如何利用電流隔離來(lái)消除接地環(huán)路

本文闡釋接地環(huán)路如何形成，并且討論如何利用電流隔離來(lái)消除接地環(huán)路。

　　顧名思義，接地環(huán)路是系統接地方案中的一個(gè)物理環(huán)路，產(chǎn)生于電路之間的多個(gè)接地路徑。這些接地路徑可以充當一個(gè)大環(huán)路天線(xiàn)，從環(huán)境中拾取噪聲，從而在接地系統中產(chǎn)生電流。交流電源的50/60 Hz磁場(chǎng)是接地環(huán)路拾取的常見(jiàn)噪聲源。類(lèi)似地，對于分布式接地系統，源于某個(gè)位置的地電壓噪聲也能引起地電流在接地環(huán)路中流動(dòng)。由于地為低阻抗，因此噪聲電流往往相當大。數百毫伏的噪聲可能會(huì )引起數安培的電流流過(guò)接地環(huán)路。

　　圖1示例說(shuō)明了一個(gè)通用數據傳輸路徑中如何發(fā)生接地環(huán)路干擾。器件#1驅動(dòng)一個(gè)單端信號，器件#2接收該信號。信號線(xiàn)接地于任一器件。接地連接可以是屏蔽的同軸電纜等。這些器件的地之間存在另一個(gè)低阻抗路徑，它流過(guò)器件電源的安全地,這兩個(gè)接地連接構成一個(gè)大環(huán)路，從鄰近干擾源的磁場(chǎng)拾取噪聲電壓。這種干擾會(huì )損害器件#2接收到的信號，影響傳輸。

　　圖1: 一個(gè)通用數據傳輸路徑中如何發(fā)生接地環(huán)路干擾

　　設計人員應小心謹慎，通過(guò)單點(diǎn)接地來(lái)避免形成環(huán)路，但有些接口要求在收發(fā)器之間進(jìn)行接地連接。必須中斷這種接地連接，同時(shí)維持從發(fā)送器到接收器的信息流。換言之，兩個(gè)器件之間需要進(jìn)行電流隔離。

　　中斷接地環(huán)路的可能方法之一是使用光耦合器，如圖2所示。

　　圖2: 使用光耦合器中斷接地環(huán)路

　　器件#1驅動(dòng)光耦合器的LED，LED激勵光電耦合器中的電流。通過(guò)電纜的接地連接被消除，防止噪聲電流在器件#1與器件#2之間流動(dòng)，信息以光的形式傳輸。

　　隨著(zhù)接口的性能和復雜度提高，這種方法會(huì )有局限性。光隔離接口可能變得復雜、昂貴，并且需要大量板空間。光耦合器的傳播延遲相當大，只適用于低速信號。使用多個(gè)光耦合器時(shí)，LED和上拉電阻的功耗可能變得相當高?？梢允褂脭底指綦x技術(shù)來(lái)中斷接地環(huán)路，接口性能則不受影響，而且應用電路簡(jiǎn)單，所需器件相對較少。數字隔離式是非光學(xué)隔離器，利用CMOS接口IC通過(guò)容性或磁性耦合來(lái)傳輸信息。

　　利用一條USB電纜連接兩個(gè)交流電源供電的器件可能會(huì )造成一個(gè)接地環(huán)路，從而中斷總線(xiàn)通信。USB通信在一對雙向差分線(xiàn)上進(jìn)行(圖3中的D+和D-信號)。主器件控制總線(xiàn)并與外設通信。數據分組的方向由USB協(xié)議確定，而不是通過(guò)控制信號確定。主器件為外設提供電源和接地連接。USB電纜的這個(gè)接地連接與主機和外設的安全地形成一個(gè)接地環(huán)路，它可能導致外設的地電位相對主機的地電位移動(dòng)，使得通信不可靠(參見(jiàn)AN-375、AN-727)。