最近發現市場的線纜需求，工業類和消費類的區間越來越小，消費類的線材也需要按照工業類的產品需求設計，便于統一規格，今天我們分享一個在開發超強防干擾USB電纜設計過程來討論，該電纜要求在1000伏的外界干擾電壓下能正常通信，在設計開發的過程中，我們應用了實驗設計的方法,供大家參考交流.

實驗設計

實驗設計(Designof Experiments) 是一系列試驗及分析方法集,通過有目的地改變一個系統的輸入來觀察輸出的改變情況。圖1示出一個系統示意圖。圖1 中的系統既可以看作是一個產品開發過程，也可以看作是一個生產過程。對于一個生產過程, 一般它是由一些機器、操作方法和操作人員所組成的,把一種輸入原材料轉變(加工)成某種輸出產品。這種輸出產品具有一些可以觀察的質量特性,也可叫響應(例如,產量、強度、硬度等)。一些過程參數（X1,X2,?,Xp）是可控的,例如直徑、絞距等; 而另一些（Z1,Z2,?,Zq）是不可控的, 它們有時被稱為噪聲參數,例如環境溫度、濕度等.



圖1一個系統示意圖：Input輸入; Output輸出;Controllable input factors可控的輸入參數X1,X2,?,Xp; Uncontrollable input factors不可控的輸入參數Z1,Z2,?,Zq

實驗設計的目的

?確定哪些參數對響應的影響最大;

?確定應把有影響的參數設定在什么水平，以使響應達到或盡可能靠近希望值(On target)；

?確定應把有影響的參數設定在什么水平，以使響應的分散度(或方差)盡可能減小；

?確定應把有影響的參數設定在什么水平，以使不可控參數（噪聲參數）對響應的影響盡可能減小。

因此, 在制造過程的開發以及解決過程中出現的問題中都可以應用實驗設計,以改善過程的性能,或者使過程對于外部波動源(干涉)不那么敏感，即得到一個“穩健”(Robust)的過程，同時還可節省時間和降低成本。所以,實驗設計對于開發和改善制造過程,提高產品質量是一個非常重要的工程工具。除此之處,實驗設計還可以在新產品開發或現有產品改進中起到很大作用:

?評價和比較不同設計方案;

?評價代用材料;

?確定影響性能的關鍵產品設計參數(KPC)。在這些領域應用實驗設計可以改善產品的制造工藝性、增強服役性能和可靠性、降低產品成本和縮短產品開發周期.

設計思路分享

根據市場的要求，此款線材對抗干擾的要求很高，于是經過分析討論之后認為除了達到USB2.0規范要求的各項參數要求之外就是要提高該線材的屏蔽效率（SE）和轉移阻抗（TI）,轉移阻抗是用來表示屏蔽層效率或者屏蔽層保護效果的參數，轉移阻抗用單位長度量表示，即毫歐姆/米（m ohm/m）,對于每一長度的屏蔽電纜而言，假如在其屏蔽層的某個表面有一電流存在，那么在此屏蔽層的另一表面會由此電流而感生一電勢差，上述電勢差與電流之比即為“轉移阻抗”。屏蔽電纜的轉移阻抗決定了其屏蔽層的效率，它包含兩個方面的含義：防止外界的電磁干擾進入電纜內部的能力以及阻止電纜內部信號向外部輻射的能力。轉移阻抗的數值越小，其屏蔽層的效果越好！一般量測的分析如下：

■Radiation loss數據說明

電磁場散逸在空氣中或介質而損失能量。也就是EMI中的輻射干擾(另一種是經由電流影響其他裝置的傳導干擾)，這能量若藕合到其它裝置就造成干擾。若輻射損耗要小，則shielding要做好.在低頻時，介質的導電率低，故其流經的電流很小，然而，在高頻時，介質內會被導入電流而有損耗.主要的處理方式就是增加鋁箔屏蔽層+編織或者纏繞銅導體來改善此系數.由于在高頻時，電流愈靠近導體周圍流動，稱集膚效應（skin effect），此乃導因在更高頻時，導體中心的inductive reactance增大，強迫電流流向周圍。所以，真正可用的導體面積縮小，導致電阻值增加，損耗增加，增加編織導體或者屏蔽導體就是影響電流變化的方式之一.

■分享過程的公式及各種屏蔽組合參數的影響度

Impedance(阻抗) = Resistance(電阻) + Reactance(電抗)

Reactance有兩種： Inductive reactance (XL = L) 感抗

Capacitive reactance (Xc = 1/ C) 容抗

低頻時：reactance很小，主要是看resistance。因此在直流及低頻時，所量測(譬如用三用電表)到的是電阻.

高頻時：resistance很小，主要是reactance(電容及電感的效應)。故在高頻時，reactance就是指阻抗.

■電纜連接線的屏蔽效果比較：

圖35所示的是電纜連接線的屏蔽效果比較。測試時源端阻抗為100Ω，負載端阻抗為1MΩ。測試用干擾信號為100kHz的磁場信號。

連接（A）：傳輸線為單芯屏蔽線，屏蔽層不與源端和負載端連接，源端和負載端均接本地地。以這種連接方式作為參照基準，其相對屏蔽效能為0dB。

連接（B）：傳輸線為單芯屏蔽線，屏蔽層不與源端連接，但和負載端地連接，源端和負載端均接本地地。其相對屏蔽效能為0dB。

連接（C）：傳輸線為單芯屏蔽線，屏蔽層與源端和負載端地連接，源端和負載端均接本地地。其相對屏蔽效能為27dB。

連接（D）：傳輸線為雙絞線，其一線在源端和負載端均接地，源端和負載端均接本地地。雙絞線在本身具有磁屏蔽作用，但由于地環路存在使總的磁屏蔽效能下降，其相對屏蔽效能只有13dB。

連接（E）：傳輸線為屏蔽雙絞線，屏蔽層在負載端單端接地，源端和負載端均接本地地。雖然屏蔽層起到電場屏蔽作用，但并沒有增加磁屏蔽效果，所以其相對屏蔽效能仍為13dB。

連接（F）：傳輸線為屏蔽雙絞線，屏蔽層在源端和負載端均接地，源端和負載端均接本地地。由于屏蔽層的阻抗比信號線低，因此分流了很大一部分地環路噪聲電流，從而增加了磁屏蔽效能，其屏蔽效能為28dB。如果干擾頻率大于1MHz，地環路噪聲電流在屏蔽層外表面流動，這將進一步提高磁屏蔽作用。

由圖35 a可知，在電路兩端都接地的情況下圖（C）和圖（F）所示的磁屏蔽效能比其他方式高。由于屏蔽層兩端接地，具有磁屏蔽作用，只是在地環路的影響下磁屏蔽效能不會很大。如果頻率升高達f＞1MHz時，磁屏蔽效能將有很大增加，因為同軸電纜和屏蔽雙絞線地環路的影響很小。如果頻率降低到10kHz以下，則磁屏蔽作用大大下降。所以圖（C）和圖（F）所示只適合于高頻運用。

圖35 a分析的是電路兩端接地的情況，其缺點是地環路會減小磁屏蔽效能，特別是低頻時影響更嚴重。如果電路是負載端單端接地則磁屏蔽效能可以大幅度增加，結果由圖35b給出。

連接（G）：傳輸線為單芯屏蔽線，屏蔽層與源端連接和負載端連接，負載端接本地地。這時不存在地環路，所以沒有地環路影響。外界磁場能穿過的環路面積只有屏蔽層與芯線之間很小的面積，因為屏蔽層可以看作是在其中心軸上放置的一根等效導線，而這根等效導線是非常靠近芯線的。這時的相對屏蔽效能可達80dB，與圖（C）所示的電路兩端接地時比較提高了53dB。

連接（H）：傳輸線為雙絞線，連接（I）：傳輸線為屏蔽雙絞線，都是電路單點接地，屏蔽層也是單點接地。雙絞線本身具有磁屏蔽性能，在沒有地環路影響下充分發揮了它的磁屏蔽作用，雙絞線可達55dB，屏蔽雙絞線可達70dB。這里屏蔽效能比較的試驗裝置中仍有一定的電場耦合，而雙絞線是沒有電場屏蔽性能的，只有屏蔽雙絞線才具備電場屏蔽性能。因此，連接（I）比連接（H）具有更高的屏蔽效能。此外比較連接（I）與連接（G），可知同軸電纜磁屏蔽效果比屏蔽雙絞線好，這是因為同軸電纜對磁場呈現的環路面積比雙絞線更小。當然如果進一步增加雙絞線的單位長度的絞合數則雙絞線的磁屏蔽效能也會增加。

在實際應用中低頻磁屏蔽電路常優選連接（I）所示的屏蔽雙絞線，而不是連接（G）所示的同軸電纜。這是因為連接（I）所示的屏蔽層不是信號電路的一部分，僅是起到電場屏蔽作用，而連接（G）中同軸電纜的屏蔽層有信號回流流過。

連接（J）：傳輸線為屏蔽雙絞線，屏蔽雙絞線的屏蔽層兩端接地，這可能降低一些磁屏蔽效能。因為屏蔽層形成了地環路，噪聲電流在屏蔽層流動時會在內部兩根線上產生感應電壓，如果內部兩根線對屏蔽層有不平衡處，則兩根線上的感應電壓就不可能完全抵消，從而產生干擾。這種方式測得的磁屏蔽效能為63dB。

連接（K）：傳輸線為屏蔽雙絞線，屏蔽層與源端相連，并在負載端接地，其屏蔽效能比連接（I）高一些，為77dB。這種連接方式結合了連接（I）和連接（G）的特點。但是這種方式并不常用，因為萬一由于某種原因屏蔽層上感染上噪聲就可能流入信號線，因此屏蔽層與信號線還是在一點連接為好。

由圖35 b可知在電路單端接地時采用連接（G）和連接（I）可以得到較高的磁屏蔽效能，實際運用中這兩種方式也最普遍.

審核編輯：劉清