工业与民用交叉应用场景下工频压差对USB电路有何影响？

1. 背景描述

由于工业现场控制场景中，会使用台式机或笔记本作为master或上位机，通过USB进行通讯互联。但由于工业产品的USB端口设计与民用产品的USB端口设计为适应各自的应用场景，导致设计理念不同，从而在进行互联调试过程中，出现各种各样的问题，特别是通讯端口工频压差，是导致现场应用不稳定，甚至会产生损坏烧毁的主要因素，本文对工业驱动器与民用电脑的交叉应用场景下的工频压差进行分析说明。

2. 案例说明

在用笔记本电脑对驱动器进行操作过程中，出现USB电路损坏问题，组网示意图如下：

案例组网示意图

3. 电脑端带PE适配器组网的工频压差分析

3.1 电脑带PE适配器的组网示意图

笔记本电脑端带PE适配器组网示意图

3.2 电脑带PE适配器的阻抗分压分析

阻抗分布示意图

3.3 阻抗分布

阻抗-万用表测量值

3.4 GND与PE分压分析

3.4.1 接地良好时-GND与PE的压差

GND网络与PE是相互连接的，GND与PE不存在工频压差。

3.4.2 单端不接地-GND与PE的压差

（1）电脑侧不接地：不影响，GND与PE不存在工频压差；

（2）驱动器侧不接地：不影响，GND与PE不存在工频压差；

重要路径标识

（3）单端不接地小结

GND与PE的分压阻抗主要取决于USB的GND线缆和USB屏蔽层阻抗，只要接触良好，工频压差只是线缆上的分压，非常小，零点几V的量级。

3.4.3 双端都不接地-GND与PE的压差

双端都不接地，主要分压电阻为Z6、Z7，如图：

电脑与驱动器侧都不接地

Vgnd-PE的压差依然为零。但因为没有地线，实际GND与地（PE）间的压差为设备PE网络与配电地（PE）间的压差，但不会影响驱动器TVS管。

4. 电脑端不带PE适配器的工频压差分析

4.1 电脑端不带PE适配器组网示意图

不带PE笔记本电脑组网示意图

4.2 GND与PE分压分析

分析方法与3.4项中电脑侧不接地相同；

5. 台式电脑组网的工频压差分析

5.1 台式电脑组网组网示意图

5.2 台式电脑组网的阻抗分布

台式电脑阻抗分布图

台式电脑的机箱地与USB金属壳及USB的GND是连接在一起的，在接地良好下，GND与PE间不存在工频压差。接地不良时的分析方法同上3.4项。

6. USB隔离器的工频压差分析

USB隔离器与驱动器连接阻抗分布：

USB隔离器因GND与PE是高阻连接，工频压差没有改善。

7. USB插拔时工频噪声流向分析

7.1 未接USB的工频压差

只有驱动器的压差分布示意图

GNG与PE压差为Vgnd-PE=VDC-和PE，为Z3//（Z5+Z2）上压差参见表2，压差由Z3、Z5和Z2决定。

压差测量值

7.2 上电接USB的工频噪声流向

7.2.1 USB线缆直连

USB插拔瞬间，压差要强制拉到零。会有瞬间大电流，流过GND。因GND波动，USB电路器件可能超规格而受损。

USB插拔瞬间电流流向

7.2.2 USB隔离器连接

USB隔离器连接的阻抗分布

因为高阻连接，USB隔离器侧的压差，会瞬间拉到与驱动器的压差相同。

8. 问题解决重点

（1）驱动器的TVS管在接地不良时，工频压差可能会导致TVS管动作

• 可用方法：TVS管选型规格升高；

（2）如何能够稳定的进行上下电动作

• 可用方法：消除工频压差

9. 电路如何设计

9.1 民用品设计

某机构推荐电路（消费类电子）：

推荐电路

9.2 工业品不良设计

驱动器因电路要兼顾消费电子类与工业结合场景，导致以下电路不适合所有工况，需要优化设计：

驱动器USB电路

9.3 兼容民用与工业电路设计

结合行业推荐与应用，推荐设计电路如下：

• 优点：消除共模压差，及上电插拔带来的影响；
• 缺点：需要设计接地点位置，防止PE噪声进入；