USB線壓降測試與計算方式

壓力降（IR drop）是指流體在管路中流動時，因能量損失而造成的壓力降低‌ 。在流體流動過程中，壓降主要包括沿程摩擦壓降、重力壓力降、加速壓降和局部形阻壓降。一個電源的電壓經過一段線路或其他部件的傳送電壓有一部分就會被消耗從而降低，這降低的部分就是這段線路的電壓降，測量電源起點處的電壓與終點處的電壓，兩者之差就是電壓降。對於USB數據線來說，USB規範中定義為IR Drop，最基本的電器參數就是電阻，壓降，電壓等，目前我們做數據線的工程師被客人問最多的當然就是對應數據線可以承受多少的電流，用多大的導體比較划算，今天我們就一起聊聊數據線的電阻，壓降和電流等基礎知識，今天我們就科普細化說明下，壓降是什麼引起的？線阻對壓降的大小起決定性作用。

首先我們來看看壓降的測試方法

USB cable的壓力降測試

測試設備：DC電源，電子負載儀，USB測試板，數位萬用電錶

連接方式：

1.連接USB-A/USB-C等的測試板到DC電源；

2.連接Micro/Mini /USB-C等的測試板到電子負載儀；

3.連接USB線到測試板；

4.設定DC電源上Cable對應的電壓，比如說：5V到48V之間的數值；

5.設定電子負載儀的電流，例如：3A/5A等，如下圖：

6.調整萬用電表到電壓檔，表筆分別點測試板接點VBus/GND，讀取萬用電錶值，如下圖所示：

測試範圍：

 Lightning cable的壓降測試

測試設備

方法1 ATS測試：ATS, Apple原廠充電器, 蘋果電腦MacBook。

方法2 負載儀測試：直流電源，電子負載儀，USB測試板，lightning測試板

ATS連線方式

1. AC Charger 插入插座；

2.連接ATS到MacBook,隨後開啟ATS軟體；

3.連接lightning cable到ATS;如下圖所示：

4.連接ATS後，點選「Start Capture」,如下圖所示：

5.點選「Run USB VBus Load test」,查看測試結果，綠色即為測試合格，紅色為不合格。

負載儀連接方式：

同USB cable測試的壓力降連接方式，僅將連接負載儀端的測試板換成帶有蘋果母座的誘騙器。

測試範圍

壓降是怎麼造成的，線阻對壓降的大小有決定性作用

既然「壓降」對於數據線的充電效率有明顯的影響，那麼數據線的哪一個屬性對「壓降」會有明顯的影響呢？其實根據壓降的計算公式「電壓=電流*電阻」這點我們就可以得知，線材的電阻對於壓降會有明顯的影響。線材的電阻也就是我們常說的「線阻」了，根據「電阻=電阻率*長度/截面積」的計算公式可以得知，當線纜的材質相同也就是電阻率相同的情況下，線材的電阻與長度成正比，與截面積則成反比，因此想要降低線纜的電阻，縮短長度、加大截面積就是最直接的方法。

這就是為什麼部分比較長的數據線往往也會比較粗的原因，因為它需要透過增大截面積的方式來彌補長度所帶來的線阻，但這樣的做法往往會大幅度增加線材的成本，因此這些較長也較粗資料線往往也會賣得更貴。不過也有部分產品在增加長度的同時並不改變線材的截面積，這樣的數據線往往長度越長壓降就越明顯，當然我們並不是說這樣的數據線不能使用，只是這樣的線材充電效率確實會低一些，此外長度和截面積都相等線材也看不見得線阻會相同，線材使用的是何種材料也是很關鍵的因素。目前數據線裡面普遍都採用銅質線材，有部分高端產品可能會使用鍍銀線甚至是純銀線來降低線阻，但也有部分低端線材會採用鋁材質，鋁材質的導電率不差，但相比銅是低很多。對於長度很短的數據線來說可能影響不大，例如長度僅10-15cm的產品，但是對於長度達到1米、1.5米甚至2米或以上的線材，鋁材質帶來的線阻影響就不可忽略了。以純銅和純鋁來計算，後者的電阻率為前者的1.6倍，這意味著在相同長度和相同截面積的情況下，後者帶來的壓降會是前者的1.6倍。我們先前曾經對蘋果的MacBook Pro 16標配的充電數據線進行過測定，其線阻為0.125Ω，通過4.7A電流時產生的壓降約為0.6V，相當於損失了2.82W能量。假如這條線從銅材質變成鋁材質，那麼理論上其線阻將變成0.200Ω，4.7A電流下的壓力降就變成0.94V，相當於損失了4.42W的能量。

值得一提的是，目前仍處於主流快充模式的「高壓低電流」就是為了解決線材線壓降所造成的充電效率降低問題而開發的，同樣是充電器輸出18W功率，在5V環境下就相當於3.6A的電流，在一條線阻為0.1 Ω的線材上是壓降0.36V，既超出了±5%的要求，損耗的能量也高達1.3W；而對於9V環境來說的話就是2A電流，壓降僅0.2V，相當於0.4W的功率損失，後者的功率損失還不到前者的三分之一。因此無論是目前主流的「高壓低電流」模式或是逐步趨向統一PD充電協議，隨著充電功率的提升，電壓提升的幅度往往會比電流提升的幅度更大，這樣既可以減少線材上的功率損失，同時也可以避免線材為了通過大電流而變得過於粗壯，不便於使用者使用。當然數據線可不只是用於充電，傳輸資料也是一個很重要的作用。但是相較於用於充電的線路，用於傳輸資料的線路對線材的要求可以說是相當低了，因為其上面所經過的電流是很小的，更多時候只是用來表達電平的高低，因此當我們剪開一條數據線後，就會看到其供電線路的線纜明顯會比數據線路的線纜更粗。也正是因為這樣，對於傳輸資料的線材，連接是否牢固會比線材是否夠粗、電阻是否夠低要更為重要。也因為這樣，現在大部分的第三方數據線都會強調自家產品的電流通過能力，數據傳輸能力更多是以是否支援USB 3.0/3.1或雷電3等來表示。

電線壓降演算法

舉例問題：28AWG1.5公尺的USB電線，壓降值是多少？可以用這28AWG當做電源線用嗎：

素材準備：28AWG的導體截面積，可以自己去算，也可以網路上去查.（銅導體種類概述）

答：電阻*電流=壓降

28AWG的銅導體的電阻：電阻值一般在0.0172-0.0178之間，即1.5米的USB線材的電阻換算為，0.0172*1.5米/對應銅絲規格截面積0.0804=對應銅導體的電阻0.00207432/KKMΩMΩMΩM =0.207 Ω/ M

電流計算公式是描述電流與電壓和電阻之間的關係的數學公式。根據歐姆定律，電流通過一個導體時與電壓成正比，與電阻成反比。這意味著，當電壓增加或電阻減小時，電流也會增加。電流的計算公式是I = V/R，其中I代表電流，V代表電壓，R代表電阻。這個公式是透過將歐姆定律進行代數轉換得到的。它表示電流等於電壓除以電阻。

28AWG的1.5M銅導體的電流：I = 5V/ 0 .207 Ω/ M=2.41 A（在5V電壓的時候）

電阻*電流=壓降；0.207Ω/M* 2.41 A= 0.498 V=498 mV＞125 mV (最大125mV就是USB2.0的最大壓降標準)

結果判定：5V電壓的時候，如果用1.5米的28AWG電源線壓降太大，不建議做電源線.