1. 背景描述

由于工業(yè)現(xiàn)場控制場景中，會(huì)使用臺(tái)式機(jī)或筆記本作為master或上位機(jī)，通過USB進(jìn)行通訊互聯(lián)。但由于工業(yè)產(chǎn)品的USB端口設(shè)計(jì)與民用產(chǎn)品的USB端口設(shè)計(jì)為適應(yīng)各自的應(yīng)用場景，導(dǎo)致設(shè)計(jì)理念不同，從而在進(jìn)行互聯(lián)調(diào)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(dǎo)致現(xiàn)場應(yīng)用不穩(wěn)定，甚至?xí)a(chǎn)生損壞燒毀的主要因素，本文對(duì)工業(yè)驅(qū)動(dòng)器與民用電腦的交叉應(yīng)用場景下的工頻壓差進(jìn)行分析說明。

2. 案例說明

在用筆記本電腦對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)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(shí)-GND與PE的壓差

GND網(wǎng)絡(luò)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(cè)不接地：不影響，GND與PE不存在工頻壓差；

（2）驅(qū)動(dòng)器側(cè)不接地：不影響，GND與PE不存在工頻壓差；

重要路徑標(biāo)識(shí)

（3）單端不接地小結(jié)

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(diǎn)幾V的量級(jí)。

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(qū)動(dòng)器側(cè)都不接地

Vgnd-PE的壓差依然為零。但因?yàn)闆]有地線，實(shí)際GND與地（PE）間的壓差為設(shè)備PE網(wǎng)絡(luò)與配電地（PE）間的壓差，但不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)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(xiàng)中電腦側(cè)不接地相同；

5. 臺(tái)式電腦組網(wǎng)的工頻壓差分析

5.1 臺(tái)式電腦組網(wǎng)組網(wǎng)示意圖

5.2 臺(tái)式電腦組網(wǎng)的阻抗分布

臺(tái)式電腦阻抗分布圖

臺(tái)式電腦的機(jī)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(shí)的分析方法同上3.4項(xiàng)。

6. USB隔離器的工頻壓差分析

USB隔離器與驅(qū)動(dòng)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(shí)工頻噪聲流向分析

7.1 未接USB的工頻壓差

只有驅(qū)動(dòng)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(qiáng)制拉到零。會(huì)有瞬間大電流，流過GND。因GND波動(dòng)，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?yàn)楦咦柽B接，USB隔離器側(cè)的壓差，會(huì)瞬間拉到與驅(qū)動(dòng)器的壓差相同。

8. 問題解決重點(diǎn)

（1）驅(qū)動(dòng)器的TVS管在接地不良時(shí)，工頻壓差可能會(huì)導(dǎo)致TVS管動(dòng)作

• 可用方法：TVS管選型規(guī)格升高；

（2）如何能夠穩(wěn)定的進(jìn)行上下電動(dòng)作

• 可用方法：消除工頻壓差

9. 電路如何設(shè)計(jì)

9.1 民用品設(shè)計(jì)

某機(jī)構(gòu)推薦電路（消費(fèi)類電子）：

推薦電路

9.2 工業(yè)品不良設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器因電路要兼顧消費(fèi)電子類與工業(yè)結(jié)合場景，導(dǎo)致以下電路不適合所有工況，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)：

驅(qū)動(dòng)器USB電路

9.3 兼容民用與工業(yè)電路設(shè)計(jì)

結(jié)合行業(yè)推薦與應(yīng)用，推薦設(shè)計(jì)電路如下：

• 優(yōu)點(diǎn)：消除共模壓差，及上電插拔帶來的影響；
• 缺點(diǎn)：需要設(shè)計(jì)接地點(diǎn)位置，防止PE噪聲進(jìn)入；