线缆设计初学者（小白篇）

目前我们提到线缆设计，一般会引用相关的规范来设计线缆结构，比如电源线一般依UL，IEC，JIS，GB等相关标准设计（如：SVT、SJT、H05VV-F，H03VVH2-F、VCTF、RVV等），电脑周边设备用线一般依UL ，CSA等相关标准设计（如UL 1061、UL 2464、UL 2725等）；特殊结构及特性标准一般还会参考协会的规范（如：USB协会，Serial ATA协会，IEEE 1284，IEEE1394，DVI 协会，HDMI协会等）；目前各电线标准里面一般都会详细规定导体尺寸，绝缘材质、厚度，外被材质、厚度，线材形状等参数，其实设计线缆很简单，没有你想的那么难，今天一起来看看线缆设计初学者.

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电线设计原理与技巧---导体篇

铜线导体的组成种类繁多，如7/0.05mm,7/0.06mm,7/0.08mm,19/0.08mm等等，那么这些组成如何区分，如何确定是什么规格，如何判定符不符合UL标准呢？

导体组成因需要的不同而多种多样，如果没有一个统一的判定标准，将很令人头疼。在UL758里就专门有对导体的规格标准的详述，它的标准为AWG，就是American Wire Guage,中文意思是“美国线材规格”，也就是我公司所参照的标准。它把导体分为单铜（单条铜导体）和绞铜（多条铜导体绞合成的铜导体），单铜根据直径大小划分规格﹔绞铜根据截面积大小划分规格，以下所示更多细节请查阅：

导体大小（Size）：导体大小通常用AWG（American Wire Gauge）表示.

AWG数是根据导体截面积（Cross-sectional Area）来定义的，AWG数越大，导体截面积越小，反之亦然。

导体截面积常用mm2或Cmil表示

导体截面积的计算：

S（mm2）=N*π*（d/2）2S（Cmil）=N*（d*39.37）2

N---导体条数   d---单条导体直径   π---圆周率(3.14159)

(续)常用导体AWG数与截面积对应表：

导体绞合（Strand）：为提高导体强度，通常采取将多条铜线绞合的方式

绞距( Length of Lay）：在绞线轴线方向一个完整螺旋线之间的距离

绞合铜线中单根铜线条数和直径一般不作规定，满足截面积要求即可（某些有特殊规定的电源线除外，如VDE等）

单束束绞绞合铜导体最大绞距：

导体绞距的测量及绞合直径的计算：·导体绞距的测量：将绞合导体中的某条导体从一点开始按与绞向相反方向退扭10圈后到达另一点，两点间的距离除以10即为绞距值。

绞合直径：D=√N*1.155*d   【 N---导体条数    d---单条导体直径】

增强导体强度的方法：减小导体绞距·导体绞合时加黄旦丝或尼龙丝填充（如为了增强线材的弯曲测试性能，可从上述两方面进行改善）

单位换算      

单铜导体可通过用千分尺或者螺旋测微表直接测量直径，对照标准确定规格即可﹔绞铜导体不能直接测量，而要通过计算截面积来确定规格。UL 758导体标准里有用mil(密尔)和 cmil(圆密尔)作单位，所以先要懂得它们和国际单位（公制单位）的换算。mil(密尔)是长度单位，cmil(圆密尔)是面积单位。

1inch = 25.4mm= 1000 mil；1mm =39.37mil；

1inch2 = 106 cmil；1mm2 = 39.372 cmil = 1550 cmil

截面积的计算

UL758对导体截面积的计算，和我们以前学习到的计算圆的面积不一样，

假设：A 为截面积，单位为cmil或mm2﹔d为绞铜组成中单根铜线的直径，单位为mil或mm﹔n为绞铜导体由单根直径为d组成的条数﹔则其截面积为

A = 0.7854*nd2

这里需特别指出：上面的计算公式只适用于确定导体规格标准时截面积的计算，不能用于其它面积计算!

举例：请计算导体7/36AWG = 7/0.127mm(36AWG Solid = 0.127 mm)是属于什么规格的.

解：n = 7, d = 0.127*39.37mil, 则

A = 0.7854*n*d2 =7*(0.127*39.37)2 = 174.9993cmil

对照表UL758导体规格标准可知，它属于28AWG的导体.

导体的绞距

绞铜导体的绞距在UL758里也有相应的标准，根据绞铜导体的规格大小，规定了它们的最大绞距，具体如下表：

常用的铜导体选择

裸铜 BC(Bare Copper)

(1)耐热150oC MAX,导电率约=98%,抗张275MPA,伸长率15%MIN,比重8.89,不含任何其他金属合金或镀层的纯铜导体.

(2)优点:单价低,导电率高,电阻低

(3)缺点:易氧化

镀锡铜 TC(Tin-Coated Copper)

(1)耐热150oC MAX,导电率约=94%,抗张275MPA,伸长率10%MIN,铜表面镀上一层锡,以防止铜导体氧化或微酸腐蚀    (硫酸.醋酸)并增加焊接性.

(2)镀锡绞线TSC可分为

(a)先镀后绞简称镀绞:铜线镀锡后绞合

优点:镀锡较易,成本较低

缺点:绞线较容易鬆开

(b)先绞后镀Top-Coating:裸绞铜先绞合后,再在表层镀上一层锡

优点:镀锡较易,成本较低

缺点:镀锡较困难,易有锡球,成本较高

镀银铜 SCC(Silver-Coated Copper)

(1)铜表面镀上一层银.增加传输效果,减低衰减.耐热200oC MAX,高温绝缘材料被覆不易氧化.常用于同轴线导体.比重8.89

镀银铜包钢 SCCS(Silver-Coated Copper Clad Steel)

(1)铜包钢表面镀上一层银.增加传输效果,减低衰减.耐热200oC MAX,高温绝缘材料被覆不易氧化.常用于同轴线导体.

导电率30%比重约为8.06,导电率40%比重约8.2

铜箔丝 (Tinsel Wire)

(1)硬铜线延压成薄片再缠绕在尼龙丝上即成铜箔丝.

常用于电话线导体和Coil Cord(卷线)有较好的弯曲强度及增加卷线弹性.

裸铜铜箔(Bare flat foil copper)

常用于FFC排线导体

镀锡铜箔(Tin-Coated flat foil copper)

常用于FFC排线导体

小编小结：目前市场上的线材成品分为消费类产品和工业类产品，工业类关注的就是电阻值及可能发生的导体过热引起的短路等，故导体的材质和截面积是做为工业类产品需要关注和研究保护的对象，而消费类市场的产品就分为高频，高速，其对铜线的要求就甚高，从导体的截面积，导体的材质，导体的过程处理，特别是后面提到的导体表面的处理就显的尤为重要，当频率超过300MHZ我们通过传输线理论数据说明，其线材可以称之为传输线，频率越高，讯号基本的通道均在铜材的表面，我们称之为集肤效应，集肤效应在高频对讯号的影响基本是致命的，其导体表面的处理值得行业前辈和同行进行研究，如何保证导体表面高的光洁度来保证讯号传输的无回损，谢谢！

电线设计原理与技巧---绝缘篇

常用绝缘材质有PVC（PolyVinyl Chloride ，聚氯乙烯)、SR-PVC（Semi-rigid PVC，半硬质PVC）、PP (Polypropylene，聚丙烯）、PE（Polyethylene，聚乙烯）、Foam-PE、Foam-PE+Skin等；绝缘材质的选用一般依线材电气特性及相应安规标准确定；目前市场常用的塑料一般都比较轻,它的实体相对密度约在0.83~2.2之间,多数介于1~1.5之间.以下为电线用橡胶及塑胶常用材料比重一览表  (作为参考)

以上介绍各绝缘之延伸率及抗张强度因其使用在何种类型之线材以及其额定温度.CLASS等级不同即有所不同.所以仅为参考(均为老化前之要求),实际作业时请查对应之UL.IEC等安规要求.

如UL444为通讯电缆之安全规范

UL758为AWM电缆之安全规范

UL1581为一般电缆之通用安全规范

UL62为POWER CABLE之安全规范

PVC (Poly Vinyl Chloride)聚氯乙烯

(1)可调整各种硬度，透明或不透明.透明的硬质PVC加入可塑剂(DOP.DIDP.TOTM)成软质PVC

(2)优点:在高低温都适用,耐燃.柔软性好,单价低.

(3)缺点:PVC耐热性不很好.介电系数会因温度及频率高低变化,电气特性较难控制.加热会脱盐酸变黑,燃烧时有黑烟及碳渣辛辣味,不助燃.燃烧时会产生有毒气体.

(4)用途:用于电压600V以下AWM及电脑线大都用PVC. (电线绝缘或外被材料)比重:1.20~1.50

PVC聚氯乙烯(软质)比重:1.2

PVC聚氯乙烯(硬质)比重:1.4

通常以比重1.5去计算用量

延伸率150~400%,抗张强度1.2~1.5kg/mm2(1kg/mm2=1422PSI)

UL758.1581安规要求:AWM类电线延伸率100% min,抗张强度1500PSI min

UL444安规要求通讯电缆延伸率100% min,抗张强度2000PSI min

SR-PVC (Semi-Rigid Poly Vinyl Chloride) 半硬質PVC

(1)优点:强度比一般PVC大.

(2)缺点:因硬度较高,高温老化后延伸会降低.

(3)用途:一般用于电脑线的芯线绝缘材料.

密度:1.35~1.50

通常以1.5去计算用量

UL444安规要求:延伸率100% min,抗张强度3000PSI min

PP (Polypropylene) 聚丙烯

(1)PP是发展很快.应用很广的一种热塑性塑料.

(2)优点:与其它通用热塑性塑料比较,PP具有比重小.刚性好.强度高.耐绕曲以及有高于100C的耐热温度和良好的耐化学腐蚀性.价格低廉等优点.

(3)缺点:低温耐冲击性较差,易老化,成型收缩率大.燃烧时会有燄滴.不易熄灭快速完全烧掉,有延燃情形.

(4)用途:PP+EVA用于电线的芯线绝缘材料,一般用于通讯电缆及电话线等.

比重为0.90~0.91

延伸率200~700%,抗张2.0~4.0kg/mm2(1kg/mm2=1422PSI)

UL1581安规要求:延伸率150% min,抗张强度3000PSI min

EVA (Ethylene Vinyl Acetate)乙烯—醋酸乙烯脂共聚物

(1)乙烯-醋酸乙烯脂共聚物(Ethylene Vinyl Acetate)是由乙烯和醋酸乙烯脂共聚而成,代号是E/VAC,简称为EVA.

EVA是一类具有类似橡胶弹性的热塑性塑料.

(2)EVA与填料.色料的相容性很好,可与PP.PE.PVC相容良好. EVA具有良好的弹性和可低温可绕性.耐候性.

(3)缺点:相容比例过量时,会产生电线芯线外观破坏,降低绝缘及耐压强度.耐油性能差.

(4)用途:通常用作聚氯乙烯和橡胶的改性剂.良好的发泡体基材及软化剂.如PP+EVA用在电话线芯线料.

比重0.943

延伸率抗张强度不做要求

PE (Polyethelene)   聚乙烯

(1)可分HDPE(高密度PE)

MDPE(中密度PE)应用不广泛

LDPE(低密度PE)

LLDPE(线性低密度PE)

FRPE(阻燃PE)

Cellular或FOAM PE(发泡PE)

XL-PE(交联PE)

(2)优点:PE比水轻.柔软.耐水性.耐寒.耐磨耗.电气特性佳.

(3)PE易不熄灭.不耐热,高温时会急速老化.

(4)用途:一般用于通讯用对绞线,高频同轴电缆.高压电缆.海底电缆.户外自持线.通讯电缆等

High Density Polyethylene (HDPE) 高密度聚乙烯

(1)高密度聚乙烯用低压法生产,故又称之为低压聚乙烯.

(2)优点:(a)耐化学性 (b)好的电气特性

(3)缺点:(a)较差的耐热性(b)比较低的物性(c)软的表面

(d)有很高的热膨胀系数，且在机械和热的压迫下容易

失败.比重为0.94~0.97

延伸率100~400%,抗张1.0~2.0kg/mm2(1kg/mm2=1422PSI)

UL444安规要求:延伸率300% min,抗张2400PSI min

Low Density Polyethylene (LDPE) 低密度聚乙烯

(1)传统的低密度聚乙烯是用聚合级的乙烯以氧或过氧化物为引发剂,在高温高压下进行游离基聚合而制得的,故又称之为高压聚乙

绝缘厚度（Thickness of Insulation）：

一般电线电缆标准会规定绝缘最小平均厚度（Min Average Thickness）和任意点最小厚度（Min Thickness at Any Point）.（如：UL 1061规定绝缘材质为SR-PVC，最小平均厚度为9Mil（0.23mm）、任意点最小厚度为7 Mil（0.18mm） 1Mil=1Inch/1000=0.0254mm

绝缘外径（Diameter of Insulation）：

绝缘外径D2=导体绞合外径D+绝缘平均厚度t1*2【如UL 1061 28AWG电子线(Hook-up Wire)：导体绞合外径D=√N*1.155*d  =√7*1.155*0.127  =0.388mm    绝缘外径D2 =绞合外径D+绝缘平均厚度t*2 =0.388+0.23*2  =0.85mm

电线设计原理与技巧---绞线集合篇

集合时绞线方向一般不作规定（多为S向）

集合绞距设定为集合完成外径的20-30倍

集合时，各芯线应按一定规律排列，使集合后外观圆整

若集合时外观不圆整，允许加适量填充物填充，以保证线材圆整

为了防止外被与芯线粘连，可在两者之间添加隔离物，即在集合时增加包带.

包带（Wrapped Tape）：

棉纸---抗张强度及伸长较差，价格便宜

透明麦拉---抗张强度及伸长较好，无屏蔽效果

麦拉铝箔---抗张强度及伸长较好，有屏蔽效果，但绝缘效果不及展翅铝箔

展翅铝箔---抗张强度及伸长较好，有屏蔽效果，绝缘效果好，价格高

包带（Wrapped Tape）：

包带厚度用μm（1 μm=0.001mm）表示.

常用棉纸厚40 μm、麦拉铝箔厚20μm·透明麦拉厚30μm、展翅铝箔厚43μm·包带宽度依集合外径和重叠率而定。·包带宽度=集合外径* π*(1+重叠率)·如：UL 2464 26AWG*7C铝箔宽度为：D=(1.0*3)* π*(1+25%)≈12mm(通常重叠率要求为25%，π*(1+25%)≈4，所以一般将绞合外径*4即为包带宽度）

集合外径的计算：

若集合芯线有两种或以上不同外径，集合外径可用几何图形模拟算出

若集合芯线为相同外径，集合外径可用如下公式算出：

集合外径D3=芯线绝缘外径D2*绞合系数

如：UL 2464 26AWG*7C；

集合外径为：集合外径D3=芯线绝缘外径D2*绞合系数 =1.0*3 =3mm

多芯线集合排列规则及绞合系数表：

电线设计原理与技巧---屏蔽篇

屏蔽就是为了减弱电磁场的干扰，利用金属层将主串回路和被串回路隔开

依要求抗干扰的强弱，可采用单屏蔽和双屏蔽

单屏蔽一般采用包铝箔屏蔽

双屏蔽一般采用包铝箔后再加编织（或缠绕）屏蔽

编织屏蔽（ Braid Shield ）：

编织屏蔽可消除各个方向上的干扰, 屏蔽效果高,结构稳定, 外观圆整

屏蔽效果与编织率有关

编织率与编织锭数、每锭股数、编织线直径、编织目数及编织内线径有关

编织率的计算(θ为编织角):   Tgθ=[2* π *(D+2d)*P]/(25.4*C)  F=(N*P*d)/(25.4*Sinθ)  ρ=(2F-F2)*100%

D---编织内线径    d---编织线直径   P---目数   C---锭数   N---每锭股数

编织屏蔽（ Braid Shield ）：如：编织内线径为1.6mm，编织16/5/0.10，7.99目，求编织率。

Tgθ=[2 *3.14159*(1.6+2*0.1)*7.99]/(25.4*16) =0.22234547 Sinθ= Tgθ/√ (Tg2θ+1) = 0.2170536    F= (5*7.99*0.1)/(25.4*0.2170536)=0.724629   ρ=(2* 0.724629 – 0.7246292)*100%    =92.41%  （目数为1 Inch(25.4mm)内编织菱形的个数）

缠绕屏蔽（Spiral Shield）

缠绕铜线条数的计算：N=[(D+d)* π]/d·以上N为屏蔽率为100%时的铜线条数。·屏蔽率ρ=(实际缠绕铜线条数)/N*100%    如：缠绕内线径为2.0mm，缠绕63/0.10，求屏蔽率。  N=[(2.0+0.1)* 3.14159]/0.1  =65  ρ=(63/65)*100%=97%

D---缠绕内线径        d---缠绕线直径

电线设计原理与技巧---外被篇

外被（Jacket）：

常用外被材质有PVC（PolyVinyl Chloride)、PU（Polyurethane）、TPE（Thermo Plastic Elastomer）、TPR（ Thermo Plastic Robber）等，外被材质一般依安规标准或客户要求而确定

外被厚度（Thickness of Jacket）：

一般电线电缆标准会规定外被最小平均厚度（Min Average Thickness）和任意点最小厚度（Min Thickness at Any Point）

除此规定外，外被厚度的确定还应考虑实际生产能力。（如：UL 2725规定外被最小平均厚度为9Mil（0.23mm）、任意点最小厚度为7 Mil（0.18mm），但实际生产时一般会超过此标准。)   ---  1Mil=1Inch/1000=0.0254mm

外径（Diameter of Jacket）：

完成外径D4=集合外径D3+包带层厚度t2+屏蔽层厚度t3+外被平均厚度t4*2 如:UL 2464 26AWG*7C+AL+D+B(16/6/0.10T)线材完成外径：完成外径D4=集合外径D3+包带层厚度t2+屏蔽层厚度t3+外被平均厚度t4*2  =1.0*3+0.25*4+0.10*4+0.76*2    ≈5.1mm

包带层厚度=包带厚度*4  ---屏蔽层厚度=编织铜线直径*4(或缠绕铜线直径*2)

护套印字（UL线材表面印字介绍说明）

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