[Q&A]:壓降是什么引起的?線阻對壓降的大小起決定性因素

最近很多做USB Type C 充電線的同行在工程研發群討論壓降的問題,今天我們就細化說明下,壓降是什麼引起的?線阻對壓降的大小起決定性因素

為什麼壓降對充電效率有明顯影響?

壓降就是指線材兩端的電壓差,例如線材的輸入端接上了一個5V的電源,但是在輸出端只檢測到4.8V的電壓,那這條線材的壓降就是0.2V。那麼壓降是怎麼產生的呢?實際上我們充電線所用的材料雖然是良好的電導體,但是其終歸不是超導體,內部是存在電阻的,因此當我們用充電線把充電器和手機連起來後,就相當於在一個電路中串聯了一個電阻,而充電回路形成後,充電線中就會有電流通過,有電阻和電流的存在,線材兩端自然就會產生電壓,而這個電壓的值就是壓降值。

支持5A電流的線材,如果通過3A電流時壓降僅為0.3V,相當於0.9W損耗

那為什麼說壓降會是一個判斷充電效率的關鍵呢?那是因為在充電過程中,終端設備的輸入電壓都是經過充電線“壓降”處理的,舉一個簡單的例子,當充電器輸出電壓為5V,充電回路電流為2A的時候,使用壓降為0.2V的充電線意味著終端設備的輸入電壓為4.8V,總輸入功率為9.6W;而使用壓降達到0.4V的充電線時,則就意味著終端設備的輸入功率只有2A*4.6V=9.2W了,線材帶來了額外的0.4W損耗。輸入功率越低意味著充電速度越慢,這就是線材的壓降能影響著充電效率的主要原因,一條基本的充電線,最基本的電器參數就是電阻,壓降,電壓等,今天我們就一起聊聊資料線的電阻,壓降和電流等基礎知識,現在用不到,存起來,也許某天和客戶溝通的時候就會用得到.

基礎知識普及

電阻【Resistance】單位是Ohm

17.5÷截面積(平方毫米)=每千米電阻值(Ω)

導體電阻 — 導體之電阻與其長度成正比與其截面積成反比

導電率—以20℃時長度為1m、截面積為1mm2之標準軟銅線之電阻1/58ohm(0.017241 ohm)為基準,稱為100%導電率,電阻愈大,則導電率愈低,兩者成反比例.電壓與電流是同相的(in-phase).

▧R=ρL/S (其中,ρ表示材質的電阻率【導電係數conductivity】,是由其使用材質本身性質決定,L表示材質使用的長度,S表示使用材質的橫截面積),

▧定義式:R=U/I

▧串聯電路中的總電阻:R=R1+R2+R3+……+Rn

▧並聯電路中的總電阻:1/R=1/R1+1/R2+……+1/Rn

▧通過電功率求電阻:R=U²/P;R=P/I²

一些常用物質的導電係數參考(阻抗是固定的, 也就是電壓與電流的比值, 就是電阻值R, 與頻率無關)

Material Conductivity(S/m) Material  Conductivity(S/m)
Silver 6.17* 10^7 Fresh water 10^-3
Copper 5.80* 10^7 Distilled water 2 * 10^-4
Gold 4.10* 10^7 Dry soil 10^-5
Aluminum 3.54* 10^7 Transformeroil 10^-11
Brasse 1.57* 10^7 Glassa 10^-12
Bronze 1 * 10^7 Porcelaino 2* 10^-13
Iron 1 *10^7 Rubber 10^-15
Seawater 4 Fused quartz 10^-17

美制線規對應截面積及絞線節距參考

導體規格

AWG

單條導體直徑(截面積)

絞銅導體的截面積

標準尺寸

最小尺寸

標準尺寸

最小尺寸

50

0.99

0.0251

0.98

0.025

0.95

0.000497

0.96

0.000486

49

1.11

0.0282

1.1

0.028

1.23

0.000624

12.1

0.00613

48

1.24

0.0315

1.23

0.031

1.54

0.000768

1.51

0.000765

47

1.4

0.0356

1.39

0.035

1.96

0.000993

1.92

0.000973

46

1.57

0.0399

1.55

0.029

2.46

0.00125

2.41

0.00122

45

1.76

0.0447

1.74

0.044

3.1

0.00157

3.04

0.00154

44

2.0

0.051

1.98

0.050

4.00

0.00203

3.92

0.00198

43

2.2

0.056

2.18

0.055

4.84

0.00245

4.74

0.00240

42

2.5

0.064

2.48

0.063

6.25

0.00317

6.13

0.003115

41

2.8

0.071

2.77

0.070

7.84

0.00393

7.92

0.004731

 

美製線規

標稱截面積

最小截面積

節距

30

0.0507

0.0497

6-8

28

0.0804

0.0790

9-11

26

0.1280

0.1260

11-13

24

0.2050

0.1990

14-16

22

0.3240

0.3140

16-19

20

0.5190

0.5090

21-24

18

0.8230

0.8070

27-32

16

1.3100

1.2700

32-38

14

2.0800

2.0200

37-47

這裡需特別指出:上面的計算公式只適用於確定導體規格標準時截面積的計算,不能用於其它面積計算!

舉例:請計算導體7/36AWG = 7/0.127mm(36AWG Solid = 0.127 mm)是屬於什麼規格的.

解:n = 7, d = 0.127*39.37mil, 則

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

對照表UL758導體規格標準可知,它屬於28AWG的導體

UL 758導體標準裡有用mil(密爾)和 cmil(圓密爾)作單位,所以先要懂得它們和國際單位(公制單位)的換算。mil(密爾)是長度單位,cmil(圓密爾)是面積單位。

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

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

電流:單位時間裡通過導體任一橫截面的電量叫做電流強度,簡稱電流

電流的國際單位:安培,簡稱“安”,符號 “A”

歐姆定律:電流 = 電壓 除以 電阻 I = U/R

如果電壓不變的情況下 : 電流的大小決定於電阻,電阻越大,電流越小,電阻越小電流越大.

再直接一點說就是 :電阻也就是線的粗細【導體的AWG數大小】,電線越粗【導體的AWG數越小】電流越大,電線越細【導體的AWG數越大】,電流越大;因為:線越粗,電流流的越快,阻力越小, 就像水管一個樣,水管越細,水流越小 水管越粗,水流的越大,以上通俗的道理.

經驗分享:

一般USB線材信號線按照2.0的測試標準設計為28AWG傳輸為主流,如果測試衰減,最長大約可以通過4米.

訊號線部分選擇,如果考慮直流壓降在協會要求的125mV條件,28AWG電源線使用長度建議在1米範圍,26AWG電源線建議使用長度不超過1.7米,24AWG電源線建議使用長度不超過2.7米,22AWG電源線建議使用長度不超過4.3米,20AWG電源線建議使用長度不超過5米;.按照USB2.0標準測試規格參考:協會推薦以上5種規格導體電源截面積(28,26,24,22,20AWG)

美國線規(AWG)

導體阻抗小於Ω/M

建議使用長度

28

0.232

1.0米以下

26

0.146

1.7米以下

24

0.0909

2.7米以下

22

0.0574

4.3米以下

20

0.0358

5.0米以下

備註

USB規範內規定直流降壓不能大於125mV計算出來的

 

電壓降:計算公式/(輸出電流*導體電阻)*線材長度+接觸電阻

電壓降又稱為電壓或電位差,表示為U,單位伏特(V),是描述電場力移動電荷做功本領的物理量.

舉例說明:

▧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.

▧舉個簡單的例子,例如變電站的輸出電壓是220V,而你家的電壓是215V,那麼從變電站到你家的這段電路的電壓降就是220V-215V=5V.

電壓降應該這樣解釋:電線本身存在電阻,當電流沿導線流動時,必須施加一個電壓來克服這個電阻,否則電流就不能通過;在同樣一根電線上,通過的電流越大,需要來克服這個電阻的電壓就越高(V=I*R),克服這個電阻的電壓對於供電電源來說,就是造成了“電壓降”(送過去的電壓降低了),用電量越大(I 加大)電壓降也就越大,導線電阻率越大、導線截面積越小、導線越長(R 加大)電壓降也越大.

解決方法:

1、換導電率較高的銅導線(減小R)

2、加大導線截面(減小R)

3、增加支路減小線路的負荷(減小 I)

電壓降常規測試

通過usb介面串接一個電流錶,並接一個電壓表和可變電阻負載

逐漸增大負載,測得電壓下降到4.8V(或要求值)時的電流值

電壓:電壓(v)是以電荷形式存儲的電源的勢能

電壓可以被認為是推動電子通過導體的力,並且電壓越大,其“推動”電子通過給定電路的能力就越大。由於能量具有做功的能力,勢能可以被描述為:圍繞電路從一個節點到另一個節點的以電流形式移動電子,該移動過程所需要的焦耳數。

然後,電路中任何兩個點、兩端(或稱為節點)之間的電壓差被稱為電勢差(p.d.),通常稱為電壓降

兩點之間的電勢差用電路符號“V”或者小寫“v”表示,以伏特測量,儘管能量E,小寫“e”有時用於表示產生的電動勢(emf,electromotive force)。電壓越大,壓力(或者推力)就越大,做功的能力也就越大。(譯者注:概念有點模糊,沒關係,繼續往下看,不影響理解的。)

擁有恒定電壓源的電壓被成為直流電壓(DC Voltage),而隨時間週期性變化的電壓稱為交流電壓(AC voltage)。電壓以伏特為測量,其中1伏特定義為:使1安培電流通過1歐姆電阻所需要的電壓。電壓通常用伏特表示,其中首碼用於表示電壓量的子倍數,例如:微伏(μV = 10-6),毫伏(mV = 10-3V)或千伏(kV = 103V)。電壓數可正可負。

電池或電源主要用於在電子電路和系統中產生穩定的直流(D.C.)電壓,例如5v,12v,24v等【我們線纜行業應用的電壓等級】,而交流(A.C.)電壓可用於家用和工業電源、照明以及電力傳輸。英國的電源電壓目前為230V交流電,美國是110V交流電。(譯者注:中國大陸普遍是220V交流電)

通用電子電路在1.5V到24V之間的低壓直流電池電源上工作。恒定電壓源的電路符號通常用電池符號,帶有表示極性方向的正極+和負極-來表示。交流電壓源的電路符號是用內部具有正弦波的圓來表示.

 

相信現在的你對電壓、電流和電阻之間的密切關係有著一定的瞭解,電壓、電流和電阻之間的關係形成歐姆定律的基礎,在固定電阻的線性電路中,如果增加電壓,電流就會上升,類似地,如果降低電壓,電流就會下降。這就意味著,電壓高,則電流高;電壓低,則電流低。

同樣地,如果我們固定電壓,增加電阻,電流就會下降;如果減小電阻,電流就會上升。這意味著,電阻大,則電流低,電阻小,則電流高.

因此,我們可以看出電路中電流與電壓成正比(∝),(V↑導致I↑),但與電阻成反比(1/∝),因為(R↑導致I↓).

如何選擇一條好的資料線

一般普通消費者選擇粗的資料線即可,一般正規廠商都是採用增大截面積的方式來彌補長度所帶來的線阻,但這樣得做法往往會大幅度增加線材的成本,因此這些更長也更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,這樣的資料線往往長度越長壓降就越明顯,當然我們並不是說這樣的資料線不能使用,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。目前資料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,但相比銅是要低很多。對於長度很短的資料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,這就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。我們此前曾經對蘋果的MacBook Pro 16標配的充電資料線進行過測定,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為鋁材質,那麼理論上其線阻將變為0.200Ω,4.7A電流下的壓降就變成0.94V,相當於損失了4.42W的能量。

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