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消除接地環(huán)路。

長距離傳輸數(shù)據(jù)充滿了潛在的問題。接地環(huán)路可能是一個干擾源，會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。雖然本討論的重點是斷開接地環(huán)路作為隔離這些接口的動機，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。

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。來自交流電源的 50 Hz/60 Hz 磁場是接地環(huán)路拾取噪聲的常見來源。類似地，分布式接地系統(tǒng)也可以允許來自一個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。由于接地是低阻抗的，因此噪聲電流通常很大。數(shù)百毫伏的噪聲會導(dǎo)致安培電流流過接地環(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)動設(shè)備 #2 接收的單端信號。信號線在任一設(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低阻抗路徑連接，通過其電源的安全接地。這兩個接地連接形成一個大環(huán)路，從附近干擾源的磁場中拾取噪聲電壓。這種干擾會降低設(shè)備 #2 看到的信號并阻礙傳輸。

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)計人員應(yīng)小心避免使用單個接地位置的環(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，同時保持從發(fā)射器到接收器的信息流。換句話說，這兩個器件需要電氣隔離。

斷開接地環(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)動光耦合器的LED，該LED激勵光電晶體管中的電流。通過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，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。光學隔離接口可能會變得復(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，因此僅對低速信號有用。當使用多個光耦合器時，LED和上拉電阻的功耗會變得很大。數(shù)字隔離技術(shù)可用于斷開接地環(huán)路，而不會影響接口的性能，并且在簡單的應(yīng)用電路中，元件相對較少。數(shù)字隔離器是非光隔離器，它使用CMOS接口IC通過電容或磁耦合（Ott）傳輸信息。

使用 USB 電纜連接兩個交流供電設(shè)備可能會導(dǎo)致接地環(huán)路中斷通過總線的通信。 USB 通信通過單個雙向差分對（圖 3 中的 D+ 和 D? 信號）進行。主機設(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USB協(xié)議建立的，而不是通過控制信號建立的。主機設(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和外設(shè)的安全接地形成一個接地環(huán)路，這可能導(dǎo)致外設(shè)的接地電位相對于主機的地電位移動，并導(dǎo)致不可靠的通信（參見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，因為沒有控制信號來指示數(shù)據(jù)是向下游（到外圍設(shè)備）還是上游（到主機）傳輸。如果不訪問控制總線的串行接口引擎（SIE）的內(nèi)部信號，確定數(shù)據(jù)方向性的唯一方法是通過總線事務(wù)。SIE 的信號可能不可用，因為 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，通過使用由具有單向信號（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 說明了此方法。光耦合器的傳播延遲會嚴重限制隔離式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)動器。

圖4.

更簡單的方法是使用ADuM3160單芯片USB隔離器直接隔離D+和D?線，如圖5所示。該數(shù)字隔離器無需修改主機或外設(shè)的驅(qū)動器。其內(nèi)部邏輯通過 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)動程序。2.5kV隔離柵通過USB電纜分離接地連接，否則會導(dǎo)致接地環(huán)路（坎特雷爾）。

圖5.

設(shè)計了一個簡單的接地環(huán)路硬件仿真，以說明有線通信中接地環(huán)路的風險以及斷開接地環(huán)路時電流隔離的有效性。測試設(shè)置創(chuàng)建了一個接地環(huán)路，通過USB電纜以及USB集線器和外圍設(shè)備的電源進行連接，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信號耦合到地線。這類似于電力線的磁場在接地回路中產(chǎn)生噪聲，因為它依賴于相同的噪聲源?？勺兇?lián)電阻使通過接地環(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，當兩個不同的外圍設(shè)備接地上升到比集線器接地以上1 V rms以上時，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USB電纜進行接地連接，并防止變壓器耦合電流流動。這有效地恢復(fù)了PC與任一外設(shè)之間的通信，并說明了如何利用數(shù)字隔離來防止接地環(huán)路。

總之，接地環(huán)路在有線通信中可能存在問題。設(shè)備之間的多個接地連接形成一個環(huán)路，可以拾取來自附近交流磁場的干擾。此外，如果接地電位存在差異（長距離可能出現(xiàn)這種情況），則會導(dǎo)致接地環(huán)路噪聲電流。其中任何一個都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤。USB是可能遭受接地環(huán)路干擾的接口的一個例子，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真實示例，說明接地環(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外的其他接口也會遇到接地環(huán)路的問題。

審核編輯：郭婷