输线为单芯屏蔽线，屏蔽层不与源端和负载端连接，源端和负载端均接本地地。以这种连接方式作为参照基准，其相对屏蔽效能为0dB。

连接（B）：传输线为单芯屏蔽线，屏蔽层不与源端连接，但和负载端地连接，源端和负载端均接本地地。其相对屏蔽效能为0dB。

连接（C）：传输线为单芯屏蔽线，屏蔽层与源端和负载端地连接，源端和负载端均接本地地。其相对屏蔽效能为27dB。

连接（D）：传输线为双绞线，其一线在源端和负载端均接地，源端和负载端均接本地地。双绞线在本身具有磁屏蔽作用，但由于地环路存在使总的磁屏蔽效能下降，其相对屏蔽效能只有13dB。

连接（E）：传输线为屏蔽双绞线，屏蔽层在负载端单端接地，源端和负载端均接本地地。虽然屏蔽层起到电场屏蔽作用，但并没有增加磁屏蔽效果，所以其相对屏蔽效能仍为13dB。

连接（F）：传输线为屏蔽双绞线，屏蔽层在源端和负载端均接地，源端和负载端均接本地地。由于屏蔽层的阻抗比信号线低，因此分流了很大一部分地环路噪声电流，从而增加了磁屏蔽效能，其屏蔽效能为28dB。如果干扰频率大于1MHz，地环路噪声电流在屏蔽层外表面流动，这将进一步提高磁屏蔽作用。

由图35a可知，在电路两端都接地的情况下图（C）和图（F）所示的磁屏蔽效能比其他方式高。由于屏蔽层两端接地，具有磁屏蔽作用，只是在地环路的影响下磁屏蔽效能不会很大。如果频率升高达f＞1MHz时，磁屏蔽效能将有很大增加，因为同轴电缆和屏蔽双绞线地环路的影响很小。如果频率降低到10kHz以下，则磁屏蔽作用大大下降。所以图（C）和图（F）所示只适合于高频运用。

图35a分析的是电路两端接地的情况，其缺点是地环路会减小磁屏蔽效能，特别是低频时影响更严重。如果电路是负载端单端接地则磁屏蔽效能可以大幅度增加，结果由图35b给出。

连接（G）：传输线为单芯屏蔽线，屏蔽层与源端连接和负载端连接，负载端接本地地。这时不存在地环路，所以没有地环路影响。外界磁场能穿过的环路面积只有屏蔽层与芯线之间很小的面积，因为屏蔽层可以看作是在其中心轴上放置的一根等效导线，而这根等效导线是非常靠近芯线的。这时的相对屏蔽效能可达80dB，与图（C）所示的电路两端接地时比较提高了53dB。

连接（H）：传输线为双绞线，连接（I）：传输线为屏蔽双绞线，都是电路单点接地，屏蔽层也是单点接地。双绞线本身具有磁屏蔽性能，在没有地环路影响下充分发挥了它的磁屏蔽作用，双绞线可达55dB，屏蔽双绞线可达70dB。这里屏蔽效能比较的试验装置中仍有一定的电场耦合，而双绞线是没有电场屏蔽性能的，只有屏蔽双绞线才具备电场屏蔽性能。因此，连接（I）比连接（H）具有更高的屏蔽效能。此外比较连接（I）与连接（G），可知同轴电缆磁屏蔽效果比屏蔽双绞线好，这是因为同轴电缆对磁场呈现的环路面积比双绞线更小。当然如果进一步增加双绞线的单位长度的绞合数则双绞线的磁屏蔽效能也会增加。

在实际应用中低频磁屏蔽电路常优选连接（I）所示的屏蔽双绞线，而不是连接（G）所示的同轴电缆。这是因为连接（I）所示的屏蔽层不是信号电路的一部分，仅是起到电场屏蔽作用，而连接（G）中同轴电缆的屏蔽层有信号回流流过。

连接（J）：传输线为屏蔽双绞线，屏蔽双绞线的屏蔽层两端接地，这可能降低一些磁屏蔽效能。因为屏蔽层形成了地环路，噪声电流在屏蔽层流动时会在内部两根线上产生感应电压，如果内部两根线对屏蔽层有不平衡处，则两根线上的感应电压就不可能完全抵消，从而产生干扰。这种方式测得的磁屏蔽效能为63dB。

连接（K）：传输线为屏蔽双绞线，屏蔽层与源端相连，并在负载端接地，其屏蔽效能比连接（I）高一些，为77dB。这种连接方式结合了连接（I）和连接（G）的特点。但是这种方式并不常用，因为万一由于某种原因屏蔽层上感染上噪声就可能流入信号线，因此屏蔽层与信号线还是在一点连接为好。

由图35b可知在电路单端接地时采用连接（G）和连接（I）可以得到较高的磁屏蔽效能，实际运用中这两种方式也最普遍。