通用串行總線(USB)使用的USB 3.0電纜的研發(fā)

肖 飚， 朱國(guó)祥

(1.成都普天電纜股份有限公司極細(xì)電子線制造廠，四川 成都 611731；2.佛山市南海訊聯(lián)信息有限公司，廣東 佛山 528226)

通用串行總線(USB)使用的USB 3.0電纜的研發(fā)

肖 飚1， 朱國(guó)祥2

(1.成都普天電纜股份有限公司極細(xì)電子線制造廠，四川 成都 611731；2.佛山市南海訊聯(lián)信息有限公司，廣東 佛山 528226)

回顧了通用串行總線(USB)發(fā)展的歷程，論述了隨著電腦科技和數(shù)碼技術(shù)的發(fā)展，原USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的480 Mb傳輸速率已不能滿足使用要求，于是2008年底推出了最高傳輸速率為5 Gb的USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)，因此，有必要對(duì)適應(yīng)于該標(biāo)準(zhǔn)的USB 3.0電纜進(jìn)行研究。提出了USB 3.0電纜的技術(shù)要求，論述了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用及制造技術(shù)。

USB 3.0電纜；通用串行總線(USB)；技術(shù)要求；設(shè)計(jì)；制造

0 引 言

USB的全稱是通用串行總線(Universal Serial Bus)。由于USB支持熱插拔和即插即用的優(yōu)點(diǎn)，所以USB接口已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口。目前絕大多數(shù)電子消費(fèi)產(chǎn)品，如數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、掌上游戲機(jī)等也幾乎都采用USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1994年Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC和Northern Telecom等世界著名的7家計(jì)算機(jī)公司和通訊公司成立了USB論壇，大概花了2年的時(shí)間才形成統(tǒng)一意見(jiàn)，并于1995年11月正式制定了USB 0.9規(guī)范。1996年,USB 1.0標(biāo)準(zhǔn)正式頒布。直到1998年,Windows 98發(fā)布，宣布正式對(duì)USB接口提供支持，USB才真正發(fā)展起來(lái)。業(yè)界制定了USB 1.1標(biāo)準(zhǔn)，使USB技術(shù)更加成熟可靠，其最高數(shù)據(jù)傳輸率為12 Mb(即1.5 MB/s)。2000年4月, USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)正式頒布，此版的最高傳輸速率為480 Mb(即60 MB/s)。隨著電腦科技和數(shù)碼技術(shù)的發(fā)展，如寬帶網(wǎng)絡(luò)的不斷升級(jí)，移動(dòng)存儲(chǔ)器的飛快擴(kuò)容，高清視頻、DX10的逐漸普及等等，480 Mb的傳輸速度對(duì)于現(xiàn)在的應(yīng)用環(huán)境來(lái)說(shuō)已經(jīng)不能滿足使用要求，于是Intel公司和業(yè)界領(lǐng)先的公司一起于2008年底推出了最高傳輸速率為5 Gb(即625 MB/s)的USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在使用A型的接口時(shí)向下兼容。到目前為止，一些電腦制造商已經(jīng)推出帶USB 3.0的產(chǎn)品了。市場(chǎng)研究分析公司In-Stat預(yù)測(cè)，到2012年，計(jì)算機(jī)USB 3.0的普及率將達(dá)到75%，消費(fèi)類電子產(chǎn)品USB 3.0的普及率將達(dá)到20%。

綜上所述，一方面，USB的傳輸速率從480 Mb提高到5 Gb,必將對(duì)傳輸電纜提出更高的要求，另一方面，隨著USB 3.0的普及，將會(huì)帶來(lái)巨大的商機(jī)，因此，有必要對(duì)通用串行總線(USB)使用的USB 3.0電纜進(jìn)行研究。

1 USB 3.0電纜技術(shù)要求

1.1電纜結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定，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(jiàn)圖1)，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[2](見(jiàn)圖2)相比，多了兩對(duì)用于數(shù)據(jù)收、發(fā)的屏蔽線對(duì)。文獻(xiàn)[1]還規(guī)定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

圖1 USB 3.0電纜結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 USB 2.0電纜結(jié)構(gòu)示意圖

1.2電氣性能

(1) 屏蔽線對(duì)主要電氣性能。屏蔽線對(duì)的電氣性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

(2) 非屏蔽線對(duì)技術(shù)要求。標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有對(duì)非屏蔽線對(duì)傳輸指標(biāo)做明確規(guī)定，但要求其組件滿足USB 2.0的傳輸要求。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，其組件指標(biāo)見(jiàn)表3。

(3) 電源線的電氣性能。電源線的導(dǎo)體直流電阻見(jiàn)表4。

表2 屏蔽線對(duì)的電氣性能指標(biāo)

表3 非屏蔽線對(duì)組件指標(biāo)

表4 電源線的導(dǎo)體直流電阻

1.3其他要求

標(biāo)準(zhǔn)中還對(duì)電纜的其他性能，如環(huán)保性能和電纜壽命等作出了明確規(guī)定，本文簡(jiǎn)略。

2 電纜的設(shè)計(jì)

2.1導(dǎo)體尺寸組合

表1中雖然給出了導(dǎo)體的推薦尺寸，但并沒(méi)有給出信號(hào)線對(duì)與電源線導(dǎo)體尺寸的組合。USB 3.0電纜的傳輸距離取決于衰減、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，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)電纜的實(shí)際使用長(zhǎng)度來(lái)確定導(dǎo)體尺寸的組合。通常情況下，各種規(guī)格導(dǎo)體最大傳輸距離如表5所示。

表5各種尺寸導(dǎo)體最大傳輸距離

(單位：m)

導(dǎo)體尺寸組合原則是電纜長(zhǎng)度應(yīng)小于屏蔽線對(duì)、非屏蔽線對(duì)和電源線等三者中最大傳輸距離的最小者。表6為目前常用的兩種USB 3.0電纜導(dǎo)體組合實(shí)例。

表6中，理論方案與現(xiàn)階段實(shí)用方案存在著一定的差距。在2 m長(zhǎng)電纜現(xiàn)階段實(shí)用方案中，選用28 AWG導(dǎo)體更容易滿足衰減指標(biāo)的要求，同時(shí)電纜外徑(5.5 mm)也滿足不大于6 mm的要求,降低了電纜制造難度。在3 m長(zhǎng)電纜現(xiàn)階段實(shí)用方案中，由于目前USB 3.0設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電流絕大多數(shù)小于900 mA,電源線導(dǎo)體即使采用24AWG也能滿足實(shí)際使用。隨著USB 3.0的普及和推廣，人們對(duì)電纜外徑、柔軟性和設(shè)備驅(qū)動(dòng)電流的不斷提高，導(dǎo)體組合方案必將采用理論方案。

表6 USB 3.0電纜導(dǎo)體尺寸組合實(shí)例

2.2導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

由于USB 3.0電纜比USB 2.0電纜多了兩對(duì)線，為了使電纜仍然保持較高的柔軟性，電纜中的導(dǎo)體應(yīng)采用絞合導(dǎo)體。與此同時(shí)，為了保證絞合導(dǎo)體的圓整性，以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，絞合導(dǎo)體應(yīng)采用“1+6”結(jié)構(gòu)。在柔軟性要求特別高的場(chǎng)合，宜優(yōu)先采用“1+6+12”結(jié)構(gòu)。

2.3導(dǎo)體材料

電源線導(dǎo)體材料可選用鍍錫銅線。信號(hào)線對(duì)的導(dǎo)體材料可選用鍍銀銅線或裸銅線。由于電流集膚效應(yīng)的影響，鍍銀銅線的衰減最小，是最好的選擇。有時(shí)，為了保證電纜組件制作方便，允許選用鍍錫銅線，不過(guò)此時(shí)應(yīng)選用線規(guī)號(hào)較小的導(dǎo)體以確保電纜衰減滿足傳輸要求。

2.4絕緣

USB 3.0傳輸協(xié)議中對(duì)屏蔽信號(hào)線對(duì)的傳輸時(shí)延和衰減要求比較嚴(yán)格，因此，屏蔽線對(duì)應(yīng)選用等效相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值較小的材料和結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，泡沫/實(shí)心皮聚乙烯是比較好的選擇。制作高檔電纜時(shí)，還可選用泡沫/實(shí)心皮聚全氟乙丙烯(FEP)結(jié)構(gòu)。

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)需要盡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(guò)阻抗計(jì)算公式(1)和(2)進(jìn)行估算。由于公式中沒(méi)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(guò)程中進(jìn)行調(diào)整。

(1)

(2)

式中，Z屏蔽為屏蔽線對(duì)阻抗；Z非屏蔽為非屏蔽線對(duì)的阻抗；εr為絕緣等效相對(duì)介電常數(shù)；a為線對(duì)導(dǎo)體中心距，此處為絕緣外徑；d為絞合導(dǎo)體直徑；k為絞合導(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為線對(duì)屏蔽內(nèi)徑。

從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，若采用數(shù)值計(jì)算，可一次性計(jì)算出準(zhǔn)確的絕緣外徑，此算法的缺點(diǎn)是計(jì)算量較大。

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)。當(dāng)導(dǎo)體尺寸較大時(shí)，為了保證電纜的直徑，應(yīng)采用薄壁絕緣，此時(shí)宜采用優(yōu)質(zhì)的絕緣材料，如FEP等。

電源線的絕緣外徑的確定可以參照文獻(xiàn)[3]的規(guī)定。

2.5線對(duì)

(1) 信號(hào)線對(duì)和電源線色譜。根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定:兩對(duì)屏蔽線對(duì)的色譜應(yīng)分別為黃/藍(lán)和紫/橙；非屏蔽線對(duì)的色譜應(yīng)為白/綠；兩根電源線的顏色應(yīng)分別為黑色和紅色。

(2) 線對(duì)節(jié)距。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)。

(3) 線對(duì)屏蔽。為確保線對(duì)在高頻下具備良好的抗干擾能力，在線對(duì)外可繞包復(fù)合鋁箔。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的要求，可以計(jì)算出，復(fù)合鋁箔的鋁層厚度最好大于9 μm，并在鋁箔下平置一根屏蔽連通線，以保證屏蔽層電氣上的連續(xù)性和降低屏蔽層的電阻。與此同時(shí)，為了保證復(fù)合鋁箔繞包層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和屏蔽線對(duì)間的絕緣效果，最好在復(fù)合鋁箔外安置一層自粘型聚酯薄膜，以形成良好的護(hù)層。

2.6纜芯

為保證纜芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和電纜的圓整性，在纜芯的空隙中填充不吸濕的有機(jī)纖維。少數(shù)需要較大抗拉的特殊場(chǎng)合，可以用芳綸纖維來(lái)填充，以提高電纜的抗拉力。

2.7纜芯屏蔽

采用雙面復(fù)合鋁箔繞包，重疊率大于25%,然后再用直徑為0.08～0.10 mm左右的鍍錫銅線編織,編織密度大于85%。

2.8護(hù)套

通常情況下可用柔軟級(jí)聚氯乙烯。有必要時(shí)也可采用無(wú)鹵阻燃聚烯烴護(hù)套。需要說(shuō)明的是，文獻(xiàn)[1]推薦的護(hù)套顏色為藍(lán)色。

3 制造

USB 3.0電纜制造的關(guān)鍵是保證電纜在宏觀和微觀上結(jié)構(gòu)尺寸的精確和盡可能小的偏差，下面就制造過(guò)程中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討。

3.1信號(hào)線對(duì)導(dǎo)體的絞合

眾所周知，通信鏈路中特性阻抗的波動(dòng)對(duì)高頻信號(hào)的傳輸影響很大，在電纜的制造過(guò)程中如何保證阻抗值及其波動(dòng)符合工藝要求，就成為了一項(xiàng)至關(guān)重要的事情。通過(guò)對(duì)公式(1)和公式(2)分析可知，導(dǎo)體的波動(dòng)比絕緣外徑的波動(dòng)對(duì)阻抗影響更大。因此，應(yīng)高度重視絞合導(dǎo)體的加工質(zhì)量，努力做好以下幾方面：

(1) 構(gòu)成絞合導(dǎo)體的單絲，其外徑及伸長(zhǎng)率要均勻一致，表面光滑圓整；

(2) 絞合節(jié)徑比宜控制在20以內(nèi)，絞合節(jié)徑比過(guò)大時(shí)，絞線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差；

(3) 最好采用管絞機(jī)來(lái)生產(chǎn)絞合導(dǎo)體，沒(méi)有管絞機(jī)時(shí)也可采用束線機(jī)來(lái)生產(chǎn)，但最好采用退扭式束線機(jī)；

(4) 嚴(yán)格控制導(dǎo)體絞合時(shí)每根單絲的張力。采用束線機(jī)生產(chǎn)19根絞合導(dǎo)體時(shí)，在單絲進(jìn)絞弓前，應(yīng)分別在“1+6”和“1+6+12”外分別加放束線模具，且每層單絲張力應(yīng)有差異，但每層內(nèi)的單絲間張力應(yīng)一致，這樣生產(chǎn)出的絞合導(dǎo)體才圓整。

3.2信號(hào)線對(duì)的絕緣

絕緣是USB 3.0電纜制造的基礎(chǔ)，絕緣線芯的質(zhì)量直接影響著能否生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)要求電纜。在實(shí)際生產(chǎn)中要注意以下方面的內(nèi)容：

(1) 嚴(yán)格控制絕緣外徑的均勻性，通常情況下絕緣外徑的波動(dòng)應(yīng)控制在±0.01 mm以內(nèi)。

(2) 由于物理發(fā)泡絕緣的泡孔比化學(xué)發(fā)泡的更均勻、致密，且高頻下的介質(zhì)損耗角正切值更小些，因此生產(chǎn)屏蔽線對(duì)的絕緣時(shí)，最好采用物理發(fā)泡。

(3) 嚴(yán)格控制單線同軸電容的均勻性，通常情況下波動(dòng)應(yīng)控制在±1 pF/m以內(nèi)。

(4) 嚴(yán)格控制絕緣的不圓度，通常情況下波動(dòng)應(yīng)控制在±0.01 mm內(nèi)。影響絕緣不圓度的主要因素有：擠塑模套模孔不圓；擠塑溫度過(guò)高，在冷卻定型前塑料熔垂；絕緣芯線在過(guò)線輪上擠壓等造成的。

(5) 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。影響絕緣偏心的主要因素有：擠塑模芯與模套間同心度不夠；擠塑溫度過(guò)高，在冷卻定型前塑料熔垂；模芯孔徑過(guò)大，導(dǎo)致模芯與導(dǎo)體間的間隙太大，使導(dǎo)體在模芯內(nèi)晃動(dòng)。最好采用垂直向下擠出，且使用能微調(diào)偏心的自定心機(jī)頭，這種機(jī)頭可消除熔垂現(xiàn)象對(duì)絕緣不圓度和偏心的影響。

(6) 嚴(yán)格控制絕緣附著力。導(dǎo)體與絕緣間的附著力過(guò)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。影響附著力的主要因素有：導(dǎo)體在擠塑前的預(yù)熱溫度、導(dǎo)體的清潔程度、擠出后的冷卻速度；對(duì)于FEP絕緣而言主,因采用擠管式模具，除了上述影響附著力的因素之外，還與擠塑模具的平衡拉伸比有關(guān)。

(7) 為了減少顏色對(duì)電纜高頻傳輸性能的不良影響，屏蔽線對(duì)的絕緣芯線最好在皮層上著色，且顏色應(yīng)盡可能淺些。

3.3絞對(duì)

與常規(guī)的數(shù)據(jù)電纜相比，USB 3.0電纜增加了橫向轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)移損耗和線對(duì)內(nèi)延遲差的要求。這就要求在絞對(duì)時(shí)更要高度重視線對(duì)中兩單線的對(duì)稱性。一方面，在絞對(duì)時(shí)應(yīng)盡可能選取導(dǎo)體電阻、絕緣外徑相同的兩根絕緣線芯來(lái)絞合，另一方面，要嚴(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，且最好選擇退扭式絞對(duì)機(jī)來(lái)生產(chǎn)。

3.4線對(duì)屏蔽

線對(duì)屏蔽時(shí)宜采用比普通復(fù)合鋁箔具備更好絕緣和密閉效果的單面展翅鋁箔繞包、重疊率大于25%、鋁面向內(nèi)，在線對(duì)與鋁箔間平置一根絞合型屏蔽連通線。

3.5成纜

為盡可能保證電纜結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和均勻性，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1) 嚴(yán)格控制成纜時(shí)各線對(duì)和電源線的放線張力；

(2) 采用合適的填充材料對(duì)纜芯的間隙進(jìn)行填充；

(3) 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；

(4) 最好選用退扭式成纜機(jī)成纜。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了適應(yīng)新一代USB技術(shù)發(fā)展的需要，首先應(yīng)對(duì)電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，然后嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝方能制造出高質(zhì)量的USB 3.0電纜。

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

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

[3] UL 758-2009, Appliance Wiring Material[S].

[4] 通信設(shè)備用3 GHz及以下頻段對(duì)稱電纜技術(shù)條件[S].

[5] 肖 飚.高頻對(duì)稱電纜設(shè)計(jì)與制造技術(shù)之一——設(shè)計(jì)[J].電線電纜，2006(1)：12-16.

[6] 肖 飚.高頻對(duì)稱電纜設(shè)計(jì)與制造技術(shù)之二——制造[J].電線電纜，2006(2)：17-22.

StudyoftheCableUsedinUniversalSerialBus(USB)

XIAO Biao, et al

(Chengdu-Putian Cables Co., Ltd, Super-Fine Electronic Wire Factory, Chengdu 611731, China)

The history of development of universal serial bus (USB) was reviewed. It was demonstrated that the traditional 480 Mbps transmission rate specified by the USB 2.0 standard was no longer be able to meet the requirement of the application with the development of computer and digital technologies. Therefore, the USB 3.0 standard which specified a maximum transmission rate of 5 Gbps was published at end 2008. For this reason, it is necessary to study the USB 3.0 cable that suits the USB 3.0 standard. In this paper, the technical requirements for the USB 3.0 cable are presented and the constructional design, selection of material and manufacturing process are discussed.

USB 3.0 cable; universal serial bus (USB); technical requirement; design; manufacture

TM248.2

A

1672-6901(2011)02-0025-05

2010-07-13

肖 飚(1971-)，男，高級(jí)工程師.

作者地址：四川成都市高新西區(qū)新航路18號(hào)[611731].