通过隔离来保证接地质量

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通过隔离来保证接地质量

作者：德州仪器公司 Thomas Kugelstadt

通过现场总线-收发器系统实现的工业通信通常需要较长的传输线路。设计人员在没有察觉远程总线位置间的接地电位差 (GPD)较大的情况下，要么将本地接地作为可靠的信号返回路径，要么直接将两个远程接地连接在一起（创建一个嘈杂的接地环路）。这两种情况均危及到了传输信号的完整性，会导致系统锁死甚至损坏总线收发器。

为了让设计人员察觉到这些设计缺陷，本文阐述了电气安装中GPD的源头位置，接地环路如何自然地创建，以及隔离是如何规避这两种情况发生的。

链路接地
本地电路直流接地与电源接地参考电压间的链路通常由负责将线路电压转换成所需直流输出的电源提供。图1显示了一款低成本开关模式电源的简化结构图，该开关模式电源通常用于个人电脑、激光打印机和其他设备。SMPS 输出的直流接地通过SMPS Chassis以电源的保护性接地(PE)导线为参考。因此，该直接链路起了一个感应导线的作用，从而将PE电压变成了本地直流接地电压。

图1 SMPS简化结构图

线性和非线性负载
大型办公室和工业楼宇运行着大量的非线性负载，如PC、激光打印机、固态加热器控制、荧光灯管、不间断电源以及变速驱动器。与白炽灯的线性负载相比，其相位电流为一个正弦波形，从而带来巨大谐波含量（见图2）。

图2 失真相位电流及其频率分量

当60Hz行扫描频率的第三谐波和第五谐波成为谐波的主要组成部分时，所有频率分量（包括60Hz基频）的矢量总和就可以达到峰值，该峰值超过基本相位电流振幅的100%以上。

所有中性导线都并入配电板中的一个大直径中性导线，就像一个变压器一样（见图5）。在线性负载情况下，多相位系统的中性电流在一定程度上相互抵消。由于负载不平衡（见图3），只有总中性电流的一小部分保留了下来。

但是就非线性负载而言，各单个电流合计可达总中性电流之多。该中性电流主要由第三谐波组成（见图4）。因此，相比线性负载的中性电流，非线性负载的大量中性电流会导致电气安装线路电阻两端有更高的压降。

 

图4 主要由第三谐波组成的总中性电流

接地系统
大多数电气安装均采用TN-C 或 TN-C-S 接地系统，图5显示了这两种接地系统。“TN”是指中性线路在变压器处实现了接地（French terre）。字母“C”表示通过一个导线而实现的PE和中性线路的组合使用，标记为“PEN”。PEN贯穿整个系统，直到一个分布点（即一个安装板）接近负载为止，其在此处被拆分为PE和直接连接到负载的独立中性导线。

图5 比TN-C-S系统(b)具有更高GPD的TN-C系统 (a)

虽然TN-C是一种较老式的接地系统，但是由于其成本低于需要更多PE导线的系统而重新得到人们的关注。然而，TN-C方法有一个最大的缺点。由于PE 和中性线路的拆分发生在一个负载的附近，因此本地PE连接处的电压包括了长中性导线线性阻抗RL-N两端的大压降。这些压降都是由非线性负载高中性电流引起的。因此，TN-C系统有可能会导致数十V远程接地间的大GPD。

TN-C-S 系统通过开启配电板中一个额外的 PE 导线来降低 GPD。此外，系统的中性和PE导线的星形连接有一个二次接地，从而降低了该点处的等电位并抵消了源线路阻抗RLS两端 PEN 处的额外大压降。

按照《美国国家电气规范(NEC)》的规定，PE导线在正常运行时应该是没有电流的。但是，大多数非线性负载都会将较低毫安的电流泄漏到PE导线中。虽然这一泄漏的电流量对一个电路而言非常小，但是当数百个电路都向同一条线路上泄漏电流时，这一电流会很轻松地达到几安培。

尽管与中性电流相比可以忽略不计，但由于PE导线线路阻抗两端的压降，泄漏电流确实会在远程接地位置间产生压差。这些GPD都在几毫安范围甚至更低，因此大大低于TN-C系统中的电流。

就仅限于一个本地电源供电的电路而言，GPD不会导致什么问题。在设计两个远程电路间的通信链路时（即现场总线-收发器站），GPD就变得引人关注了，这两个远程电路间的通信链路由不同的电源供电。

设计远程数据链路
在设计远程数据链路时，设计人员必须要假设GPD的存在。这些电压作为共模噪声Vn添加到发送器输出。即使总迭加信号在接收机的输入共模范围内，将本地接地作为返回电流的可靠路径也是很危险的（见图6）。这也同样适用于“上乘的”RS485收发器，如TI的SN65HVD2x产品系列，其输入共模范围介于－20～+25V之间。

图6 设计缺陷

电气安装（即定期维护期间）的任何修改都超出了设计人员控制范围。该修改会在一定程度上增加GPD，从而会超出接收机的输入共模范围。因此，目前工作很出色的数据链路可能会在将来某个时间停止工作。

但也不建议通过一条接地线将远程接地直接连接在一起来去除GPD。切记，电气安装是一个高度复杂的电阻网络，该电阻网络由多个交叉连接线和多相位系统、不同的线缆长度以及各种接地电极路径导致的电阻组成（见图7）。

图7 接地路径阻抗复杂性实例

图3 线性负载的多相位电流

当创建电流环路时，远程接地间的直接连接与该网络并联。初始GPD试图通过驱动一个大环路电流流经低阻抗接地线来补偿其性能下降(collapse)。环路电流耦合至数据线电路并生成迭加在传输（共模）信号上的噪声电压。这有可能会再一次造成一个高度不可靠的数据传输系统。

 

为了实现远程接地的直接连接，RS-485标准建议通过插入电阻将设备接地和本地系统接地分开。虽然这种方法降低了环路电流，但是大接地环路的存在使得数据链路对环路沿线其他地方产生的噪声很敏感。因此，我们还是没能构建一个稳健的数据链路。能承受数百数千伏GPD的长距离最稳健的RS-485数据链路借助了本地信号、电源的总线收发器信号和电源线的电隔离（见图8）。

图8  两个具有单端接地参考的远程收发器站隔离

如隔离式DC/DC转换器的电源隔离器以及如数字电容隔离器的信号隔离器避免了电流环路的创建及电流在具高达数千伏GPD的远程系统接地间流动。

如是没有接地参考，总线收发器将会由浮点电源供电。因此，闪电、接地故障或其他嘈杂环境导致的电流和电压尖峰把浮点总线共模提升至一个危险的高电平。这些事件不会损坏连接至总线的组件，因为其信号和电源电平均以总线共模为参考，并且在不断变化的共模参考电压上波动。

然而，在传输线连接至各个收发器节点PCB连接器的地方，高压（如果没有去除）会导致电弧并损坏连接器附近的PCB组件。要想抑制总线共模上的电流和电压瞬态，就必须将一点的总线共模以系统接地为参考。该位置通常位于非隔离收发器节点，其为整个总线系统提供了单接地参考。

图8显示了两个远程收发器节点的详细连接，而图9则显示了一个使用了多个收发器的隔离式数据传输系统的例子。除1个收发器以外，所有其他的收发器均通过隔离连接至总线。左侧的非隔离收发器为整个总线提供了单接地参考。

图9 多现场总线收发器站隔离

结论
设计远程数据链路要求实现电源和现场总线-收发器站信号线的隔离，以规避对信号完整性及组件的GPD和接地环路的不良影响。

虽然本文中的一些图讲述的是差分数据传输，但所讨论的原理也适用于如RS-232之类的单端传输系统。