通用串行总线(USB)使用的USB 3.0电缆的研发

肖 飚， 朱国祥

(1.成都普天电缆股份有限公司极细电子线制造厂，四川 成都 611731；2.佛山市南海讯联信息有限公司，广东 佛山 528226)

通用串行总线(USB)使用的USB 3.0电缆的研发

肖 飚1， 朱国祥2

(1.成都普天电缆股份有限公司极细电子线制造厂，四川 成都 611731；2.佛山市南海讯联信息有限公司，广东 佛山 528226)

回顾了通用串行总线(USB)发展的历程，论述了随着电脑科技和数码技术的发展，原USB 2.0标准规定的480 Mb传输速率已不能满足使用要求，于是2008年底推出了最高传输速率为5 Gb的USB 3.0标准，因此，有必要对适应于该标准的USB 3.0电缆进行研究。提出了USB 3.0电缆的技术要求，论述了产品结构设计、材料选用及制造技术。

USB 3.0电缆；通用串行总线(USB)；技术要求；设计；制造

0 引 言

USB的全称是通用串行总线(Universal Serial Bus)。由于USB支持热插拔和即插即用的优点，所以USB接口已经成为计算机的标准接口。目前绝大多数电子消费产品，如数码相机、MP3播放器、掌上游戏机等也几乎都采用USB接口与计算机进行数据交换。

1994年Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC和Northern Telecom等世界著名的7家计算机公司和通讯公司成立了USB论坛，大概花了2年的时间才形成统一意见，并于1995年11月正式制定了USB 0.9规范。1996年,USB 1.0标准正式颁布。直到1998年,Windows 98发布，宣布正式对USB接口提供支持，USB才真正发展起来。业界制定了USB 1.1标准，使USB技术更加成熟可靠，其最高数据传输率为12 Mb(即1.5 MB/s)。2000年4月, USB 2.0标准正式颁布，此版的最高传输速率为480 Mb(即60 MB/s)。随着电脑科技和数码技术的发展，如宽带网络的不断升级，移动存储器的飞快扩容，高清视频、DX10的逐渐普及等等，480 Mb的传输速度对于现在的应用环境来说已经不能满足使用要求，于是Intel公司和业界领先的公司一起于2008年底推出了最高传输速率为5 Gb(即625 MB/s)的USB 3.0标准，同时在使用A型的接口时向下兼容。到目前为止，一些电脑制造商已经推出带USB 3.0的产品了。市场研究分析公司In-Stat预测，到2012年，计算机USB 3.0的普及率将达到75%，消费类电子产品USB 3.0的普及率将达到20%。

综上所述，一方面，USB的传输速率从480 Mb提高到5 Gb,必将对传输电缆提出更高的要求，另一方面，随着USB 3.0的普及，将会带来巨大的商机，因此，有必要对通用串行总线(USB)使用的USB 3.0电缆进行研究。

1 USB 3.0电缆技术要求

1.1电缆结构

根据文献[1]规定，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)，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[2](见图2)相比，多了两对用于数据收、发的屏蔽线对。文献[1]还规定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

图1 USB 3.0电缆结构示意图

图2 USB 2.0电缆结构示意图

1.2电气性能

(1) 屏蔽线对主要电气性能。屏蔽线对的电气性能指标见表2。

(2) 非屏蔽线对技术要求。标准中没有对非屏蔽线对传输指标做明确规定，但要求其组件满足USB 2.0的传输要求。根据以往经验，其组件指标见表3。

(3) 电源线的电气性能。电源线的导体直流电阻见表4。

表2 屏蔽线对的电气性能指标

表3 非屏蔽线对组件指标

表4 电源线的导体直流电阻

1.3其他要求

标准中还对电缆的其他性能，如环保性能和电缆寿命等作出了明确规定，本文简略。

2 电缆的设计

2.1导体尺寸组合

表1中虽然给出了导体的推荐尺寸，但并没有给出信号线对与电源线导体尺寸的组合。USB 3.0电缆的传输距离取决于衰减、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，设计时可根据电缆的实际使用长度来确定导体尺寸的组合。通常情况下，各种规格导体最大传输距离如表5所示。

表5各种尺寸导体最大传输距离

(单位：m)

导体尺寸组合原则是电缆长度应小于屏蔽线对、非屏蔽线对和电源线等三者中最大传输距离的最小者。表6为目前常用的两种USB 3.0电缆导体组合实例。

表6中，理论方案与现阶段实用方案存在着一定的差距。在2 m长电缆现阶段实用方案中，选用28 AWG导体更容易满足衰减指标的要求，同时电缆外径(5.5 mm)也满足不大于6 mm的要求,降低了电缆制造难度。在3 m长电缆现阶段实用方案中，由于目前USB 3.0设备的驱动电流绝大多数小于900 mA,电源线导体即使采用24AWG也能满足实际使用。随着USB 3.0的普及和推广，人们对电缆外径、柔软性和设备驱动电流的不断提高，导体组合方案必将采用理论方案。

表6 USB 3.0电缆导体尺寸组合实例

2.2导体结构

由于USB 3.0电缆比USB 2.0电缆多了两对线，为了使电缆仍然保持较高的柔软性，电缆中的导体应采用绞合导体。与此同时，为了保证绞合导体的圆整性，以最大限度地降低信号线对的衰减和电源线的绝缘厚度，绞合导体应采用“1+6”结构。在柔软性要求特别高的场合，宜优先采用“1+6+12”结构。

2.3导体材料

电源线导体材料可选用镀锡铜线。信号线对的导体材料可选用镀银铜线或裸铜线。由于电流集肤效应的影响，镀银铜线的衰减最小，是最好的选择。有时，为了保证电缆组件制作方便，允许选用镀锡铜线，不过此时应选用线规号较小的导体以确保电缆衰减满足传输要求。

2.4绝缘

USB 3.0传输协议中对屏蔽信号线对的传输时延和衰减要求比较严格，因此，屏蔽线对应选用等效相对介电常数和介质损耗角正切值较小的材料和结构。实践证明，泡沫/实心皮聚乙烯是比较好的选择。制作高档电缆时，还可选用泡沫/实心皮聚全氟乙丙烯(FEP)结构。

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。当需要尽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。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。

(1)

(2)

式中，Z屏蔽为屏蔽线对阻抗；Z非屏蔽为非屏蔽线对的阻抗；εr为绝缘等效相对介电常数；a为线对导体中心距，此处为绝缘外径；d为绞合导体直径；k为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为线对屏蔽内径。

从实践经验看，若采用数值计算，可一次性计算出准确的绝缘外径，此算法的缺点是计算量较大。

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)。当导体尺寸较大时，为了保证电缆的直径，应采用薄壁绝缘，此时宜采用优质的绝缘材料，如FEP等。

电源线的绝缘外径的确定可以参照文献[3]的规定。

2.5线对

(1) 信号线对和电源线色谱。根据文献[1]规定:两对屏蔽线对的色谱应分别为黄/蓝和紫/橙；非屏蔽线对的色谱应为白/绿；两根电源线的颜色应分别为黑色和红色。

(2) 线对节距。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。

(3) 线对屏蔽。为确保线对在高频下具备良好的抗干扰能力，在线对外可绕包复合铝箔。根据文献[1]的要求，可以计算出，复合铝箔的铝层厚度最好大于9 μm，并在铝箔下平置一根屏蔽连通线，以保证屏蔽层电气上的连续性和降低屏蔽层的电阻。与此同时，为了保证复合铝箔绕包层结构的稳定性和屏蔽线对间的绝缘效果，最好在复合铝箔外安置一层自粘型聚酯薄膜，以形成良好的护层。

2.6缆芯

为保证缆芯结构的稳定性和电缆的圆整性，在缆芯的空隙中填充不吸湿的有机纤维。少数需要较大抗拉的特殊场合，可以用芳纶纤维来填充，以提高电缆的抗拉力。

2.7缆芯屏蔽

采用双面复合铝箔绕包，重叠率大于25%,然后再用直径为0.08～0.10 mm左右的镀锡铜线编织,编织密度大于85%。

2.8护套

通常情况下可用柔软级聚氯乙烯。有必要时也可采用无卤阻燃聚烯烃护套。需要说明的是，文献[1]推荐的护套颜色为蓝色。

3 制造

USB 3.0电缆制造的关键是保证电缆在宏观和微观上结构尺寸的精确和尽可能小的偏差，下面就制造过程中的几个关键问题进行探讨。

3.1信号线对导体的绞合

众所周知，通信链路中特性阻抗的波动对高频信号的传输影响很大，在电缆的制造过程中如何保证阻抗值及其波动符合工艺要求，就成为了一项至关重要的事情。通过对公式(1)和公式(2)分析可知，导体的波动比绝缘外径的波动对阻抗影响更大。因此，应高度重视绞合导体的加工质量，努力做好以下几方面：

(1) 构成绞合导体的单丝，其外径及伸长率要均匀一致，表面光滑圆整；

(2) 绞合节径比宜控制在20以内，绞合节径比过大时，绞线的结构稳定性差；

(3) 最好采用管绞机来生产绞合导体，没有管绞机时也可采用束线机来生产，但最好采用退扭式束线机；

(4) 严格控制导体绞合时每根单丝的张力。采用束线机生产19根绞合导体时，在单丝进绞弓前，应分别在“1+6”和“1+6+12”外分别加放束线模具，且每层单丝张力应有差异，但每层内的单丝间张力应一致，这样生产出的绞合导体才圆整。

3.2信号线对的绝缘

绝缘是USB 3.0电缆制造的基础，绝缘线芯的质量直接影响着能否生产出符合标准要求电缆。在实际生产中要注意以下方面的内容：

(1) 严格控制绝缘外径的均匀性，通常情况下绝缘外径的波动应控制在±0.01 mm以内。

(2) 由于物理发泡绝缘的泡孔比化学发泡的更均匀、致密，且高频下的介质损耗角正切值更小些，因此生产屏蔽线对的绝缘时，最好采用物理发泡。

(3) 严格控制单线同轴电容的均匀性，通常情况下波动应控制在±1 pF/m以内。

(4) 严格控制绝缘的不圆度，通常情况下波动应控制在±0.01 mm内。影响绝缘不圆度的主要因素有：挤塑模套模孔不圆；挤塑温度过高，在冷却定型前塑料熔垂；绝缘芯线在过线轮上挤压等造成的。

(5) 严格控制绝缘偏心，通常情况下同心度应控制在95%以上。影响绝缘偏心的主要因素有：挤塑模芯与模套间同心度不够；挤塑温度过高，在冷却定型前塑料熔垂；模芯孔径过大，导致模芯与导体间的间隙太大，使导体在模芯内晃动。最好采用垂直向下挤出，且使用能微调偏心的自定心机头，这种机头可消除熔垂现象对绝缘不圆度和偏心的影响。

(6) 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。影响附着力的主要因素有：导体在挤塑前的预热温度、导体的清洁程度、挤出后的冷却速度；对于FEP绝缘而言主,因采用挤管式模具，除了上述影响附着力的因素之外，还与挤塑模具的平衡拉伸比有关。

(7) 为了减少颜色对电缆高频传输性能的不良影响，屏蔽线对的绝缘芯线最好在皮层上着色，且颜色应尽可能浅些。

3.3绞对

与常规的数据电缆相比，USB 3.0电缆增加了横向转换转移损耗和线对内延迟差的要求。这就要求在绞对时更要高度重视线对中两单线的对称性。一方面，在绞对时应尽可能选取导体电阻、绝缘外径相同的两根绝缘线芯来绞合，另一方面，要严格控制绞对时两根单线放线张力的对称性和均匀性，且最好选择退扭式绞对机来生产。

3.4线对屏蔽

线对屏蔽时宜采用比普通复合铝箔具备更好绝缘和密闭效果的单面展翅铝箔绕包、重叠率大于25%、铝面向内，在线对与铝箔间平置一根绞合型屏蔽连通线。

3.5成缆

为尽可能保证电缆结构的对称性和均匀性，应注意以下几点：

(1) 严格控制成缆时各线对和电源线的放线张力；

(2) 采用合适的填充材料对缆芯的间隙进行填充；

(3) 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；

(4) 最好选用退扭式成缆机成缆。

4 结束语

为了适应新一代USB技术发展的需要，首先应对电缆结构进行精心设计，然后严格控制生产工艺方能制造出高质量的USB 3.0电缆。

[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] 通信设备用3 GHz及以下频段对称电缆技术条件[S].

[5] 肖 飚.高频对称电缆设计与制造技术之一——设计[J].电线电缆，2006(1)：12-16.

[6] 肖 飚.高频对称电缆设计与制造技术之二——制造[J].电线电缆，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，高级工程师.

作者地址：四川成都市高新西区新航路18号[611731].