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村田 | USB3.1的静噪对策

村田,USB3.1的静噪对策

  前 言


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。

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 2  USB3.1设备的噪声状况


USB3.1设备的辐射噪声是怎样的呢?


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

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图1 USB3.0功能的辐射噪声


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。

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,还有其它的必须要采取静噪对策的理由!


 3  USB3.1 设备的噪声问题


现在,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(图2)。

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图2 连接USB电缆通话


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。

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。

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图3 连接USB电缆前后进入天线的噪声的对比。


  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)。

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图4 共模噪声滤波器插入的地方


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。

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图5 通过共模噪声滤波器来降低噪声的效果


  追加对策一: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。

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图6 地平面强化的效果


通过进行地平面强化可将噪声水平降低6~8dB的程度。


  追加对策二: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。

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图7 不同的线体现的噪声水平差异


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。


  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。

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图8 对策结果总结


对策内容包括:

  • 插入共模噪声滤波器

  • 地平面强化

  • 选择适合的USB线


我们在这里介绍了针对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(双击图片放大原图)。

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信号线用共模扼流线圈选择表(一般等级用)


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