1. 背景描述

由于工業(yè)現(xiàn)場控制場景中，會使用臺式機或筆記本作為master或上位機，通過USB進行通訊互聯(lián)。但由于工業(yè)產(chǎn)品的USB端口設計與民用產(chǎn)品的USB端口設計為適應各自的應用場景，導致設計理念不同，從而在進行互聯(lián)調試過程中，出現(xiàn)各種各樣的問題，特別是通訊端口工頻壓差，是導致現(xiàn)場應用不穩(wěn)定，甚至會產(chǎn)生損壞燒毀的主要因素，本文對工業(yè)驅動器與民用電腦的交叉應用場景下的工頻壓差進行分析說明。

2. 案例說明

在用筆記本電腦對驅動器進行操作過程中，出現(xiàn)USB電路損壞問題，組網(wǎng)示意圖如下：

案例組網(wǎng)示意圖

3. 電腦端帶PE適配器組網(wǎng)的工頻壓差分析

3.1 電腦帶PE適配器的組網(wǎng)示意圖

筆記本電腦端帶PE適配器組網(wǎng)示意圖

3.2 電腦帶PE適配器的阻抗分壓分析

阻抗分布示意圖

3.3 阻抗分布

阻抗-萬用表測量值

3.4 GND與PE分壓分析

3.4.1 接地良好時-GND與PE的壓差

GND網(wǎng)絡與PE是相互連接的，GND與PE不存在工頻壓差。

3.4.2 單端不接地-GND與PE的壓差

（1）電腦側不接地：不影響，GND與PE不存在工頻壓差；

（2）驅動器側不接地：不影響，GND與PE不存在工頻壓差；

重要路徑標識

（3）單端不接地小結

GND與PE的分壓阻抗主要取決于USB的GND線纜和USB屏蔽層阻抗，只要接觸良好，工頻壓差只是線纜上的分壓，非常小，零點幾V的量級。

3.4.3 雙端都不接地-GND與PE的壓差

雙端都不接地，主要分壓電阻為Z6、Z7，如圖：

電腦與驅動器側都不接地

Vgnd-PE的壓差依然為零。但因為沒有地線，實際GND與地（PE）間的壓差為設備PE網(wǎng)絡與配電地（PE）間的壓差，但不會影響驅動器TVS管。

4. 電腦端不帶PE適配器的工頻壓差分析

4.1 電腦端不帶PE適配器組網(wǎng)示意圖

不帶PE筆記本電腦組網(wǎng)示意圖

4.2 GND與PE分壓分析

分析方法與3.4項中電腦側不接地相同；

5. 臺式電腦組網(wǎng)的工頻壓差分析

5.1 臺式電腦組網(wǎng)組網(wǎng)示意圖

5.2 臺式電腦組網(wǎng)的阻抗分布

臺式電腦阻抗分布圖

臺式電腦的機箱地與USB金屬殼及USB的GND是連接在一起的，在接地良好下，GND與PE間不存在工頻壓差。接地不良時的分析方法同上3.4項。

6. USB隔離器的工頻壓差分析

USB隔離器與驅動器連接阻抗分布：

USB隔離器因GND與PE是高阻連接，工頻壓差沒有改善。

7. USB插拔時工頻噪聲流向分析

7.1 未接USB的工頻壓差

只有驅動器的壓差分布示意圖

GNG與PE壓差為Vgnd-PE=VDC-和PE，為Z3//（Z5+Z2）上壓差參見表2，壓差由Z3、Z5和Z2決定。

壓差測量值

7.2 上電接USB的工頻噪聲流向

7.2.1 USB線纜直連

USB插拔瞬間，壓差要強制拉到零。會有瞬間大電流，流過GND。因GND波動，USB電路器件可能超規(guī)格而受損。

USB插拔瞬間電流流向

7.2.2 USB隔離器連接

USB隔離器連接的阻抗分布

因為高阻連接，USB隔離器側的壓差，會瞬間拉到與驅動器的壓差相同。

8. 問題解決重點

（1）驅動器的TVS管在接地不良時，工頻壓差可能會導致TVS管動作

• 可用方法：TVS管選型規(guī)格升高；

（2）如何能夠穩(wěn)定的進行上下電動作

• 可用方法：消除工頻壓差

9. 電路如何設計

9.1 民用品設計

某機構推薦電路（消費類電子）：

推薦電路

9.2 工業(yè)品不良設計

驅動器因電路要兼顧消費電子類與工業(yè)結合場景，導致以下電路不適合所有工況，需要優(yōu)化設計：

驅動器USB電路

9.3 兼容民用與工業(yè)電路設計

結合行業(yè)推薦與應用，推薦設計電路如下：

• 優(yōu)點：消除共模壓差，及上電插拔帶來的影響；
• 缺點：需要設計接地點位置，防止PE噪聲進入；