如何利用电流隔离来消除接地环路

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和上拉电阻的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)。