如何利用電流隔離來消除接地環路

本文闡釋接地環路如何形成，并且討論如何利用電流隔離來消除接地環路。

　　顧名思義，接地環路是系統接地方案中的一個物理環路，產生于電路之間的多個接地路徑。這些接地路徑可以充當一個大環路天線，從環境中拾取噪聲，從而在接地系統中產生電流。交流電源的50/60 Hz磁場是接地環路拾取的常見噪聲源。類似地，對于分布式接地系統，源于某個位置的地電壓噪聲也能引起地電流在接地環路中流動。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引起數安培的電流流過接地環路。

　　圖1示例說明了一個通用數據傳輸路徑中如何發生接地環路干擾。器件#1驅動一個單端信號，器件#2接收該信號。信號線接地于任一器件。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低阻抗路徑，它流過器件電源的安全地,這兩個接地連接構成一個大環路，從鄰近干擾源的磁場拾取噪聲電壓。這種干擾會損害器件#2接收到的信號，影響傳輸。

　　圖1: 一個通用數據傳輸路徑中如何發生接地環路干擾

　　設計人員應小心謹慎，通過單點接地來避免形成環路，但有些接口要求在收發器之間進行接地連接。必須中斷這種接地連接，同時維持從發送器到接收器的信息流。換言之，兩個器件之間需要進行電流隔離。

　　中斷接地環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路

　　器件#1驅動光耦合器的LED，LED激勵光電耦合器中的電流。通過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，信息以光的形式傳輸。

　　隨著接口的性能和復雜度提高，這種方法會有局限性。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。使用多個光耦合器時，LED和上拉電阻的功耗可能變得相當高。可以使用數字隔離技術來中斷接地環路，接口性能則不受影響，而且應用電路簡單，所需器件相對較少。數字隔離式是非光學隔離器，利用CMOS接口IC通過容性或磁性耦合來傳輸信息。

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