本文解釋了接地環路是如何發生的，并討論了如何使用電流隔離來消除接地環路。

長距離傳輸數據充滿了潛在的問題。接地環路可能是一個干擾源，會在傳輸兩端的接地之間產生噪聲電壓。如果該電壓足夠大，則可能導致接收器出現數據錯誤。本文將解釋接地環路是如何發生的，并討論如何使用電流隔離來消除接地環路。本文在 USB 上下文中討論了接地環路，但其他接口（如 RS-232、RS-485 和 CAN）也容易受到接地環路的影響。雖然本討論的重點是斷開接地環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備保護。

接地環路顧名思義，是指系統接地方案中的物理環路，由電路之間的多條接地路徑產生。這些接地路徑可以充當大型環形天線，導致從環境中拾取噪聲，從而在接地系統中感應電流。來自交流電源的 50 Hz/60 Hz 磁場是接地環路拾取噪聲的常見來源。類似地，分布式接地系統也可以允許來自一個位置的源的接地電壓噪聲，導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。數百毫伏的噪聲會導致安培電流流過接地環路。

圖1顯示了通用數據傳輸路徑中接地環路干擾如何發生的示例。設備 #1 驅動設備 #2 接收的單端信號。信號線在任一設備上接地。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。這種干擾會降低設備 #2 看到的信號并阻礙傳輸。

圖1.通用數據傳輸路徑中的接地環路干擾。

雖然設計人員應小心避免使用單個接地位置的環路，但某些接口要求其收發器之間接地連接。這種接地連接需要斷開，同時保持從發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。

斷開接地環路的一種可能方法是使用光耦合器，如圖2所示。器件#1驅動光耦合器的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備 #1 和設備 #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。數字隔離技術可用于斷開接地環路，而不會影響接口的性能，并且在簡單的應用電路中，元件相對較少。數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備可能會導致接地環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。主機設備控制總線并與外設通信。數據包的方向性是通過USB協議建立的，而不是通過控制信號建立的。主機設備為外圍設備供電和接地。USB電纜中的這種接地連接以及主機和外設的安全接地形成一個接地環路，這可能導致外設的接地電位相對于主機的地電位移動，并導致不可靠的通信（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據是向下游（到外圍設備）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）的內部信號，確定數據方向性的唯一方法是通過總線事務。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。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，因此使用四通道數字隔離器。外部USB控制器從其緩沖器傳輸數據，這些緩沖器通過SPI接口填充。盡管外部 SIE 將以外設的最快數據速率傳輸數據，但總線的有效數據速率受到控制器保持 SIE 緩沖區滿載能力的限制。在這種情況下，數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的驅動器。

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。該數字隔離器無需修改主機或外設的驅動器。其內部邏輯通過 USB 協議確定 D+ 和 D? 的方向性，并相應地激活和停用驅動程序。2.5kV隔離柵通過USB電纜分離接地連接，否則會導致接地環路（坎特雷爾）。

圖5.

設計了一個簡單的接地環路硬件仿真，以說明有線通信中接地環路的風險以及斷開接地環路時電流隔離的有效性。測試設置創建了一個接地環路，通過USB電纜以及USB集線器和外圍設備的電源進行連接，這些連接由筆記本電腦控制。此設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生噪聲，因為它依賴于相同的噪聲源。可變串聯電阻使通過接地環路的電流可調。觀察從集線器接地到外設接地的電壓，并增加通過接地環路的電流，直到中斷與集線器的通信。由于模擬的接地環路電流，當兩個不同的外圍設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。這有效地恢復了PC與任一外設之間的通信，并說明了如何利用數字隔離來防止接地環路。

總之，接地環路在有線通信中可能存在問題。設備之間的多個接地連接形成一個環路，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（長距離可能出現這種情況），則會導致接地環路噪聲電流。其中任何一個都可能導致數據錯誤。USB是可能遭受接地環路干擾的接口的一個例子，并且使用分立式數字隔離器不容易隔離。接地環路的硬件仿真提供了一個真實示例，說明接地環路如何影響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路的問題。

審核編輯：郭婷