利用功能隔離器中斷接地環(huán)路以減少數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤

長距離傳輸數(shù)據(jù)充滿著各種各樣的潛在問題。接地環(huán)路可能是一個(gè)干擾源，它能在傳輸兩端的接地之間產(chǎn)生噪聲電壓，此電壓如果足夠大，就可能導(dǎo)致接收端數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。本文闡釋接地環(huán)路如何形成，并且討論如何利用電流隔離來消除接地環(huán)路。

顧名思義，接地環(huán)路是系統(tǒng)接地方案中的一個(gè)物理環(huán)路，產(chǎn)生于電路之間的多個(gè)接地路徑。這些接地路徑可以充當(dāng)一個(gè)大環(huán)路天線，從環(huán)境中拾取噪聲，從而在接地系統(tǒng)中產(chǎn)生電流。交流電源的50/60 Hz磁場(chǎng)是接地環(huán)路拾取的常見噪聲源。類似地，對(duì)于分布式接地系統(tǒng)，源于某個(gè)位置的地電壓噪聲也能引起地電流在接地環(huán)路中流動(dòng)。由于地為低阻抗，因此噪聲電流往往相當(dāng)大。數(shù)百毫伏的噪聲可能會(huì)引起數(shù)安培的電流流過接地環(huán)路。

圖1示例說明了一個(gè)通用數(shù)據(jù)傳輸路徑中如何發(fā)生接地環(huán)路干擾。器件#1驅(qū)動(dòng)一個(gè)單端信號(hào)，器件#2接收該信號(hào)。信號(hào)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(gè)低阻抗路徑，它流過器件電源的安全地,這兩個(gè)接地連接構(gòu)成一個(gè)大環(huán)路，從鄰近干擾源的磁場(chǎng)拾取噪聲電壓。這種干擾會(huì)損害器件#2接收到的信號(hào)，影響傳輸。

圖1: 一個(gè)通用數(shù)據(jù)傳輸路徑中如何發(fā)生接地環(huán)路干擾

設(shè)計(jì)人員應(yīng)小心謹(jǐn)慎，通過單點(diǎn)接地來避免形成環(huán)路，但有些接口要求在收發(fā)器之間進(jìn)行接地連接。必須中斷這種接地連接，同時(shí)維持從發(fā)送器到接收器的信息流。換言之，兩個(gè)器件之間需要進(jìn)行電流隔離。

中斷接地環(huán)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(huán)路

器件#1驅(qū)動(dòng)光耦合器的LED，LED激勵(lì)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(dòng)，信息以光的形式傳輸。

隨著接口的性能和復(fù)雜度提高，這種方法會(huì)有局限性。光隔離接口可能變得復(fù)雜、昂貴，并且需要大量板空間。光耦合器的傳播延遲相當(dāng)大，只適用于低速信號(hào)。使用多個(gè)光耦合器時(shí)，LED和上拉電阻的功耗可能變得相當(dāng)高。可以使用數(shù)字隔離技術(shù)來中斷接地環(huán)路，接口性能則不受影響，而且應(yīng)用電路簡單，所需器件相對(duì)較少。數(shù)字隔離式是非光學(xué)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(gè)交流電源供電的器件可能會(huì)造成一個(gè)接地環(huán)路，從而中斷總線通信。USB通信在一對(duì)雙向差分線上進(jìn)行（圖3中的D+和D-信號(hào)）。主器件控制總線并與外設(shè)通信。數(shù)據(jù)分組的方向由USB協(xié)議確定，而不是通過控制信號(hào)確定。主器件為外設(shè)提供電源和接地連接。USB電纜的這個(gè)接地連接與主機(jī)和外設(shè)的安全地形成一個(gè)接地環(huán)路，它可能導(dǎo)致外設(shè)的地電位相對(duì)主機(jī)的地電位移動(dòng)，使得通信不可靠（參見AN-375、AN-727）。 [!--empirenews.page--]

圖3: 利用USB電纜連接兩個(gè)交流電源供電的器件造成接地環(huán)路中斷總線通信

由于沒有控制信號(hào)來指示數(shù)據(jù)是傳輸?shù)较掠危ㄍ庠O(shè)）還是上游（主機(jī)），因此隔離USB端口以消除電纜接地連接是一件很困難的事情。在無法訪問控制總線的串行接口引擎(SIE)內(nèi)部信號(hào)的情況下，確定數(shù)據(jù)方向的唯一辦法是通過總線處理。SIE的信號(hào)之所以不可用，是因?yàn)镾IE常常被集成到處理器中。

有多種方法可以隔離USB。例如，可以利用一個(gè)外部SIE來避免隔離D+和D-的難題，該SIE由一個(gè)采用單向信號(hào)的串行接口（如SPI等）控制。SPI為單向接口，因而更容易隔離。

圖4說明了這種方法。光耦合器的傳播延遲會(huì)嚴(yán)重限制隔離SPI的速度，因此使用一個(gè)四通道數(shù)字隔離器。外部USB控制器從其緩沖器發(fā)送數(shù)據(jù)，緩沖器通過SPI接口加載。雖然外部SIE以外設(shè)最快的數(shù)據(jù)速率傳輸數(shù)據(jù)，但總線的有效數(shù)據(jù)速率受制于控制器使SIE緩沖器保持填滿的能力。這種情況下，數(shù)字隔離器的傳播延遲可能是一個(gè)瓶頸。由于使用外部SIE，這種方法會(huì)占用較大的板空間，而且可能需要修改外設(shè)驅(qū)動(dòng)。

圖4: 利用外部SIE隔離D+和D-線路

更簡單的方法是利用單芯片USB隔離器ADuM3160直接隔離D+和D-線路，如圖5所示。使用這款數(shù)字隔離器時(shí)，主機(jī)和外設(shè)的驅(qū)動(dòng)均無需修改，其內(nèi)部邏輯通過USB協(xié)議確定D+和D-的方向，并且相應(yīng)地停用驅(qū)動(dòng)。2.5kV隔離柵斷開通過USB電纜的接地連接，如若不然，就會(huì)形成一個(gè)接地環(huán)路。

圖5: 利用單芯片USB隔離器ADuM3160直接隔離D+和D-線路

我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)接地環(huán)路的簡單硬件仿真模型，以此說明有線通信中接地環(huán)路的危害，以及通過電流隔離來中斷接地環(huán)路的有效性。測(cè)試設(shè)置產(chǎn)生的接地環(huán)路連接到USB電纜以及USB集線器和外設(shè)的電源，通過一臺(tái)筆記本電腦進(jìn)行控制。此設(shè)置將交流電源線的60 Hz信號(hào)通過一個(gè)互感器耦合到接地線路，這與電源線的磁場(chǎng)在接地環(huán)路中產(chǎn)生噪聲的原理相似，因?yàn)樗蕾嚨氖峭辉肼曉?。可變串?lián)電阻使得流經(jīng)接地環(huán)路的電流是可調(diào)的。測(cè)量從集線器地到外設(shè)地的電壓，并且提高流經(jīng)接地環(huán)路的電流，直到它中斷與集線器的通信。測(cè)試中使用了兩個(gè)不同的外設(shè)，當(dāng)外設(shè)地由于仿真接地環(huán)路電流提高而比集線器地高出1Vrms以上時(shí)，兩個(gè)外設(shè)一致地失去與集線器和筆記本電腦的通信。利用ADuM3160 USB隔離器隔離集線器端口中斷了通過USB電纜的接地連接，防止互感器耦合的電流流動(dòng)，從而有效地恢復(fù)了PC與任一外設(shè)的通信，這說明可以利用數(shù)字隔離來防止形成接地環(huán)路。

總之，在有線通信中，接地環(huán)路可能會(huì)帶來問題。器件之間的多個(gè)接地連接會(huì)形成一個(gè)環(huán)路，接地環(huán)路可能拾取鄰近交流磁場(chǎng)的干擾噪聲。此外，如果存在地電位差（長距離通信可能會(huì)有這種現(xiàn)象），則它也會(huì)貢獻(xiàn)接地環(huán)路噪聲電流。以上任一種現(xiàn)象都可能造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。USB接口是可能遭受接地環(huán)路干擾影響的接口之一，而且不容易通過分立數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離。接地環(huán)路的硬件仿真提供了一個(gè)實(shí)際的例子，說明了接地環(huán)路如何影響USB接口，以及USB隔離器ADuM3160如何解決這種問題。接地環(huán)路對(duì)USB之外的其他接口也可能造成問題。