USB3.0电缆结构设计及关键工艺的改进7*

倪艳荣，田 丰，马永崔

(1.河南机电高等专科学校电气工程系，河南新乡453000;2.泰科电子(东莞)有限公司，广东东莞523000)

USB3.0电缆结构设计及关键工艺的改进7*

倪艳荣1，田 丰1，马永崔2

(1.河南机电高等专科学校电气工程系，河南新乡453000;2.泰科电子(东莞)有限公司，广东东莞523000)

从不同规格和结构中选取适合的导体材料、绝缘体、屏蔽层、护层材料及合适的厚度，选择合适的绞合方式、节距以及成缆方式，由此确定新型USB3.0电缆的结构。改进后的电缆通过了严格的测试，在保证数据按USB3.0规范正常传送的前提下，电缆线使用长度得到了延展，并提高了电缆的柔软性。

USB3.0电缆;结构设计;工艺控制;改进;柔软性

1 前言

随着互联网的快速发展，科学技术的不断进步，多媒体视频中人们不断追求更快、高清晰、传输量更大的技术，从而出现了目前先进的USB3.0技术。USB3.0也被认为是SuperSpeed USB，为那些与PC或音频/高频设备相连接的各种设备提供了一个标准接口。USB 3.0具有后向兼容标准，并兼具传统USB技术的易用性和即插即用功能，同时，还提供了下面的几项增强功能:

(1)极大提高了带宽，高达 5Gbps全双工(USB2.0则为480Mbps半双工);

(2)实现了更好的电源管理;

(3)能够使主机为器件提供更多的功率，从而实现USB的充电电池、LED照明和迷你风扇等应用;

(4)能够使主机更快地识别器件;

(5)新的协议使得数据处理的效率更高。

USB的同类产品中，IEEE 1394B的最高传输速率为仅为800Mbps，而最快的eSATA可以提供3Gbps，但其需要供电，十分不方便，实际应用者寥寥无几，未来前景也不被看好。而USB3.0能够为外置数据传输技术带来突飞猛进的变革，其前景将一片光明，与之相配套的USB3.0电缆的需求也是与日俱增。

由于USB 3.0市场需求量十分可观，所以在2008年底标准刚推出，众多电线电缆生产厂家纷纷开始着手研究开发USB3.0电缆，可直到现在，还有很多厂家没有真正开发成功。目前很多电缆厂家的生产USB3.0的工艺技术仍是沿用USB2.0电缆的工艺，虽然能够生产出USB3.0电缆，但是其外径较粗，柔软性较以往的USB电缆差，特别其在高频大容量传输时，其信号质量很不理想，传输距离也很短，许多厂家无法做到理想长度的USB 3.0裸线，这就严重影响了USB3.0的快速广泛推广。因此有必要从目前USB3.0电缆存在的问题出发，以该电缆面临的主要电气性能问题为突破口，从原材料、设计及工艺等方面着手研究解决许多电线电缆厂家面临的问题。

2 USB3.0电缆结构确定及原材料选择

USB 3.0规范中，没有明确指定USB线缆有多长，但是电缆材质和信号质量还是影响了传输的效果。USB3.0裸线中支持高速传输部分的是STP信号对，其导体材料、规格和结构形式的选取，绝缘材料、厚度的确定，绞合方式、节距的选择，屏蔽材料、形式的选取，对裸线差分插入损耗和差分对内时间偏差即对内延时差等电气性能影响至关重要，同时，这与裸线其他各部分的材料选取及成缆一起决定了其成缆后裸线的柔软性。

2.1 导体材料、规格和结构形式的选取

USB 3.0电缆由两对屏蔽线对、一对非屏蔽线对和两根电源线组成(见图1 a))，其中两对屏蔽线对用于数据传输，一对非屏蔽线对用于与USB 2.0兼容。与高速USB 2.0电缆(见图1 b)相比，多了两对用于数据收、发的屏蔽线对。USB 3.0电缆的导体应为绞合导体，推荐导体尺寸如表1所示，电缆的直径应控制在3～6 mm。

表1 推荐的导体尺寸

USB 3.0电缆的传输距离取决于信号的衰减、相时延和电源线的电压降。为了最大限度地减少电缆尺寸和降低电缆制造成本，可根据表1中给出的导体的推荐尺寸，设计时按照电缆的实际使用长度来确定信号线对与电源线导体尺寸的组合。

与USB 2.0电缆相比，USB 3.0电缆多了两对线，为了保持电缆较高的柔软性，最大限度地降低信号线对的衰减和电源线的绝缘厚度，导体采用“1+6”结构的绞合导体。考虑到高频下电流集肤效应的影响，电源线导体材料选用镀锡铜线，为了保证电缆组件制作方便，信号线选用镀锡铜线。本设计中导体的材料、结构选择如下。

图1 USB3.0及USB2.0电缆剖面图

表2 USB3.0电缆导体的材料、结构选择

2.2 绝缘材料、结构及厚度的确定

USB 3.0传输协议中对电缆屏蔽信号线对的传输时延和衰减要求比较严格，为了使电磁能(在绝缘中)的损耗尽量小，要求绝缘材料的体积绝缘电阻系数(ρv)高，相对介电常数(εr)小，介质损耗角正切值(tgδ)小以及耐电强度高。从电气性能考虑，空气是最理想的介质(空气的ρv≈∞、εr=1、tgδ≈0)，但在实际上电缆的绝缘是不可能完全用空气绝缘的，因此选用绝缘材料时，希望有近似于空气的特性，并且力求使绝缘中空气所占的体积尽可能大一些，且绝缘结构尽可能稳定，兼顾这两方面要求，实践证明，泡沫/实心皮聚乙烯是比较理想的选择。

非屏蔽线对主要用于与USB 2.0兼容，通常情况下可选用实心聚乙烯绝缘。当需要进一步缩小电缆尺寸时，可以选用与屏蔽线对相同的绝缘结构。

信号线对(屏蔽线对和非屏蔽线对)的绝缘外径可通过阻抗计算公式(1)和(2)进行估算。虽然该计算方法计算量较大，但可一次性计算出准确的绝缘外径。由于公式中没有考虑屏蔽连通线和线对屏蔽层不圆整对屏蔽线对的影响，以及总屏蔽及屏蔽线对对非屏蔽线对的影响，故按这两个公式计算存在一定的误差，需要在试制过程中进行调整。

式中，Z屏蔽——屏蔽线对阻抗;

Z非屏蔽——非屏蔽线对的阻抗;

εr——绝缘等效相对介电常数;

a——线对导体中心距，此处为绝缘外径;

d——绞合导体直径;

k——绞合导体有效直径系数，7根绞合导体取为0.939，19根绞合导体取为0.970;

Ds——线对屏蔽内径。

电源线的实际工作电压为5 V，对绝缘的耐压要求低，为了保证电线的柔软性，通常选用半硬质聚氯乙烯(SR－PVC)。本设计中绝缘材料及厚度确定如下。

屏蔽线对绝缘采用陶氏HDFM－PE3485发泡料，泡厚度为0.24mm，实心皮层厚度为0.05mm，实心皮层胶料采用陶氏HDPE 3364。标称绝缘外径为0.95mm，芯线发泡度为35%，水中电容值为100±1pF/m。

非屏蔽线对绝缘采用陶氏HDPE 3364，绝缘厚度为0.17mm，绝缘外径为0.72mm。

电源线绝缘采用 SR－PVC，缘厚度为0.17mm，绝缘外径0.72mm。

2.3 线组绞合方式及绞合节距的选择

绝缘线芯绞合成线组的目的在于当电缆弯曲的情况下，减小线芯的相对位移，使结构稳定、圆整，传输参数稳定;减少组间回路之间的电磁耦合，提高回路之间的防干扰能力。另外各组都有不同的标志，以便安装敷设时区别。

为保证线对阻抗的均匀性和稳定性，线对的绞合节距宜控制在线对直径的12倍以内;另一方面，为了提高线对间的串音衰减，各线对的节距应不相同且需要精心设计。

信号对的绞合节距选择为22.44±2.5mm，采用S绞向;屏蔽信号对的屏蔽层铝箔Z向绕包，铝箔采用W=8－10mm/＆=0.025mm(铝面向内)。绕包时，重叠率≧25%;热熔麦拉采用S向绕包，W =8－10mm/＆=0.025mm重叠率≥25%;非信号对绞合节距采用15.14±2.5mm，S绞向。

2.4 各屏蔽层材料、厚度及形式的选取

为了进一步减少回路间的干扰，加强其屏蔽性能，在加强组外面再绕包一层金属化纸或金属带(通常是铝箔覆盖纸和铝带)。

信号对屏蔽层采用铝箔拖包，W=12－14mm/＆=0.025mm(铝面向内)，重叠率≥25%;

成缆屏蔽层采用铝箔绕包，W=18－20mm/＆=0.025mm(铝面向外)，重叠率≥25%。

2.5 护层材料、厚度的确定

电缆护层是电缆的重要组成部分之一，通常约占电缆成本的一半。护层质量的好坏。选用是否适当，直接影响电缆的使用寿命。因此正确设计、精心制造、合理选用电缆护层，具有重要的意义。本设计中，成缆后线径减小到4.5mm，成缆节距采用80－100mm，外被材料选用PVC(80A)，押出方式采用半挤管式，外被厚度达到0.56mm，成品线径控制到5.0mm±0.2mm。

3 USB3.0电缆关键工艺控制及改进

3.1 导线绞合工艺

绞合节径比控制在20以内，采用管绞机来生产绞合导体，严格控制导体绞合时每根单丝的张力。本设计中，铜线单根线径公差控制在±0.003mm之内，导体镀层采用电镀，厚度要均匀控制在3－5μm之内，绞合需要圆整，绞距在6－8mm之内。

3.2 绝缘押出

绝缘生产采用在线SPC控制线径、电容、同心度CPK。提高绝缘的均匀性，严格控制绝缘的同心度，押出内模0.45mm，外模0.90mm;绝缘外径的波动控制在±0.01 mm以内，严格控制绝缘偏心，通常情况下同心度应控制在95%以上;采用泡孔更均匀、致密的物理发泡绝缘，提高发泡度，减小高频下的介质损耗角正切值，从而减小电缆中的传输损耗;严格控制单线同轴电容的均匀性，水中电容控制在±1pF/m之内;严格控制绝缘附着力。导体与绝缘间的附着力过小，会造成后工序加工时导体与绝缘间的相对转动，影响阻抗和波动性。绝缘与导体之间的附着力控制在1N以上。

3.3 对绞工艺

结构采用先对绞再绕包双层包带进行加热，对绞后采用水平双层包纸，一次性完成，减少了生产工序，减小了电缆中的横向转换转移损耗和线对内延迟差，充分保证量产高频性能的合格率。该结构稳定，有效地保证成品柔软性，可以达到弯曲半径为OD的4倍;同时此结构有利于成品组装，提高生产效率降低成本。

对绞工序中采用主动放线，严格控制绞对时两根单线放线张力的对称性和均匀性，采用退扭式绞对机来生产，放线张力控制在700±50CN之内，对绞绞距公差控制在±2.5mm之内，对绞眼模为2.10mm。

3.4 绕包工艺

STP信号对采用双层包带机，铝箔屏蔽采用Z向绕包，热融麦拉采用S向绕包，两包带一次绕包完成，然后经过在线加热机，将热融麦拉粘住固定结构，以防止后工序对其性能破坏;同时要保证包带从满轴到空轴绕包张力不变，绕包绞距不变，以保证特性阻抗和插入损耗及对内延时差等电气性能的稳定。

3.5 集合工艺

为尽可能保证电缆结构的对称性和均匀性，选用退扭式成缆机成缆。严格控制成缆时各线对和电源线的放线张力，动力放线张力在1.0kg左右;采用合适的填充材料对缆芯的间隙进行填充，填充张力要稳定以防止跳股，影响UTP信号对的电气性能;选择合适的成缆节距，成缆时的绞合节径比通常应控制在20－25，成缆线经为4.5mm，成缆节距80－100mm。

3.6 编织工艺

编织收线排列准确，防止编织线挤压。

3.7 外被工艺

采用半挤管压出，主动放线及线材尽量减少过导轮，同时经过的导轮需要评估直径，不能太小。

4 试验数据分析

首先对未进行改进的USB3.0电缆线进行测试，测试数据如表3和图2所示。

图2 改进工艺前的USB3.0实测高频数据衰减图

由以上测试所得数据可以得出以下结论:采用一般工艺的USB3.0电缆线在时间延迟偏差上表现极差;当传输信号频率在0－4.5GHz时，电缆线基本达到信号传输要求，但当传输信号频率上升到7.5GHz时，电缆线内信号衰减达到61.692dB，并不符合信号传输要求。

表3 工艺改进前和工艺改进后的USB3.0电缆线测试数据对比

3)Differential to Common Mode Conversion(SCD21)

使用新工艺后，测试结果如表3和图3所示:

图3 改进工艺后的USB3.0实测高频数据衰减图

工艺改进后，电缆测试结果理想。

5 结语

从目前USB3.0电缆存在的问题出发，以该电缆主要是面临的插入损耗和对内延时差等电气性能问题为突破口，设计及生产出的USB3.0电缆成品外径减小，USB3.0电缆柔软性提高，传输高频时信号质量提高，传输距离增长，插入损耗和对内时延差减小，为许多电线电缆厂家面临的问题提出了一种解决方案。

(责任编辑 吕春红)

［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］倪艳荣，田丰.通信电缆结构设计［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［5］黄辉.USB3.0技术发展和展望［J］.大众硬件，2008 (10).

［6］肖飚，朱国祥.USB3.0电缆得研发［C］//段福亮，陈喆.中国通信学会2010年光缆学术年会论文集.北京:电子工业出版社，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

河南省教育厅科学技术研究重点项目(12A470002)

倪艳荣(1981－)，女，河南濮阳人，讲师，硕士，主要从事电线电缆制造技术研究。