作者：Thomas Kugelstadt，德州儀器 (TI) 高級應用工程師

通過現(xiàn)場總線-收發(fā)器系統(tǒng)實現(xiàn)的工業(yè)通信通常需要較長的傳輸線路。設計人員在沒有察覺遠程總線位置間的接地電位差 (GPD)比較大的情況下要么將本地接地作為可靠的信號返回路徑，要么直接將兩個遠程接地連接在一起（創(chuàng)建一個嘈雜的接地環(huán)路）。這兩種情況均危及到了傳輸信號的完整性，這會導致系統(tǒng)鎖死甚至會損壞總線收發(fā)器。

為了讓設計人員察覺到這些設計缺陷，本文闡述了電氣安裝中 GPD 的源頭位置、接地環(huán)路如何自然地創(chuàng)建、以及隔離是如何規(guī)避這兩種情況的發(fā)生，來提供一個穩(wěn)健的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的。

鏈路接地

本地電路直流 (AC) 接地與電源接地參考電壓間的鏈路通常由負責將線路電壓轉換成所需 DC 輸出的電源提供。圖 1 顯示了一款低成本開關模式電源 (SMPS) 的簡化結構圖，該開關模式電源通常用于個人電腦、激光打印機和其他設備。SMPS 輸出的 DC 接地通過 SMPS Chassis 以電源的保護性接地 (PE) 導線為參考。因此，該直接鏈路起了一個感應導線的作用，從而將 PE 電壓構建成了本地 DC 接地電壓。

圖 1 SMPS 簡化結構圖

線性和非線性負載

大型辦公室和工業(yè)樓宇運行著大量的非線性負載，如 PC、激光打印機、固態(tài)加熱器控制、熒光燈管、不間斷電源以及變速驅動器。與諸如白熾燈的線性負載相比，其相位電流為一個正弦波形，非線性負載扭曲了相位電流，從而帶來巨大諧波含量（請參見圖 2）。

圖 2 失真相位電流及其頻率分量

當基本 60Hz 行掃描頻率的第三諧波和第五諧波成為諧波含量的主要組成部分時，所有頻率分量（包括 60Hz 基頻）的矢量總和就可以達到峰值，該峰值超過基本相位電流振幅的 100% 以上。

所有中性導線都并入配電板中的一個大直徑中性導線，就像一個變壓器一樣（請參見圖 5）。在線性負載情況下，多相位系統(tǒng)的中性電流在一定程度上實現(xiàn)了彼此抵消。由于負載不平衡（請參見圖 3），只有總中性電流的一小部分保留了下來。

圖 3 線性負載的多相位電流

但是就非線性負載而言，各單個電流合計可達總中性電流之多，該中性電流主要由第三諧波組成（請參見圖 4）。因此，相比線性負載的中性電流，非線性負載的大量中性電流會導致電氣安裝線路電阻兩端有明顯更高的壓降。

圖 4 主要由第三諧波組成的總中性電流

接地系統(tǒng)

大多數(shù)電氣安裝均使 TN-C 或 TN-C-S 接地系統(tǒng)，圖 5 顯示了這兩種接地系統(tǒng)。“TN”是指中性線路在變壓器處實現(xiàn)了接地（French terre）。字母“C”表示通過一個導線而實現(xiàn)的 PE 和中性線路的組合使用，標記為“PEN”。PEN 貫穿整個系統(tǒng)，直到一個分布點（即一個安裝板）接近負載為止，其在此處被拆分為 PE 和直接連接到負載的獨立中性導線。

圖 5 比 TN-C-S 系統(tǒng) (b) 具有更高 GPD 的 TN-C 系統(tǒng) (a)

雖然 TN-C 是一種較老式的接地系統(tǒng)，但是由于其比需要更多 PE 導線的系統(tǒng)成本低而重新得到人們的關注。然而，TN-C 方法有一個較大的缺點。由于PE 和中性線路的拆分發(fā)生在一個負載的附近，因此本地 PE 連接處的電壓包括長中性導線線性阻抗 RL-N 兩端的大壓降。這些壓降都是由非線性負載高中性電流引起的。因此，TN-C 系統(tǒng)有可能會導致數(shù)十伏遠程接地間的大 GPD。

TN-C-S 系統(tǒng)通過開啟配電板中一個額外的 PE 導線來降低 GPD。此外，系統(tǒng)的中性和 PE 導線的星形連接有一個二次接地，從而降低了該點處的等電位并抵消了源線路阻抗 RLS 兩端 PEN 處額外的大壓降。

按照《美國國家電氣規(guī)范 (NEC)》的規(guī)定，PE 導線在正常運行時應該是沒有電流的。但是，大多數(shù)非線性負載都會將較低毫安的電流泄漏到 PE 導線中。雖然這一泄漏的電流量對一個電路而言非常小，但是當數(shù)百個電路都向同一條線路上泄漏電流時，這一電流會很輕松地達到幾安培。

盡管與中性電流相比可以忽略不計，但由于 PE 導線線路阻抗兩端的壓降，泄漏電流確實會在遠程接地位置間產(chǎn)生壓差。這些 GPD 都在幾毫安范圍內(nèi)甚至更低，因此大大低于 TN-C 系統(tǒng)中的電流。

就僅限于一個本地電源供電的電路而言，GPD 不會導致什么問題。在設計兩個遠程電路間的通信鏈路時（即現(xiàn)場總線-收發(fā)器站），GPD 就變得引人關注了，這兩個遠程電路間的通信鏈路由不同的電源供電。

設計遠程數(shù)據(jù)鏈路

圖 6 設計缺陷

圖 6 設計缺陷

電氣安裝（即定期維護期間）的任何修改都超出了設計人員控制范圍。該修改會在一定程度上增加 GPD，從而會偶爾或總是超出接收機的輸入共模范圍。因此，當今工作很出色的數(shù)據(jù)鏈路可能會在將來某個時間停止工作。

但也不建議通過一條接地線將遠程接地直接連接在一起來去除 GPD（請參見圖 6b）。切記電氣安裝是一個高度復雜的電阻網(wǎng)絡，該電阻網(wǎng)絡由多個交叉連接線和多相位系統(tǒng)、不同的線纜長度以及各種接地電極路徑導致的電阻組成（請參見圖 7）。

圖 7 接地路徑阻抗復雜性實例

當創(chuàng)建電流環(huán)路時，遠程接地間的直接連接與該網(wǎng)絡并聯(lián)。初始 GPD 試圖通過驅動一個大環(huán)路電流流經(jīng)低阻抗接地線來補償其性能下降 (collapse)。環(huán)路電流耦合至數(shù)據(jù)線電路并生成迭加在傳輸（共模）信號上的噪聲電壓。這有可能會再一次帶來一個高度不可靠的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)遠程接地的直接連接，RS-485 標準建議通過插入電阻（請參見圖 6c）將設備接地和本地系統(tǒng)接地分開。雖然這種方法降低了環(huán)路電流，但是大接地環(huán)路的存在使得數(shù)據(jù)鏈路對環(huán)路沿線其他地方產(chǎn)生的噪聲很敏感。因此，我們還是沒能構建一個穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈路。能承受數(shù)百數(shù)千伏 GPD 的長距離較穩(wěn)健的 RS-485 數(shù)據(jù)鏈路是借助本地信號和電源的總線收發(fā)器信號和電源線的電隔離（請參見圖 8）。

圖 8 兩個具有單端接地參考的遠程收發(fā)器站隔離

諸如隔離式 DC/DC 轉換器的電源隔離器以及諸如數(shù)字電容隔離器的信號隔離器避免了電流環(huán)路的創(chuàng)建并且避免了電流在具高達數(shù)千伏 GPD 的遠程系統(tǒng)接地間流動。

如是沒有接地參考，總線收發(fā)器將會由浮點電源供電。因此，閃電、接地故障或其他嘈雜環(huán)境導致的電流和電壓突波將會把浮點總線共模提升至一個危險的高電平。這些事件不會損壞連接至總線的組件，因為其信號和電源電平均以總線共模為參考，并且在不斷變化的共模參考電壓上波動。

然而，在傳輸線連接至各個收發(fā)器節(jié)點 PCB 連接器的地方，高壓（如果沒有去除的話）會導致電弧并損壞連接器附近的 PCB 組件。要想抑制總線共模上的電流和電壓瞬態(tài)，就必需將一點的總線共模以系統(tǒng)接地為參考。該位置通常位于非隔離收發(fā)器節(jié)點，其為整個總線系統(tǒng)提供了單接地參考。

圖 8 顯示了兩個遠程收發(fā)器節(jié)點的詳細連接，而圖 9 則顯示了一個使用了多個收發(fā)器的隔離式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的例子。除 1 個收發(fā)器以外，所有其他的收發(fā)器均通過隔離連接至總線。左側的非隔離收發(fā)器為整個總線提供了單接地參考。

圖 9 多現(xiàn)場總線收發(fā)器站隔離

結論

設計遠程數(shù)據(jù)鏈路要求實現(xiàn)電源和現(xiàn)場總線-收發(fā)器站信號線的隔離，以規(guī)避對信號完整性及組件的 GPD 和接地環(huán)路的不良影響。

雖然本文中的一些圖講述的是差分數(shù)據(jù)傳輸，但所討論的原理也適用于諸如 RS-232 的單端傳輸系統(tǒng)。