如何通過(guò)隔離來(lái)保證接地質(zhì)量

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)避這兩種情況發(fā)生的。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線-收發(fā)器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工業(yè)通信通常需要較長(zhǎng)的傳輸線路。設(shè)計(jì)人員在沒(méi)有察覺(jué)遠(yuǎn)程總線位置間的接地電位差 (GPD)較大的情況下，要么將本地接地作為可靠的信號(hào)返回路徑，要么直接將兩個(gè)遠(yuǎn)程接地連接在一起（創(chuàng)建一個(gè)嘈雜的接地環(huán)路）。這兩種情況均危及到了傳輸信號(hào)的完整性，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)鎖死甚至損壞總線收發(fā)器。

鏈路接地
本地電路直流接地與電源接地參考電壓間的鏈路通常由負(fù)責(zé)將線路電壓轉(zhuǎn)換成所需直流輸出的電源提供。圖1顯示了一款低成本開(kāi)關(guān)模式電源的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，該開(kāi)關(guān)模式電源通常用于個(gè)人電腦、激光打印機(jī)和其他設(shè)備。SMPS 輸出的直流接地通過(guò)SMPS Chassis以電源的保護(hù)性接地(PE)導(dǎo)線為參考。因此，該直接鏈路起了一個(gè)感應(yīng)導(dǎo)線的作用，從而將PE電壓變成了本地直流接地電壓。

圖1 SMPS簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

線性和非線性負(fù)載
大型辦公室和工業(yè)樓宇運(yùn)行著大量的非線性負(fù)載，如PC、激光打印機(jī)、固態(tài)加熱器控制、熒光燈管、不間斷電源以及變速驅(qū)動(dòng)器。與白熾燈的線性負(fù)載相比，其相位電流為一個(gè)正弦波形，從而帶來(lái)巨大諧波含量（見(jiàn)圖2）。

圖2 失真相位電流及其頻率分量

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

所有中性導(dǎo)線都并入配電板中的一個(gè)大直徑中性導(dǎo)線，就像一個(gè)變壓器一樣（見(jiàn)圖5）。在線性負(fù)載情況下，多相位系統(tǒng)的中性電流在一定程度上相互抵消。由于負(fù)載不平衡（見(jiàn)圖3），只有總中性電流的一小部分保留了下來(lái)。

圖3 線性負(fù)載的多相位電流

但是就非線性負(fù)載而言，各單個(gè)電流合計(jì)可達(dá)總中性電流之多。該中性電流主要由第三諧波組成（見(jiàn)圖4）。因此，相比線性負(fù)載的中性電流，非線性負(fù)載的大量中性電流會(huì)導(dǎo)致電氣安裝線路電阻兩端有更高的壓降。

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)電氣安裝均采用TN-C 或 TN-C-S 接地系統(tǒng)，圖5顯示了這兩種接地系統(tǒng)?！癟N”是指中性線路在變壓器處實(shí)現(xiàn)了接地（French terre）。字母“C”表示通過(guò)一個(gè)導(dǎo)線而實(shí)現(xiàn)的PE和中性線路的組合使用，標(biāo)記為“PEN”。PEN貫穿整個(gè)系統(tǒng)，直到一個(gè)分布點(diǎn)（即一個(gè)安裝板）接近負(fù)載為止，其在此處被拆分為PE和直接連接到負(fù)載的獨(dú)立中性導(dǎo)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)，但是由于其成本低于需要更多PE導(dǎo)線的系統(tǒng)而重新得到人們的關(guān)注。然而，TN-C方法有一個(gè)最大的缺點(diǎn)。由于PE 和中性線路的拆分發(fā)生在一個(gè)負(fù)載的附近，因此本地PE連接處的電壓包括了長(zhǎng)中性導(dǎo)線線性阻抗RL-N兩端的大壓降。這些壓降都是由非線性負(fù)載高中性電流引起的。因此，TN-C系統(tǒng)有可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)十V遠(yuǎn)程接地間的大GPD。

TN-C-S 系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)啟配電板中一個(gè)額外的 PE 導(dǎo)線來(lái)降低 GPD。此外，系統(tǒng)的中性和PE導(dǎo)線的星形連接有一個(gè)二次接地，從而降低了該點(diǎn)處的等電位并抵消了源線路阻抗RLS兩端 PEN 處的額外大壓降。

按照《美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范(NEC)》的規(guī)定，PE導(dǎo)線在正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)該是沒(méi)有電流的。但是，大多數(shù)非線性負(fù)載都會(huì)將較低毫安的電流泄漏到PE導(dǎo)線中。雖然這一泄漏的電流量對(duì)一個(gè)電路而言非常小，但是當(dāng)數(shù)百個(gè)電路都向同一條線路上泄漏電流時(shí)，這一電流會(huì)很輕松地達(dá)到幾安培。

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

就僅限于一個(gè)本地電源供電的電路而言，GPD不會(huì)導(dǎo)致什么問(wèn)題。在設(shè)計(jì)兩個(gè)遠(yuǎn)程電路間的通信鏈路時(shí)（即現(xiàn)場(chǎng)總線-收發(fā)器站），GPD就變得引人關(guān)注了，這兩個(gè)遠(yuǎn)程電路間的通信鏈路由不同的電源供電。

設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈路
在設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈路時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須要假設(shè)GPD的存在。這些電壓作為共模噪聲Vn添加到發(fā)送器輸出。即使總迭加信號(hào)在接收機(jī)的輸入共模范圍內(nèi)，將本地接地作為返回電流的可靠路徑也是很危險(xiǎn)的（見(jiàn)圖6）。這也同樣適用于“上乘的”RS485收發(fā)器，如TI的SN65HVD2x產(chǎn)品系列，其輸入共模范圍介于－20～+25V之間。

圖6 設(shè)計(jì)缺陷

電氣安裝（即定期維護(hù)期間）的任何修改都超出了設(shè)計(jì)人員控制范圍。該修改會(huì)在一定程度上增加GPD，從而會(huì)超出接收機(jī)的輸入共模范圍。因此，目前工作很出色的數(shù)據(jù)鏈路可能會(huì)在將來(lái)某個(gè)時(shí)間停止工作。
但也不建議通過(guò)一條接地線將遠(yuǎn)程接地直接連接在一起來(lái)去除GPD。切記，電氣安裝是一個(gè)高度復(fù)雜的電阻網(wǎng)絡(luò)，該電阻網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)交叉連接線和多相位系統(tǒng)、不同的線纜長(zhǎng)度以及各種接地電極路徑導(dǎo)致的電阻組成（見(jiàn)圖7）。

圖7 接地路徑阻抗復(fù)雜性實(shí)例

當(dāng)創(chuàng)建電流環(huán)路時(shí)，遠(yuǎn)程接地間的直接連接與該網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)。初始GPD試圖通過(guò)驅(qū)動(dòng)一個(gè)大環(huán)路電流流經(jīng)低阻抗接地線來(lái)補(bǔ)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(hào)上的噪聲電壓。這有可能會(huì)再一次造成一個(gè)高度不可靠的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接地的直接連接，RS-485標(biāo)準(zhǔn)建議通過(guò)插入電阻將設(shè)備接地和本地系統(tǒng)接地分開(kāi)。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(duì)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(méi)能構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈路。能承受數(shù)百數(shù)千伏GPD的長(zhǎng)距離最穩(wěn)健的RS-485數(shù)據(jù)鏈路借助了本地信號(hào)、電源的總線收發(fā)器信號(hào)和電源線的電隔離（見(jiàn)圖8）。

圖8? 兩個(gè)具有單端接地參考的遠(yuǎn)程收發(fā)器站隔離

如隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的電源隔離器以及如數(shù)字電容隔離器的信號(hào)隔離器避免了電流環(huán)路的創(chuàng)建及電流在具高達(dá)數(shù)千伏GPD的遠(yuǎn)程系統(tǒng)接地間流動(dòng)。

如是沒(méi)有接地參考，總線收發(fā)器將會(huì)由浮點(diǎn)電源供電。因此，閃電、接地故障或其他嘈雜環(huán)境導(dǎo)致的電流和電壓尖峰把浮點(diǎn)總線共模提升至一個(gè)危險(xiǎn)的高電平。這些事件不會(huì)損壞連接至總線的組件，因?yàn)槠湫盘?hào)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(dòng)。

然而，在傳輸線連接至各個(gè)收發(fā)器節(jié)點(diǎn)PCB連接器的地方，高壓（如果沒(méi)有去除）會(huì)導(dǎo)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)，就必須將一點(diǎn)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(diǎn)，其為整個(gè)總線系統(tǒng)提供了單接地參考。

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

圖9 多現(xiàn)場(chǎng)總線收發(fā)器站隔離

結(jié)論
設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈路要求實(shí)現(xiàn)電源和現(xiàn)場(chǎng)總線-收發(fā)器站信號(hào)線的隔離，以規(guī)避對(duì)信號(hào)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?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，但所討論的原理也適用于如RS-232之類的單端傳輸系統(tǒng)。