倪艷榮，田 豐，馬永崔

(1.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校電氣工程系，河南新鄉(xiāng)453000;2.泰科電子(東莞)有限公司，廣東東莞523000)

USB3.0電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵工藝的改進(jìn)7*

倪艷榮1，田 豐1，馬永崔2

(1.河南機(jī)電高等專科學(xué)校電氣工程系，河南新鄉(xiāng)453000;2.泰科電子(東莞)有限公司，廣東東莞523000)

從不同規(guī)格和結(jié)構(gòu)中選取適合的導(dǎo)體材料、絕緣體、屏蔽層、護(hù)層材料及合適的厚度，選擇合適的絞合方式、節(jié)距以及成纜方式，由此確定新型USB3.0電纜的結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的電纜通過了嚴(yán)格的測(cè)試，在保證數(shù)據(jù)按USB3.0規(guī)范正常傳送的前提下，電纜線使用長度得到了延展，并提高了電纜的柔軟性。

USB3.0電纜;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);工藝控制;改進(jìn);柔軟性

1 前言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，多媒體視頻中人們不斷追求更快、高清晰、傳輸量更大的技術(shù)，從而出現(xiàn)了目前先進(jìn)的USB3.0技術(shù)。USB3.0也被認(rèn)為是SuperSpeed USB，為那些與PC或音頻/高頻設(shè)備相連接的各種設(shè)備提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。USB 3.0具有后向兼容標(biāo)準(zhǔn)，并兼具傳統(tǒng)USB技術(shù)的易用性和即插即用功能，同時(shí)，還提供了下面的幾項(xiàng)增強(qiáng)功能:

(1)極大提高了帶寬，高達(dá) 5Gbps全雙工(USB2.0則為480Mbps半雙工);

(2)實(shí)現(xiàn)了更好的電源管理;

(3)能夠使主機(jī)為器件提供更多的功率，從而實(shí)現(xiàn)USB的充電電池、LED照明和迷你風(fēng)扇等應(yīng)用;

(4)能夠使主機(jī)更快地識(shí)別器件;

(5)新的協(xié)議使得數(shù)據(jù)處理的效率更高。

USB的同類產(chǎn)品中，IEEE 1394B的最高傳輸速率為僅為800Mbps，而最快的eSATA可以提供3Gbps，但其需要供電，十分不方便，實(shí)際應(yīng)用者寥寥無幾，未來前景也不被看好。而USB3.0能夠?yàn)橥庵脭?shù)據(jù)傳輸技術(shù)帶來突飛猛進(jìn)的變革，其前景將一片光明，與之相配套的USB3.0電纜的需求也是與日俱增。

由于USB 3.0市場(chǎng)需求量十分可觀，所以在2008年底標(biāo)準(zhǔn)剛推出，眾多電線電纜生產(chǎn)廠家紛紛開始著手研究開發(fā)USB3.0電纜，可直到現(xiàn)在，還有很多廠家沒有真正開發(fā)成功。目前很多電纜廠家的生產(chǎn)USB3.0的工藝技術(shù)仍是沿用USB2.0電纜的工藝，雖然能夠生產(chǎn)出USB3.0電纜，但是其外徑較粗，柔軟性較以往的USB電纜差，特別其在高頻大容量傳輸時(shí)，其信號(hào)質(zhì)量很不理想，傳輸距離也很短，許多廠家無法做到理想長度的USB 3.0裸線，這就嚴(yán)重影響了USB3.0的快速廣泛推廣。因此有必要從目前USB3.0電纜存在的問題出發(fā)，以該電纜面臨的主要電氣性能問題為突破口，從原材料、設(shè)計(jì)及工藝等方面著手研究解決許多電線電纜廠家面臨的問題。

2 USB3.0電纜結(jié)構(gòu)確定及原材料選擇

USB 3.0規(guī)范中，沒有明確指定USB線纜有多長，但是電纜材質(zhì)和信號(hào)質(zhì)量還是影響了傳輸?shù)男Ч?。USB3.0裸線中支持高速傳輸部分的是STP信號(hào)對(duì)，其導(dǎo)體材料、規(guī)格和結(jié)構(gòu)形式的選取，絕緣材料、厚度的確定，絞合方式、節(jié)距的選擇，屏蔽材料、形式的選取，對(duì)裸線差分插入損耗和差分對(duì)內(nèi)時(shí)間偏差即對(duì)內(nèi)延時(shí)差等電氣性能影響至關(guān)重要，同時(shí)，這與裸線其他各部分的材料選取及成纜一起決定了其成纜后裸線的柔軟性。

2.1 導(dǎo)體材料、規(guī)格和結(jié)構(gòu)形式的選取

USB 3.0電纜由兩對(duì)屏蔽線對(duì)、一對(duì)非屏蔽線對(duì)和兩根電源線組成(見圖1 a))，其中兩對(duì)屏蔽線對(duì)用于數(shù)據(jù)傳輸，一對(duì)非屏蔽線對(duì)用于與USB 2.0兼容。與高速USB 2.0電纜(見圖1 b)相比，多了兩對(duì)用于數(shù)據(jù)收、發(fā)的屏蔽線對(duì)。USB 3.0電纜的導(dǎo)體應(yīng)為絞合導(dǎo)體，推薦導(dǎo)體尺寸如表1所示，電纜的直徑應(yīng)控制在3～6 mm。

表1 推薦的導(dǎo)體尺寸

USB 3.0電纜的傳輸距離取決于信號(hào)的衰減、相時(shí)延和電源線的電壓降。為了最大限度地減少電纜尺寸和降低電纜制造成本，可根據(jù)表1中給出的導(dǎo)體的推薦尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)按照電纜的實(shí)際使用長度來確定信號(hào)線對(duì)與電源線導(dǎo)體尺寸的組合。

與USB 2.0電纜相比，USB 3.0電纜多了兩對(duì)線，為了保持電纜較高的柔軟性，最大限度地降低信號(hào)線對(duì)的衰減和電源線的絕緣厚度，導(dǎo)體采用“1+6”結(jié)構(gòu)的絞合導(dǎo)體?？紤]到高頻下電流集膚效應(yīng)的影響，電源線導(dǎo)體材料選用鍍錫銅線，為了保證電纜組件制作方便，信號(hào)線選用鍍錫銅線。本設(shè)計(jì)中導(dǎo)體的材料、結(jié)構(gòu)選擇如下。

圖1 USB3.0及USB2.0電纜剖面圖

表2 USB3.0電纜導(dǎo)體的材料、結(jié)構(gòu)選擇

2.2 絕緣材料、結(jié)構(gòu)及厚度的確定

USB 3.0傳輸協(xié)議中對(duì)電纜屏蔽信號(hào)線對(duì)的傳輸時(shí)延和衰減要求比較嚴(yán)格，為了使電磁能(在絕緣中)的損耗盡量小，要求絕緣材料的體積絕緣電阻系數(shù)(ρv)高，相對(duì)介電常數(shù)(εr)小，介質(zhì)損耗角正切值(tgδ)小以及耐電強(qiáng)度高。從電氣性能考慮，空氣是最理想的介質(zhì)(空氣的ρv≈∞、εr=1、tgδ≈0)，但在實(shí)際上電纜的絕緣是不可能完全用空氣絕緣的，因此選用絕緣材料時(shí)，希望有近似于空氣的特性，并且力求使絕緣中空氣所占的體積盡可能大一些，且絕緣結(jié)構(gòu)盡可能穩(wěn)定，兼顧這兩方面要求，實(shí)踐證明，泡沫/實(shí)心皮聚乙烯是比較理想的選擇。

非屏蔽線對(duì)主要用于與USB 2.0兼容，通常情況下可選用實(shí)心聚乙烯絕緣。當(dāng)需要進(jìn)一步縮小電纜尺寸時(shí)，可以選用與屏蔽線對(duì)相同的絕緣結(jié)構(gòu)。

信號(hào)線對(duì)(屏蔽線對(duì)和非屏蔽線對(duì))的絕緣外徑可通過阻抗計(jì)算公式(1)和(2)進(jìn)行估算。雖然該計(jì)算方法計(jì)算量較大，但可一次性計(jì)算出準(zhǔn)確的絕緣外徑。由于公式中沒有考慮屏蔽連通線和線對(duì)屏蔽層不圓整對(duì)屏蔽線對(duì)的影響，以及總屏蔽及屏蔽線對(duì)對(duì)非屏蔽線對(duì)的影響，故按這兩個(gè)公式計(jì)算存在一定的誤差，需要在試制過程中進(jìn)行調(diào)整。

式中，Z屏蔽——屏蔽線對(duì)阻抗;

Z非屏蔽——非屏蔽線對(duì)的阻抗;

εr——絕緣等效相對(duì)介電常數(shù);

a——線對(duì)導(dǎo)體中心距，此處為絕緣外徑;

d——絞合導(dǎo)體直徑;

k——絞合導(dǎo)體有效直徑系數(shù)，7根絞合導(dǎo)體取為0.939，19根絞合導(dǎo)體取為0.970;

Ds——線對(duì)屏蔽內(nèi)徑。

電源線的實(shí)際工作電壓為5 V，對(duì)絕緣的耐壓要求低，為了保證電線的柔軟性，通常選用半硬質(zhì)聚氯乙烯(SR－PVC)。本設(shè)計(jì)中絕緣材料及厚度確定如下。

屏蔽線對(duì)絕緣采用陶氏HDFM－PE3485發(fā)泡料，泡厚度為0.24mm，實(shí)心皮層厚度為0.05mm，實(shí)心皮層膠料采用陶氏HDPE 3364。標(biāo)稱絕緣外徑為0.95mm，芯線發(fā)泡度為35%，水中電容值為100±1pF/m。

非屏蔽線對(duì)絕緣采用陶氏HDPE 3364，絕緣厚度為0.17mm，絕緣外徑為0.72mm。

電源線絕緣采用 SR－PVC，緣厚度為0.17mm，絕緣外徑0.72mm。

2.3 線組絞合方式及絞合節(jié)距的選擇

絕緣線芯絞合成線組的目的在于當(dāng)電纜彎曲的情況下，減小線芯的相對(duì)位移，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、圓整，傳輸參數(shù)穩(wěn)定;減少組間回路之間的電磁耦合，提高回路之間的防干擾能力。另外各組都有不同的標(biāo)志，以便安裝敷設(shè)時(shí)區(qū)別。

為保證線對(duì)阻抗的均勻性和穩(wěn)定性，線對(duì)的絞合節(jié)距宜控制在線對(duì)直徑的12倍以內(nèi);另一方面，為了提高線對(duì)間的串音衰減，各線對(duì)的節(jié)距應(yīng)不相同且需要精心設(shè)計(jì)。

信號(hào)對(duì)的絞合節(jié)距選擇為22.44±2.5mm，采用S絞向;屏蔽信號(hào)對(duì)的屏蔽層鋁箔Z向繞包，鋁箔采用W=8－10mm/＆=0.025mm(鋁面向內(nèi))。繞包時(shí)，重疊率≧25%;熱熔麥拉采用S向繞包，W =8－10mm/＆=0.025mm重疊率≥25%;非信號(hào)對(duì)絞合節(jié)距采用15.14±2.5mm，S絞向。

2.4 各屏蔽層材料、厚度及形式的選取

為了進(jìn)一步減少回路間的干擾，加強(qiáng)其屏蔽性能，在加強(qiáng)組外面再繞包一層金屬化紙或金屬帶(通常是鋁箔覆蓋紙和鋁帶)。

信號(hào)對(duì)屏蔽層采用鋁箔拖包，W=12－14mm/＆=0.025mm(鋁面向內(nèi))，重疊率≥25%;

成纜屏蔽層采用鋁箔繞包，W=18－20mm/＆=0.025mm(鋁面向外)，重疊率≥25%。

2.5 護(hù)層材料、厚度的確定

電纜護(hù)層是電纜的重要組成部分之一，通常約占電纜成本的一半。護(hù)層質(zhì)量的好壞。選用是否適當(dāng)，直接影響電纜的使用壽命。因此正確設(shè)計(jì)、精心制造、合理選用電纜護(hù)層，具有重要的意義。本設(shè)計(jì)中，成纜后線徑減小到4.5mm，成纜節(jié)距采用80－100mm，外被材料選用PVC(80A)，押出方式采用半擠管式，外被厚度達(dá)到0.56mm，成品線徑控制到5.0mm±0.2mm。

3 USB3.0電纜關(guān)鍵工藝控制及改進(jìn)

3.1 導(dǎo)線絞合工藝

絞合節(jié)徑比控制在20以內(nèi)，采用管絞機(jī)來生產(chǎn)絞合導(dǎo)體，嚴(yán)格控制導(dǎo)體絞合時(shí)每根單絲的張力。本設(shè)計(jì)中，銅線單根線徑公差控制在±0.003mm之內(nèi)，導(dǎo)體鍍層采用電鍍，厚度要均勻控制在3－5μm之內(nèi)，絞合需要圓整，絞距在6－8mm之內(nèi)。

3.2 絕緣押出

絕緣生產(chǎn)采用在線SPC控制線徑、電容、同心度CPK。提高絕緣的均勻性，嚴(yán)格控制絕緣的同心度，押出內(nèi)模0.45mm，外模0.90mm;絕緣外徑的波動(dòng)控制在±0.01 mm以內(nèi)，嚴(yán)格控制絕緣偏心，通常情況下同心度應(yīng)控制在95%以上;采用泡孔更均勻、致密的物理發(fā)泡絕緣，提高發(fā)泡度，減小高頻下的介質(zhì)損耗角正切值，從而減小電纜中的傳輸損耗;嚴(yán)格控制單線同軸電容的均勻性，水中電容控制在±1pF/m之內(nèi);嚴(yán)格控制絕緣附著力。導(dǎo)體與絕緣間的附著力過小，會(huì)造成后工序加工時(shí)導(dǎo)體與絕緣間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，影響阻抗和波動(dòng)性。絕緣與導(dǎo)體之間的附著力控制在1N以上。

3.3 對(duì)絞工藝

結(jié)構(gòu)采用先對(duì)絞再繞包雙層包帶進(jìn)行加熱，對(duì)絞后采用水平雙層包紙，一次性完成，減少了生產(chǎn)工序，減小了電纜中的橫向轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)移損耗和線對(duì)內(nèi)延遲差，充分保證量產(chǎn)高頻性能的合格率。該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有效地保證成品柔軟性，可以達(dá)到彎曲半徑為OD的4倍;同時(shí)此結(jié)構(gòu)有利于成品組裝，提高生產(chǎn)效率降低成本。

對(duì)絞工序中采用主動(dòng)放線，嚴(yán)格控制絞對(duì)時(shí)兩根單線放線張力的對(duì)稱性和均勻性，采用退扭式絞對(duì)機(jī)來生產(chǎn)，放線張力控制在700±50CN之內(nèi)，對(duì)絞絞距公差控制在±2.5mm之內(nèi)，對(duì)絞眼模為2.10mm。

3.4 繞包工藝

STP信號(hào)對(duì)采用雙層包帶機(jī)，鋁箔屏蔽采用Z向繞包，熱融麥拉采用S向繞包，兩包帶一次繞包完成，然后經(jīng)過在線加熱機(jī)，將熱融麥拉粘住固定結(jié)構(gòu)，以防止后工序?qū)ζ湫阅芷茐?同時(shí)要保證包帶從滿軸到空軸繞包張力不變，繞包絞距不變，以保證特性阻抗和插入損耗及對(duì)內(nèi)延時(shí)差等電氣性能的穩(wěn)定。

3.5 集合工藝

為盡可能保證電纜結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和均勻性，選用退扭式成纜機(jī)成纜。嚴(yán)格控制成纜時(shí)各線對(duì)和電源線的放線張力，動(dòng)力放線張力在1.0kg左右;采用合適的填充材料對(duì)纜芯的間隙進(jìn)行填充，填充張力要穩(wěn)定以防止跳股，影響UTP信號(hào)對(duì)的電氣性能;選擇合適的成纜節(jié)距，成纜時(shí)的絞合節(jié)徑比通常應(yīng)控制在20－25，成纜線經(jīng)為4.5mm，成纜節(jié)距80－100mm。

3.6 編織工藝

編織收線排列準(zhǔn)確，防止編織線擠壓。

3.7 外被工藝

采用半擠管壓出，主動(dòng)放線及線材盡量減少過導(dǎo)輪，同時(shí)經(jīng)過的導(dǎo)輪需要評(píng)估直徑，不能太小。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

首先對(duì)未進(jìn)行改進(jìn)的USB3.0電纜線進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3和圖2所示。

圖2 改進(jìn)工藝前的USB3.0實(shí)測(cè)高頻數(shù)據(jù)衰減圖

由以上測(cè)試所得數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:采用一般工藝的USB3.0電纜線在時(shí)間延遲偏差上表現(xiàn)極差;當(dāng)傳輸信號(hào)頻率在0－4.5GHz時(shí)，電纜線基本達(dá)到信號(hào)傳輸要求，但當(dāng)傳輸信號(hào)頻率上升到7.5GHz時(shí)，電纜線內(nèi)信號(hào)衰減達(dá)到61.692dB，并不符合信號(hào)傳輸要求。

表3 工藝改進(jìn)前和工藝改進(jìn)后的USB3.0電纜線測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

3)Differential to Common Mode Conversion(SCD21)

使用新工藝后，測(cè)試結(jié)果如表3和圖3所示:

圖3 改進(jìn)工藝后的USB3.0實(shí)測(cè)高頻數(shù)據(jù)衰減圖

工藝改進(jìn)后，電纜測(cè)試結(jié)果理想。

5 結(jié)語

從目前USB3.0電纜存在的問題出發(fā)，以該電纜主要是面臨的插入損耗和對(duì)內(nèi)延時(shí)差等電氣性能問題為突破口，設(shè)計(jì)及生產(chǎn)出的USB3.0電纜成品外徑減小，USB3.0電纜柔軟性提高，傳輸高頻時(shí)信號(hào)質(zhì)量提高，傳輸距離增長，插入損耗和對(duì)內(nèi)時(shí)延差減小，為許多電線電纜廠家面臨的問題提出了一種解決方案。

(責(zé)任編輯 呂春紅)

［1］Hewlett－Packard Company，Intel Corporation，Microsoft Corporation，et al.Universal Serial Bus 3.0 Specification，Revision 1.0，2008.

［2］Universal Serial Bus 3.0 Specification，Revision 1.0［S］.

［3］Universal Serial Bus Specification，Revision 2.0［S］.

［4］倪艷榮，田豐.通信電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［5］黃輝.USB3.0技術(shù)發(fā)展和展望［J］.大眾硬件，2008 (10).

［6］肖飚，朱國祥.USB3.0電纜得研發(fā)［C］//段福亮，陳喆.中國通信學(xué)會(huì)2010年光纜學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

Im provement of Structural Designation and Key Processing Technology for USB3.0 Cable

NIYan-rong，et al

(Department of Electrical Engineering，Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China)

Materials and suitable thickness for conductor，insulation，screen and sheath were selected，meanwhile theway and pitch of conductor stranding and assembly of the coreswere also choosed according to different sizes and structures.Then the structure of new USB3.0 cable was determined.The improved cable was tested and the result showed that the related datawere able to be transmitted normally according to USB3.0 specification，the effective length of the signal transmission was extended and the flexibility of cable was also improved.

USB3.0 cable;structure design;process control;improvement;flexibility

TM248

A

1008-2093(2015)02-0001-04

2015-01-02

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(12A470002)

倪艷榮(1981－)，女，河南濮陽人，講師，碩士，主要從事電線電纜制造技術(shù)研究。