低速模式下USB设备连接电缆辐射骚扰特性浅析

1低速模式下USB设备连接电缆辐射骚扰特性浅析江苏省电子产品监督检验所陈嘉声关键词：USB接口连接电缆辐射骚扰对策措施今天的个人电脑上所使用的大多数外围设备仍然是基于接口实现的。这些接口最早是由IBM公司在20世纪80年代早期设计的，接口的设计上有很多缺陷，它们不仅给设计者带来了很多麻烦，而且也给用户带来诸多不便。随着技术的发展，计算机的外部设备，越来越注重追求高速度和高通用性。为了满足用户的需求，市场上出现了许多计算机接口，其中最常见并有竞争优势的是IEEE-1394和USB接口。USB接口连接相对于以往的串口(serialport)、并口(parallelport)连接而言，主要的优点是可以支持热插拔，自动的检测与设置，通用性高，系统资源节省，电缆简易，不需要单独电源，速度高，性价比高，性能稳定等。自从1996年Compaq、Intel、Microsoft、NEC等几家公司联合努力下推出的USB规范版本1.0的白皮书问世以来，USB不仅成为了个人电脑主板上的标准端口，而且还成为了所有个人电脑外设（包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数码相机、扫描仪和游戏手柄等等）与主机相连的标准协议之一。在对USB1.1版本的长期实践与改进基础上推出的USB2.0，又将USB的数据传输速率上从1.1版本的最高12Mbps带宽提升到480Mbps的理论速率。这样，USB1.1版本中支持两种总线数据传输率：低速(LowSpeed)1.5Mbit/s和全速传输(FullSpeed)12Mbit/s模式，其升级到USB2.0版本时，又新增支持了一种新的总线数据传输率：高速(HighSpeed)480Mbit/s模式。我们知道，USB系统中传输的是数字信号，随着速度的提高，系统对外泄漏也越严重。而在系统中，电缆的辐射问题是系统中导致电磁兼容问题最主要因素之一，90％以上的设备（主要是含脉冲电路的设备）不能通过辐射发射试验都是由于电缆辐射造成的。这是因为电缆是一根高效的接收和辐射天线，同时电缆中的导线平行布置的距离最长，因此导线之间存在较大的分布电容和互电感，这会导致导线之间发生信号串扰。考虑到USB线缆对EMI的影响，USB规范说明书中对线缆有了具体的规定。USB规范关于线缆的规定包含3个方面的内容：标准的可分离的线缆、高/全速的束缚型电缆和低速的束缚型线缆。标准的可分离的线缆是高/全速线缆中的一种，高/全速线缆与低速线缆之间的区别在于数据线的排列和屏蔽等方面不同。低速线缆中的两条数据线推荐使用双绞线，但并不作硬性要求；同时推荐使用镀锡的铜金属网作为外层保护，但并不作硬性要求。低速的束缚型只能用于低速的设备，而高/全速的束缚型电缆在满足低速设备长度规定的条件下（低速电缆的最大长度由低速信号的上升2和下降时间决定），可以用于低速的设备。由此我们也可以看到，高/全速USB线缆要求针对EMI采取两条差分信号数据线使用双绞线同时进行屏蔽的对策，而对于低速线缆，规范只是给出了建议。对应于高/全速的USB模式下的传输，其USB设备中也一定有处理高频数字信号的模块，而主机里则有更多高频数字信号及噪声的产生，在测试过程中我们发现，此时，对于USB线上的辐射，不仅仅与其USB电缆、USB设备、主机的物理硬件有关，还会受到传输数据的类型，USB设备的驱动程序的影响。为了能够更加明显的分析USB线缆对于辐射骚扰测量的影响，本次选取了低速USB系统作为研究对象。我们准备了3个USB鼠标以及1个USB键盘，分别记做1#，2#，3#，4#样品，1#为光电型鼠标，USB线缆长度为140cm，2#为滚轮型鼠标，USB线缆长度为142cm，3#为滚轮型鼠标，USB线缆长度为73cm，同时其USB线缆接近主机处有一铁氧体磁环，4#为键盘，USB线缆长度为173cm。现将4个样品分别接入一辐射骚扰很小的辅助设备系统，按照GB9254-1998辐射骚扰的测量方法进行辐射骚扰场强的测试。测试图形如下：图1图2（测试辅助设备系统的辐射骚扰背景曲线示意图，左图为天线水平极化状态，右图为天线垂直极化状态）图3图4（1#鼠标辐射骚扰测试曲线示意图，左图为天线水平极化状态，右图为天线垂直极化状态）3图5图6（2#鼠标辐射骚扰测试曲线示意图，左图为天线水平极化状态，右图为天线垂直极化状态）图7图8（3#鼠标辐射骚扰测试曲线示意图，左图为天线水平极化状态，右图为天线垂直极化状态）图9图10（4#键盘辐射骚扰测试曲线示意图，左图为天线水平极化状态，右图为天线垂直极化状态）从以上4组的辐射骚扰测试曲线示意图我们可以看到3#，4#的辐射骚扰明显优于1#及2#。我们看到1#，2#，3#的3个鼠标的曲线比较类似，只是幅度上有差异。我们可以将1#，2#，3#进4行比较。观察它们的USB线缆后，我们看到，3#的线缆长度比其他两根要短，另外就是它接近主机端有个磁环塑封在线缆内。我们接着仿照3#，将分体式铁氧体磁环（型号为TDKZCAT1325-0530）加入1#，2#鼠标USB线缆的接近主机端再次测试。测得结果如下：图11图12（1#鼠标USB线缆主机端加磁环后辐射骚扰测试曲线示意图，左图为水平极化状态，右图为垂直极化状态）图13图14（2#鼠标USB线缆主机端加磁环后辐射骚扰测试曲线示意图，左图为水平极化状态，右图为垂直极化状态）我们发现，在1#，2#USB电缆接近主机端加上磁环后，它们的辐射骚扰有很大的改善。而铁氧体磁环是一个共模扼流圈，这说明电缆的辐射主要来自共模辐射。共模辐射是由共模电流产生的，共模电流的环路是由电缆与大地（或邻近的其他大型导体）形成的，因此具有较大的环路面积，会产生较强的辐射。共模电压是导致共模电流的根本原因，共模电压式电缆与大地（或邻近的其他大型导体）之间的电压，在这个电压的驱动下，共模回路中产生共模电流。共模回路通常是由杂散电容构成的。5共模电压的形成根本原因是电缆与大地之间存在着共模电压，但它有多种来源。本例中我们认为来源主要有电缆端口的附近会有一些产生高频电磁场的电路，这些电路与电缆之间存在着电容性耦合和电感性耦合，在电缆上形成共模电压，从而导致共模电流的产生。机箱内的线路板、互连电缆都会产生电磁辐射，因此机箱中充满了电磁波。这些电磁波也会在I/O电缆上感应出共模电压。同时，线路板上的信号地与大地之间电位差，在这个电压驱动下，电缆上产生共模电流。我们再将铁氧体磁环加于1#，2#的USB电缆接近鼠标端，测得如下曲线：图15图16（1#鼠标USB线缆鼠标端加磁环后辐射骚扰测试曲线示意图，左图为水平极化状态，右图为垂直极化状态）图17图18（2#鼠标USB线缆鼠标端加磁环后辐射骚扰测试曲线示意图，左图为水平极化状态，右图为垂直极化状态）对比磁环加于1#，2#USB线缆主机端和鼠标端的曲线，我们看到磁环加于主机端的辐射骚扰情况要优于磁环加于鼠标端。我们认为这表明共模电流的流动方向是由主机端口流向鼠标端再回流的。我们再将磁环加于键盘的USB线缆接近主机端。得到如下曲线：6图19图20（4#键盘USB线缆主机端加磁环后辐射骚扰测试曲线示意图，左图为水平极化状态，右图为垂直极化状态）4#键盘USB线缆主机端加磁环后比不加前有些改善，但效果不是很明显，显然该键盘已对EMI做过对策，我们拆开这几个样品来分析（样品以及样品内部结构的照片请参见附图）。我们看到1#，2#的USB线缆接口端有四根线缆，而3#，4#有五根，我们拆开线缆发现，多出来的第五根线缆是用来作为线缆屏蔽的接地所用。在样品外部的线缆都有一层金属箔薄层裹在四根线缆外围进行屏蔽，屏蔽层在3#，4#内部接入印制板上大面积的地线上。4#线缆上采取的EMI对策还有：两根差分信号线缆采用双绞线走线；四根线缆在从键盘出线端穿过一共模扼流圈，穿过共模扼流圈时多绕一匝；两根差分信号电缆各接一旁路电容，进行干扰滤波。因此，我们知道了3#，4#的辐射骚扰优于1#，2#的原因在于其进行了相应的对策，这些对策主要也就是对USB线缆上所采取的措施。综合有:：3#采取了屏蔽，加共模扼流环（主机端）的措施，4#采取了干扰滤波，屏蔽，双绞线，加共模扼流环（样品端）的措施。干扰滤波、屏蔽、双绞线传输、加共模扼流环这也就是我们在USB设备辐射骚扰测试中对测量结果有很大影响的因素。附图：(试验样品)1#鼠标2#鼠标73#鼠标4#键盘1#鼠标内部结构2#鼠标内部结构3#鼠标内部结构-13#鼠标内部结构-24#键盘内部结构