通過(guò)功能隔離斷開(kāi)接地環(huán)路減少數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤

本文解釋了接地環(huán)路是如何發(fā)生的，并討論了如何使用電流隔離來(lái)消除接地環(huán)路。

長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)充滿了潛在的問(wèn)題。接地環(huán)路可能是一個(gè)干擾源，會(huì)在傳輸兩端的接地之間產(chǎn)生噪聲電壓。如果該電壓足夠大，則可能導(dǎo)致接收器出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。本文將解釋接地環(huán)路是如何發(fā)生的，并討論如何使用電流隔離來(lái)消除接地環(huán)路。本文在 USB 上下文中討論了接地環(huán)路，但其他接口（如 RS-232、RS-485 和 CAN）也容易受到接地環(huán)路的影響。雖然本討論的重點(diǎn)是斷開(kāi)接地環(huán)路作為隔離這些接口的動(dòng)機(jī)，但還有其他重要的考慮因素，例如操作員安全和需要隔離的電子設(shè)備保護(hù)。

接地環(huán)路顧名思義，是指系統(tǒng)接地方案中的物理環(huán)路，由電路之間的多條接地路徑產(chǎn)生。這些接地路徑可以充當(dāng)大型環(huán)形天線，導(dǎo)致從環(huán)境中拾取噪聲，從而在接地系統(tǒng)中感應(yīng)電流。來(lái)自交流電源的 50 Hz/60 Hz 磁場(chǎng)是接地環(huán)路拾取噪聲的常見(jiàn)來(lái)源。類似地，分布式接地系統(tǒng)也可以允許來(lái)自一個(gè)位置的源的接地電壓噪聲，導(dǎo)致接地電流在接地回路中流動(dòng)。由于接地是低阻抗的，因此噪聲電流通常很大。數(shù)百毫伏的噪聲會(huì)導(dǎo)致安培電流流過(guò)接地環(huán)路。

圖1顯示了通用數(shù)據(jù)傳輸路徑中接地環(huán)路干擾如何發(fā)生的示例。設(shè)備 #1 驅(qū)動(dòng)設(shè)備 #2 接收的單端信號(hào)。信號(hào)線在任一設(shè)備上接地。例如，接地連接可以是同軸電纜的屏蔽層。器件接地之間有第二個(gè)低阻抗路徑連接，通過(guò)其電源的安全接地。這兩個(gè)接地連接形成一個(gè)大環(huán)路，從附近干擾源的磁場(chǎng)中拾取噪聲電壓。這種干擾會(huì)降低設(shè)備 #2 看到的信號(hào)并阻礙傳輸。

圖1.通用數(shù)據(jù)傳輸路徑中的接地環(huán)路干擾。

雖然設(shè)計(jì)人員應(yīng)小心避免使用單個(gè)接地位置的環(huán)路，但某些接口要求其收發(fā)器之間接地連接。這種接地連接需要斷開(kāi)，同時(shí)保持從發(fā)射器到接收器的信息流。換句話說(shuō)，這兩個(gè)器件需要電氣隔離。

斷開(kāi)接地環(huán)路的一種可能方法是使用光耦合器，如圖2所示。器件#1驅(qū)動(dòng)光耦合器的LED，該LED激勵(lì)光電晶體管中的電流。通過(guò)電纜的接地連接被移除，這可以防止噪聲電流在設(shè)備 #1 和設(shè)備 #2 之間流動(dòng)，并且信息以光的形式傳輸。

圖2.

隨著接口的性能和復(fù)雜性的增加，此方法具有局限性。光學(xué)隔離接口可能會(huì)變得復(fù)雜、昂貴，并且需要大量的電路板空間。光耦合器具有顯著的傳播延遲，因此僅對(duì)低速信號(hào)有用。當(dāng)使用多個(gè)光耦合器時(shí)，LED和上拉電阻的功耗會(huì)變得很大。數(shù)字隔離技術(shù)可用于斷開(kāi)接地環(huán)路，而不會(huì)影響接口的性能，并且在簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路中，元件相對(duì)較少。數(shù)字隔離器是非光隔離器，它使用CMOS接口IC通過(guò)電容或磁耦合（Ott）傳輸信息。

使用 USB 電纜連接兩個(gè)交流供電設(shè)備可能會(huì)導(dǎo)致接地環(huán)路中斷通過(guò)總線的通信。 USB 通信通過(guò)單個(gè)雙向差分對(duì)（圖 3 中的 D+ 和 D? 信號(hào)）進(jìn)行。主機(jī)設(shè)備控制總線并與外設(shè)通信。數(shù)據(jù)包的方向性是通過(guò)USB協(xié)議建立的，而不是通過(guò)控制信號(hào)建立的。主機(jī)設(shè)備為外圍設(shè)備供電和接地。USB電纜中的這種接地連接以及主機(jī)和外設(shè)的安全接地形成一個(gè)接地環(huán)路，這可能導(dǎo)致外設(shè)的接地電位相對(duì)于主機(jī)的地電位移動(dòng)，并導(dǎo)致不可靠的通信（參見(jiàn)AN-375，AN-727）。

圖3.

隔離USB端口以消除電纜接地連接本身就很困難，因?yàn)闆](méi)有控制信號(hào)來(lái)指示數(shù)據(jù)是向下游（到外圍設(shè)備）還是上游（到主機(jī)）傳輸。如果不訪問(wèn)控制總線的串行接口引擎（SIE）的內(nèi)部信號(hào)，確定數(shù)據(jù)方向性的唯一方法是通過(guò)總線事務(wù)。SIE 的信號(hào)可能不可用，因?yàn)?SIE 通常集成到處理器中。

有幾種可能的方法可以隔離 USB。例如，通過(guò)使用由具有單向信號(hào)（如SPI）的串行接口控制的外部SIE，可以避免隔離D+和D?的挑戰(zhàn)。SPI是單向的，因此更容易隔離。圖 4 說(shuō)明了此方法。光耦合器的傳播延遲會(huì)嚴(yán)重限制隔離式SPI的速度，因此使用四通道數(shù)字隔離器。外部USB控制器從其緩沖器傳輸數(shù)據(jù)，這些緩沖器通過(guò)SPI接口填充。盡管外部 SIE 將以外設(shè)的最快數(shù)據(jù)速率傳輸數(shù)據(jù)，但總線的有效數(shù)據(jù)速率受到控制器保持 SIE 緩沖區(qū)滿載能力的限制。在這種情況下，數(shù)字隔離器的傳播延遲可能是一個(gè)瓶頸。由于外部SIE，這種方法在電路板空間方面成本高昂，并且可能需要修改外設(shè)的驅(qū)動(dòng)器。

圖4.

更簡(jiǎn)單的方法是使用ADuM3160單芯片USB隔離器直接隔離D+和D?線，如圖5所示。該數(shù)字隔離器無(wú)需修改主機(jī)或外設(shè)的驅(qū)動(dòng)器。其內(nèi)部邏輯通過(guò) USB 協(xié)議確定 D+ 和 D? 的方向性，并相應(yīng)地激活和停用驅(qū)動(dòng)程序。2.5kV隔離柵通過(guò)USB電纜分離接地連接，否則會(huì)導(dǎo)致接地環(huán)路（坎特雷爾）。

圖5.

設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的接地環(huán)路硬件仿真，以說(shuō)明有線通信中接地環(huán)路的風(fēng)險(xiǎn)以及斷開(kāi)接地環(huán)路時(shí)電流隔離的有效性。測(cè)試設(shè)置創(chuàng)建了一個(gè)接地環(huán)路，通過(guò)USB電纜以及USB集線器和外圍設(shè)備的電源進(jìn)行連接，這些連接由筆記本電腦控制。此設(shè)置使用變壓器將從交流電源線獲得的60 Hz信號(hào)耦合到地線。這類似于電力線的磁場(chǎng)在接地回路中產(chǎn)生噪聲，因?yàn)樗蕾囉谙嗤脑肼曉础？勺兇?lián)電阻使通過(guò)接地環(huán)路的電流可調(diào)。觀察從集線器接地到外設(shè)接地的電壓，并增加通過(guò)接地環(huán)路的電流，直到中斷與集線器的通信。由于模擬的接地環(huán)路電流，當(dāng)兩個(gè)不同的外圍設(shè)備接地上升到比集線器接地以上1 V rms以上時(shí)，它們始終與集線器和筆記本電腦失去通信。使用ADuM3160 USB隔離器隔離集線器的端口，通過(guò)USB電纜進(jìn)行接地連接，并防止變壓器耦合電流流動(dòng)。這有效地恢復(fù)了PC與任一外設(shè)之間的通信，并說(shuō)明了如何利用數(shù)字隔離來(lái)防止接地環(huán)路。

總之，接地環(huán)路在有線通信中可能存在問(wèn)題。設(shè)備之間的多個(gè)接地連接形成一個(gè)環(huán)路，可以拾取來(lái)自附近交流磁場(chǎng)的干擾。此外，如果接地電位存在差異（長(zhǎng)距離可能出現(xiàn)這種情況），則會(huì)導(dǎo)致接地環(huán)路噪聲電流。其中任何一個(gè)都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。USB是可能遭受接地環(huán)路干擾的接口的一個(gè)例子，并且使用分立式數(shù)字隔離器不容易隔離。接地環(huán)路的硬件仿真提供了一個(gè)真實(shí)示例，說(shuō)明接地環(huán)路如何影響USB接口，以及USB隔離器ADuM3160如何糾正這種情況。除USB外的其他接口也會(huì)遇到接地環(huán)路的問(wèn)題。

審核編輯：郭婷