一種LVDS電纜的制作工藝方法

張則梅 施丹 周誠(chéng)

摘要：由于LVDS技術(shù)（低電壓差分信號(hào)傳輸技術(shù)）在傳輸速率、抗電磁干擾及功耗等方面的明顯優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)航天及航空領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。為保證信號(hào)傳輸?shù)耐叫约半姶偶嫒菪?，?duì)LVDS線纜中每根信號(hào)線的長(zhǎng)度為差及屏蔽缺口有嚴(yán)格要求。本文闡述了如何通過(guò)在LVDS電纜加工制作過(guò)程中嚴(yán)格控制信號(hào)線長(zhǎng)度及加強(qiáng)屏蔽處理措施，并從導(dǎo)線的選型、電纜的具體加工制作等方面加以控制，最終確保有LVDS電纜滿足各項(xiàng)性能要求。

關(guān)鍵詞：LVDS；EMC；GBL數(shù)據(jù)線；屏蔽層

1 前言

低電壓差分信號(hào)傳輸技術(shù)簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)VDS（Low Voltage Differential Signal）技術(shù)，是一種低擺幅的差分信號(hào)技術(shù)[1]。它使得信號(hào)能在差分 PCB 線對(duì)或者平衡電纜上傳輸，最高傳輸速率在理論上可以達(dá)到3Gbps。LVDS的典型信號(hào)擺幅為350mV，對(duì)應(yīng)的功耗很低[2]。因此，LVDS是一種效率極高的接口技術(shù)。

與同類信號(hào)傳輸技術(shù)相比，LVDS技術(shù)在傳輸速率、電磁干擾、功耗等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。在傳輸速率方面，LVDS技術(shù)在點(diǎn)到點(diǎn)之間的傳輸速率可達(dá)800Mbps，在多點(diǎn)互聯(lián)之間的傳輸速率可達(dá)400Mbps[3]。在電磁干擾方面，由于LVDS技術(shù)采用雙線進(jìn)行信號(hào)傳輸，兩條信號(hào)線周圍的電磁場(chǎng)相互抵消，故比單線信號(hào)傳輸電磁場(chǎng)小得多。在功耗方面，由于LVDS技術(shù)采用恒流源模式驅(qū)動(dòng)，而且電壓信號(hào)幅度較低，故在傳輸過(guò)程中只消耗非常小的功率，甚至不論頻率高低，功耗都幾乎不變。此外，由于LVDS技術(shù)以差分方式傳輸數(shù)據(jù)，故不易受到噪聲影響。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，特別是通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式因速度慢、抗干擾能力弱、難以支持長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)越來(lái)越不能滿足技術(shù)應(yīng)用的需求。由于LVDS技術(shù)有效地解決了這一瓶頸，而得到了廣泛的應(yīng)用。

2 LVDS電纜的加工要求

為了減少同束電纜中信號(hào)傳輸時(shí)的時(shí)間延時(shí)，提高同步傳輸性能，要求同束LVDS電纜中每根信號(hào)線的長(zhǎng)度基本相同，長(zhǎng)度偏差不大于20mm。以下圖所示的電纜為例，即要求19根信號(hào)線中，最長(zhǎng)信號(hào)線與最短信號(hào)線間的長(zhǎng)度偏差不大于20mm。在加工過(guò)程中，這需要克服的是線纜成束時(shí)引入的長(zhǎng)度差以及線纜焊接端位置度上引起的長(zhǎng)度差。因此，具體加工時(shí)需設(shè)定合理的線纜切割長(zhǎng)度，保證線束長(zhǎng)度公差的同時(shí)，滿足消除裝聯(lián)應(yīng)力所需的線纜長(zhǎng)度余量。

為保證電纜的EMC（抗干擾）性能，必須盡可能地減少每根數(shù)據(jù)線上的屏蔽缺口。因此，在電纜加工過(guò)程中，要求每根信號(hào)線上的無(wú)屏蔽段盡可能短。這需要克服由焊接操作引起的對(duì)數(shù)據(jù)線屏蔽層剝除長(zhǎng)度的剛性需求，并保證每根數(shù)據(jù)線的有效屏蔽。

3 LVDS電纜數(shù)據(jù)線的選型

為保證LVDS電纜研制工作的順利進(jìn)行，在電纜設(shè)計(jì)初期，根據(jù)以往的相關(guān)研制經(jīng)驗(yàn)，初定GORE公司生產(chǎn)的GBL數(shù)據(jù)線或者瑞侃公司生產(chǎn)的雙絞屏蔽線作為L(zhǎng)VDS電纜數(shù)據(jù)線。

GORE公司生產(chǎn)的GBL對(duì)稱雙絞屏蔽線因其優(yōu)良的信號(hào)傳輸性能，被廣泛應(yīng)用與LVDS接口間的信號(hào)傳輸。GBL線由絕緣層、屏蔽層、排繞線、導(dǎo)體及填充物組成。與普通的雙絞屏蔽線相比，GBL線的最大特點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)上采取了屏蔽內(nèi)處理措施，即排擾線是與屏蔽層相連的裸導(dǎo)線。在數(shù)據(jù)線裝聯(lián)時(shí)（將每根GBL線中的導(dǎo)體焊接到電連接器上。），將每根數(shù)據(jù)線中的排擾線焊接到電連接器的接觸件上，即可在單機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)屏蔽。數(shù)據(jù)線的屏蔽層相互絕緣即可，無(wú)需采取屏蔽措施。

由于其特殊結(jié)構(gòu)，GBL線在選用時(shí)存在著一定的局限型。以阻抗特性為120？，導(dǎo)體線徑為26#的GBL-120-26數(shù)據(jù)線為例，整根數(shù)據(jù)線的直徑為4mm，且堅(jiān)硬，在電連接器裝聯(lián)時(shí)存在一定的難度。再者，GBL線內(nèi)兩根導(dǎo)體的絕緣層材質(zhì)軟，在以往LVDS電纜的研制過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)GBL線屏蔽層的金屬絲刺穿導(dǎo)體的絕緣層后與導(dǎo)體內(nèi)的芯線接觸的情況。因此，一般情況下，GBL線的屏蔽層需處理在電連接器殼體的外部。以圖一電纜中使用的電連接器J14A-101TK為例，接觸件尾端到連接器尾罩后端的距離約為25mm。如果將GBL線的屏蔽層處理在連接器殼體的外部，則GBL線焊接端屏蔽層的剝除長(zhǎng)度要在30mm以上，不易保證電纜的EMC性能。

綜合考慮加工難度、實(shí)際需求等因素，決定使用瑞侃公司生產(chǎn)的26#雙絞屏蔽線（55/1322-26-9/96-9）作為L(zhǎng)VDS電纜的數(shù)據(jù)線。

4 LVDS電纜的加工保證措施

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫约癊MC性能，須嚴(yán)格控制LVDS電纜中每根數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度偏差及無(wú)屏蔽段長(zhǎng)度。因此，在LVDS電纜加工之初，技術(shù)人員制定了嚴(yán)格的工藝保證措施。

4.1 長(zhǎng)度偏差保證措施

以圖一所示電纜為例，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，兩電連接器尾罩后端面間的線纜長(zhǎng)度為2200mm，電纜中每根數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度偏差不大于20mm。為保證最終長(zhǎng)度偏差符合要求，制定了以下三個(gè)方面的工藝保證措施。

首先，要嚴(yán)格控制每根數(shù)據(jù)線的下料長(zhǎng)度。由于電連接器J14A-101TK/TJ的焊杯根部到尾罩后端約30mm，數(shù)據(jù)線芯線與焊杯的搭焊長(zhǎng)度約3mm，故最終確定每根數(shù)據(jù)線的放線長(zhǎng)度為2280mm，保證數(shù)據(jù)線長(zhǎng)度公差在+10mm以內(nèi)，且數(shù)據(jù)線兩端均有一次焊接余量。完成19根數(shù)據(jù)線的下料后，將數(shù)據(jù)線梳理整齊，不允許有導(dǎo)線相絞的現(xiàn)象。

其次，要嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的絕緣層剝除長(zhǎng)度。在焊接前，一次性將19根數(shù)據(jù)線的絕緣層全部剝除。其中，外絕緣層的剝除長(zhǎng)度為12mm～15mm，內(nèi)絕緣層的剝除長(zhǎng)度為5mm～6mm。在焊接過(guò)程中，除復(fù)焊外，不允許對(duì)導(dǎo)線端頭絕緣層進(jìn)行剝除處理，每根導(dǎo)線單端最多允許復(fù)焊一次。

再次，要嚴(yán)格控制電纜后焊接端的長(zhǎng)度誤差。電纜一端電連接器焊接完成后，即將尾罩安裝到位。整束電纜展開并水平放置在工作臺(tái)上，將每根數(shù)據(jù)線拉直，用卷尺測(cè)量電纜的長(zhǎng)度（從電連接器尾罩后端開始測(cè)量）。用剪刀將數(shù)據(jù)線未焊接端剪齊，要求電連接器尾罩末端到數(shù)據(jù)線未焊接端的長(zhǎng)度為2240mm。

4.2 屏蔽性保證措施

為盡量減小每根數(shù)據(jù)線上的屏蔽缺口，技術(shù)人員對(duì)導(dǎo)線屏蔽層的處理方法進(jìn)行了改進(jìn)。在電纜加工過(guò)程中，我單位傳統(tǒng)的導(dǎo)線屏蔽層處理方法：（1）將每根導(dǎo)線的屏蔽層挑散，然后一分為二。（2）將相鄰導(dǎo)線的屏蔽層擰在一起，兩兩“牽手”。（3）引出一根接地導(dǎo)線，接插件裝配時(shí)，將此導(dǎo)線安裝到接插件的外殼上。在加工一般的低頻電纜時(shí)，此方法簡(jiǎn)單易行，且屏蔽可靠。但是，由于需要將屏蔽層手工擰在一起，屏蔽層需要挑散20mm以上，即導(dǎo)線焊接端至少有20mm長(zhǎng)的屏蔽缺口。如果用此方法加工LVDS電纜，顯然很難保證電纜的EMC性能。

通過(guò)對(duì)相關(guān)單位的屏蔽層處理方法進(jìn)行調(diào)研，并進(jìn)行大量驗(yàn)證試驗(yàn)后決定采取一種新的屏蔽層處理方法。新方法的具體操作步驟為：（1）焊接前，將每根信號(hào)線的屏蔽層端部用熱縮套管進(jìn)行保護(hù)。（2）所有信號(hào)線完成焊接后，在整束線纜外纏繞2-3圈φ0.5mm的鍍銀銅絲（纏繞在屏蔽層端頭的熱縮套管下側(cè)）。同時(shí)纏入一根接地導(dǎo)線。（3）在鍍銀銅絲外搪錫，使鍍銀銅絲與屏蔽層接觸牢固。（4）接插件裝配時(shí)，將接地線安裝到接插件的外殼上。

由此可見，由于新的處理方法不對(duì)屏蔽層進(jìn)行挑散、擰頭等操作，可實(shí)現(xiàn)線束屏蔽缺口的最小化，最大程度上保證了LVDS電纜的EMC性能。

5 結(jié)論

在LVDS電纜的加工過(guò)程中，通過(guò)嚴(yán)格控制每根信號(hào)線的下料長(zhǎng)度及端頭處理長(zhǎng)度，確保整束電纜中每根信號(hào)線長(zhǎng)度差在20mm以內(nèi)。通過(guò)制定新型屏蔽層處理方法，確保每根信號(hào)線的屏蔽缺口在10mm以內(nèi)。在此工藝方案的保證下，所加工出的各束電纜滿足各項(xiàng)性能要求。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張銳菊.Q/W 1216，航天器用LVDS接口電路設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[S]，2009-08-07.

[3]National Semiconductor.LVDS owner manual： Low-Voltage-differential signling[G]. 3rd ed 2004.

作者簡(jiǎn)介：

張則梅，女，（1985-），工學(xué)碩士，八院衛(wèi)星裝備研究所，主任工藝師（高級(jí)工程師），飛行器設(shè)計(jì)專業(yè).