如何利用电流隔离来消除接地环路

2012-09-29 17:08:10来源: 互联网

本文阐释接地环路如何形成,并且讨论如何利用电流隔离来消除接地环路。

  顾名思义,接地环路是系统接地方案中的一个物理环路,产生于电路之间的多个接地路径。这些接地路径可以充当一个大环路天线,从环境中拾取噪声,从而在接地系统中产生电流。交流电源的50/60 Hz磁场是接地环路拾取的常见噪声源。类似地,对于分布式接地系统,源于某个位置的地电压噪声也能引起地电流在接地环路中流动。由于地为低阻抗,因此噪声电流往往相当大。数百毫伏的噪声可能会引起数安培的电流流过接地环路。

  图1示例说明了一个通用数据传输路径中如何发生接地环路干扰。器件#1驱动一个单端信号,器件#2接收该信号。信号线接地于任一器件。接地连接可以是屏蔽的同轴电缆等。这些器件的地之间存在另一个低阻抗路径,它流过器件电源的安全地,这两个接地连接构成一个大环路,从邻近干扰源的磁场拾取噪声电压。这种干扰会损害器件#2接收到的信号,影响传输。

  

 

  图1: 一个通用数据传输路径中如何发生接地环路干扰

  设计人员应小心谨慎,通过单点接地来避免形成环路,但有些接口要求在收发器之间进行接地连接。必须中断这种接地连接,同时维持从发送器到接收器的信息流。换言之,两个器件之间需要进行电流隔离。

  中断接地环路的可能方法之一是使用光耦合器,如图2所示。

  

 

  图2: 使用光耦合器中断接地环路

  器件#1驱动光耦合器的LED,LED激励光电耦合器中的电流。通过电缆的接地连接被消除,防止噪声电流在器件#1与器件#2之间流动,信息以光的形式传输。

  随着接口的性能和复杂度提高,这种方法会有局限性。光隔离接口可能变得复杂、昂贵,并且需要大量板空间。光耦合器的传播延迟相当大,只适用于低速信号。使用多个光耦合器时,LED和上拉电阻功耗可能变得相当高。可以使用数字隔离技术来中断接地环路,接口性能则不受影响,而且应用电路简单,所需器件相对较少。数字隔离式是非光学隔离器,利用CMOS接口IC通过容性或磁性耦合来传输信息。

  利用一条USB电缆连接两个交流电源供电的器件可能会造成一个接地环路,从而中断总线通信。USB通信在一对双向差分线上进行(图3中的D+和D-信号)。主器件控制总线并与外设通信。数据分组的方向由USB协议确定,而不是通过控制信号确定。主器件为外设提供电源和接地连接。USB电缆的这个接地连接与主机和外设的安全地形成一个接地环路,它可能导致外设的地电位相对主机的地电位移动,使得通信不可靠(参见AN-375、AN-727)。

  

图3: 利用USB电缆连接两个交流电源供电的器件造成接地环路中断总线通信

  由于没有控制信号来指示数据是传输到下游(外设)还是上游(主机),因此隔离USB端口以消除电缆接地连接是一件很困难的事情。在无法访问控制总线的串行接口引擎(SIE)内部信号的情况下,确定数据方向的唯一办法是通过总线处理。SIE的信号之所以不可用,是因为SIE常常被集成到处理器中。

  有多种方法可以隔离USB。例如,可以利用一个外部SIE来避免隔离D+和D-的难题,该SIE由一个采用单向信号的串行接口(如SPI等)控制。SPI为单向接口,因而更容易隔离。

  图4说明了这种方法。光耦合器的传播延迟会严重限制隔离SPI的速度,因此使用一个四通道数字隔离器。外部USB控制器从其缓冲器发送数据,缓冲器通过SPI接口加载。虽然外部SIE以外设最快的数据速率传输数据,但总线的有效数据速率受制于控制器使SIE缓冲器保持填满的能力。这种情况下,数字隔离器的传播延迟可能是一个瓶颈。由于使用外部SIE,这种方法会占用较大的板空间,而且可能需要修改外设驱动。

  

 

  图4: 利用外部SIE隔离D+和D-线路

  更简单的方法是利用单芯片USB隔离器ADuM3160直接隔离D+和D-线路,如图5所示。使用这款数字隔离器时,主机和外设的驱动均无需修改,其内部逻辑通过USB协议确定D+和D-的方向,并且相应地停用驱动。2.5kV隔离断开通过USB电缆的接地连接,如若不然,就会形成一个接地环路。

  

 

  图5: 利用单芯片USB隔离器ADuM3160直接隔离D+和D-线路

  我们设计了一个接地环路的简单硬件仿真模型,以此说明有线通信中接地环路的危害,以及通过电流隔离来中断接地环路的有效性。测试设置产生的接地环路连接到USB电缆以及USB集线器和外设的电源,通过一台笔记本电脑进行控制。此设置将交流电源线的60 Hz信号通过一个互感器耦合到接地线路,这与电源线的磁场在接地环路中产生噪声的原理相似,因为它依赖的是同一噪声源。可变串联电阻使得流经接地环路的电流是可调的。测量从集线器地到外设地的电压,并且提高流经接地环路的电流,直到它中断与集线器的通信。测试中使用了两个不同的外设,当外设地由于仿真接地环路电流提高而比集线器地高出1Vrms以上时,两个外设一致地失去与集线器和笔记本电脑的通信。利用ADuM3160 USB隔离器隔离集线器端口中断了通过USB电缆的接地连接,防止互感器耦合的电流流动,从而有效地恢复了PC与任一外设的通信,这说明可以利用数字隔离来防止形成接地环路。

  总之,在有线通信中,接地环路可能会带来问题。器件之间的多个接地连接会形成一个环路,接地环路可能拾取邻近交流磁场的干扰噪声。此外,如果存在地电位差(长距离通信可能会有这种现象),则它也会贡献接地环路噪声电流。以上任一种现象都可能造成数据错误。USB接口是可能遭受接地环路干扰影响的接口之一,而且不容易通过分立数字隔离器进行隔离。接地环路的硬件仿真提供了一个实际的例子,说明了接地环路如何影响USB接口,以及USB隔离器ADuM3160如何解决这种问题。接地环路对USB之外的其他接口也可能造成问题。

关键字:电流隔离  接地  环路

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0929/article_16956.html
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