简述工频电压升高带来的影响（工频电压和交流电压的区别）

一、背景说明

在工业现场控制场景中，会采用台式机或笔记本电脑作为主控机或上位机，通过USB进行通信和互连。但由于工业产品的USB端口设计和民用产品的USB端口设计都是为了适应各自的应用场景，设计理念有所不同。导致互联调试过程中出现各种问题，尤其是通信端口的工频电压。电压差是导致现场应用不稳定甚至损坏、烧毁的主要因素。本文对工业驱动与民用计算机交叉应用场景中的工频电压差进行分析和解释。

2. 案例描述

笔记本电脑在使用光驱的过程中，USB电路损坏。组网图如下：

案例网络示意图

3、带PE适配器的计算机网络工频压差分析

3.1 带PE适配器的计算机组网图

笔记本电脑PE适配器网络示意图

3.2 带PE适配器的计算机阻抗分压分析

阻抗分布图

3.3 阻抗分布

阻抗——用万用表测量

3.4 GND和PE分压分析

3.4.1 接地良好时——GND与PE之间的电压差

GND网络与PE相连，GND与PE之间无工频电压差。

3.4.2 单端不接地-GND与PE之间的电压差

（1）电脑端不接地：无影响，GND与PE之间无工频电压差；

(2)驱动器侧不接地：无影响，GND与PE之间无工频电压差；

重要路径识别

(3)单端不接地总结

GND和PE的分压阻抗主要取决于USB GND电缆和USB屏蔽层阻抗。只要接触良好，工频电压差只是电缆上的分压，很小，约为零点几伏的量级。

3.4.3 两端不接地——GND与PE之间的电压差

两端不接地，主要分压电阻为Z6和Z7，如图：

电脑端和驱动器端均未接地

Vgnd-PE的压差仍然为零。但由于没有地线，GND与地（PE）之间的实际电压差是设备PE网络与配电地（PE）之间的电压差，但不会影响驱动TVS管。

4、无PE适配器时电脑工频电压差分析

4.1 无PE适配器的计算机网络示意图

不带PE的笔记本电脑网络示意图

4.2 GND和PE分压分析

计算机端不接地时，分析方法同3.4；

5、台式电脑网络工频电压差分析

5.1 台式电脑组网图

5.2 桌面计算机网络的阻抗分布

台式电脑阻抗分布图

台式电脑的机箱地连接到USB金属外壳和USB GND。接地良好时，GND与PE之间无工频电压差。接地不良的分析方法同上述3.4。

6、USB隔离器工频压差分析

USB隔离器和驱动器连接阻抗分布：

USB隔离器在GND和PE之间采用高阻连接，因此工频压差没有改善。

7、USB插拔时工频噪声流向分析

7.1 不带USB连接时的工频电压差

仅驱动器电压差分布示意图

GNG和PE之间的压力差为Vgnd-PE=VDC-和PE。 Z3//(Z5+Z2)上的压力差如表2所示。压力差由Z3、Z5和Z2决定。

压差测量

7.2 连接USB时工频噪声流向

7.2.1 USB 线直连

USB插拔瞬间，电压差必须强制为零。会有瞬间大电流流过GND。由于GND 波动，USB 电路设备可能会超出规格并被损坏。

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

由于高阻抗连接，USB隔离器一侧的电压差将立即被拉至与驱动器相同的电压。

8. 专注于解决问题

(1)驱动器TVS管接地不良时，工频电压差可能导致TVS管动作。

可用方法：增加TVS管选型规格； (2)如何稳定地进行上下电动动作

可用方法：消除工频电压差9.如何设计电路

9.1 民用产品设计

某组织推荐电路（消费类电子产品）：

推荐电路

9.2 工业产品设计不良

由于驱动器的电路必须兼顾消费电子和工业场景，以下电路并不适合所有工况，需要优化设计：

USB驱动电路

9.3 兼容民用和工业电路设计

根据行业建议和应用，推荐设计电路如下：

优点：消除共模电压差和通电插拔带来的影响；缺点：需要设计接地点位置，防止PE噪声进入；