1. 背景描述

由于工業現場控制場景中，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。但由于工業產品的USB端口設計與民用產品的USB端口設計為適應各自的應用場景，導致設計理念不同，從而在進行互聯調試過程中，出現各種各樣的問題，特別是通訊端口工頻壓差，是導致現場應用不穩定，甚至會產生損壞燒毀的主要因素，本文對工業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USB電路損壞問題，組網示意圖如下：

案例組網示意圖

3. 電腦端帶PE適配器組網的工頻壓差分析

3.1 電腦帶PE適配器的組網示意圖

筆記本電腦端帶PE適配器組網示意圖

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適配器組網示意圖

不帶PE筆記本電腦組網示意圖

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. 臺式電腦組網的工頻壓差分析

5.1 臺式電腦組網組網示意圖

5.2 臺式電腦組網的阻抗分布

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管選型規格升高；

（2）如何能夠穩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 工業品不良設計

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

驅動器USB電路

9.3 兼容民用與工業電路設計

結合行業推薦與應用，推薦設計電路如下：

• 優點：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；