USB3.1的静噪对策

周一, 25 三月 2019 - 15:12

最初，USB是作为连接计算机和外围设备的数字接口而开发的，现在被广泛用作包括移动设备和物联网的通用接口。

最初的传输速度最大为12 Mbps的USB 2.0现在最大已经变成480 Mbps，而最新的USB 3.1 gen 1的最大速度为5 Gbps。同时，Type-C连接器也提高了可用性和电源容量，也为连接器设置了便捷的形状，使其更易于使用。

1、USB3.1设备的噪声状况

USB3.1设备的辐射噪声是怎样的？

看似跟USB3.1 gen1相似的噪声状况，将USB 3.0 的PC连接到外部HDD，并观察到它产生的噪声。（图1）

虽然这里使用TypeA-TypeB和TypeC-TypeC作为连接电缆，但两种噪声水平都低于不必要的辐射噪声的调节值，并且没有出现问题。
<img alt="USB3.0功能的辐射噪声" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="893a0a18-bfcf-45eb-98d7-3ced283dcf8e" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%20USB3.0%E5%8A%9F%E8%83%BD%E7%9A%84%E8%BE%90%E5%B0%84%E5%99%AA%E5%A3%B0_0.jpg" />
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图1 USB3.0功能的辐射噪声
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那么是否有必要对USB 3.1设备采取静噪对策？

实际上，针对不必要的辐射等噪声调节以外，还有其他的必须要采取静噪对策的理由。

2、USB3.1 设备的噪声问题

最近由于电子设备内置的通信功能在增加。

代表性的例如智能手机。由于在智能手机这样狭窄的空间中内置了各种数字电路，这些电路中会发生数字噪声。

当此噪声进入智能手机的天线时，混杂着来自基站的无线电波的噪声，使接收灵敏度降低。

通常，对于从数字基板直接进入天线的噪声会有相应的对策，但是由于智能手机中连接了USB等接口电缆，该电缆成为了放射源，导致进入天线的噪声增加从而使接收灵敏度降低。
<img alt="连接USB电缆通话" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="a6de7f9b-1e0a-45b9-8170-88ea2621d14a" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%20%E8%BF%9E%E6%8E%A5USB%E7%94%B5%E7%BC%86%E9%80%9A%E8%AF%9D_0.jpg" />
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图2 连接USB电缆通话
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图3是在简易的测试环境下测试出的进入LTE接收器部分天线的噪声。

通过连接USB电缆，导致噪声水平增加了将近20dB。
<img alt="连接USB电缆前后进入天线的噪声的对比" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="83b9d851-266f-4a36-a9d6-d6cdfe5dbf58" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3%E8%BF%9E%E6%8E%A5USB%E7%94%B5%E7%BC%86%E5%89%8D%E5%90%8E%E8%BF%9B%E5%85%A5%E5%A4%A9%E7%BA%BF%E7%9A%84%E5%99%AA%E5%A3%B0%E7%9A%84%E5%AF%B9%E6%AF%94_0.jpg" />
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图3 连接USB电缆前后进入天线的噪声的对比
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3、USB3.1 设备的静噪对策

USB3.1 设备的静噪对策中连接部分使用静噪滤波器会很有效。

但是，由于高速差分信号在信号线中流动，因此在使用滤波器时必须要注意，以免损害该信号质量。

共模噪声滤波器作为静噪滤波器的一种，可以有效地消除共模噪声，这是辐射噪声的主要原因，对差分信号几乎没有影响。将本公司的USB 3.1用共模噪声滤波器插入差分信号线。（图4）
<img alt="为共模噪声滤波器插入的地方" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="10fd08b9-2a97-4746-8e93-28224737afcf" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4%E4%B8%BA%E5%85%B1%E6%A8%A1%E5%99%AA%E5%A3%B0%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E5%99%A8%E6%8F%92%E5%85%A5%E7%9A%84%E5%9C%B0%E6%96%B9_0.jpg" />
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图4 为共模噪声滤波器插入的地方
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使用共模噪声滤波器的结果如图5所示，进入天线的最大噪声改善10dB。
<img alt="通过共模噪声滤波器来降低噪声的效果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="dfc60f6d-41c0-4c98-ba83-8c50a7ef05a7" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5%E9%80%9A%E8%BF%87%E5%85%B1%E6%A8%A1%E5%99%AA%E5%A3%B0%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E5%99%A8%E6%9D%A5%E9%99%8D%E4%BD%8E%E5%99%AA%E5%A3%B0%E7%9A%84%E6%95%88%E6%9E%9C_0.jpg" />
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图5 通过共模噪声滤波器来降低噪声的效果
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有关USB3.1Gen1推荐的共模噪声滤波器，请参考以下链接。

USB3.1Gen1推荐的共模噪声滤波器 
1.<a href="https://www.murata.com/zh-cn/products/productdetail?cate=luNoiseSupprFi… />
2. <a href="https://www.murata.com/zh-cn/products/productdetail?cate=luNoiseSupprFi…;

4、追加对策① 地平面强化

为了进一步改善，我们还采取了静噪滤波器以外的对策。

在USB线中，由于信号在差分传输中是双绞线，因此它原本是一种难以辐射噪声的结构。

但是，如果电缆屏蔽部分有噪声，可能会从这里发射噪声。因此我们采取了地平面强化的对策。

在该设备中，最初USB连接器和基板通过一个螺钉和多个手指垫圈连接。

为了使USB连接器框架与智能手机主板接地之间的阻抗较低，将它们与铜箔胶带连接牢固地连接。图6即效果。
<img alt="地平面强化的效果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d1719edd-2d24-40a7-833a-280784055f43" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE6%E5%9C%B0%E5%B9%B3%E9%9D%A2%E5%BC%BA%E5%8C%96%E7%9A%84%E6%95%88%E6%9E%9C_0.jpg" />
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图6 地平面强化的效果
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通过进行地平面强化可将噪声水平降低6~8dB的程度。

5、追加对策② 换线

USB线的差异也会引起放射噪声水平的变化。

将设备中最初的USB线换成市售的另一种USB线。 
图7为结果。此时，用原先的线时噪声较低，最大的差为10dB左右。因此可见选择适合的线也对噪声对策十分关键。
<img alt="为不同的线体现的噪声水平差异" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="242177f0-af16-4dac-a088-ea0d9b7fa658" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE7%E4%B8%BA%E4%B8%8D%E5%90%8C%E7%9A%84%E7%BA%BF%E4%BD%93%E7%8E%B0%E7%9A%84%E5%99%AA%E5%A3%B0%E6%B0%B4%E5%B9%B3%E5%B7%AE%E5%BC%82_0.jpg" />
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图7 为不同的线体现的噪声水平差异
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6、总结

通过这些对策，如图8所示，天线中进入的噪声最大可降低20dB，LTE的接收灵敏度取决于频带，改善了8dB。

因此，通过连接USB线改善接收水平，是USB设备很难超出范围。

对策内容

<ul>
<li>插入共模噪声滤波器</li>
<li>地平面强化</li>
<li>选择适合的USB线</li>
</ul>
<img alt="为对策结果总结" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="343a76a1-1cba-4a66-b75b-85b4e5c8ae65" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE8%E4%B8%BA%E5%AF%B9%E7%AD%96%E7%BB%93%E6%9E%9C%E6%80%BB%E7%BB%93_0.jpg" />
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图8 为对策结果总结
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这次，我们介绍了针对USB 3.1 gen 1噪声对策的噪声对策示例，但除此之外，我们还介绍了适用于高速差分接口噪声对策的共模噪声滤波器/共模扼流线圈。请参考下面的选择表。

信号线用共模扼流线圈选择表（一般等级用）
<a href="https://www.murata.com/~/media/webrenewal/products/emc/emifil/cmcc/pdf/… alt="信号线用共模扼流线圈选择表" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="6dfb2756-6fc5-4dfb-a216-52eac32a5482" height="487" src="/sites/default/files/inline-images/consumer-signal.jpg" width="691" /></a>