隨著系統越來越精巧、有效率和模組化，設計人員也面臨了管理不同電壓域間通訊的新挑戰。主要範例為 <100V_DC 架構的興起，其中包括電動車 (EVs)、機器人和能源儲存系統中的 48V 系統。這些架構可避免高電壓設計的複雜性，同時有效維持電力輸送，實現更小，更整合的設計。與這一趨勢同時，模組化的設計原則也在不斷崛起——為特定功能量身定制的優化，可互換的組件。例如，電動工具等消費產品通常都需仰賴單一可互換電池，因此可更輕易的為多個裝置充電和管理。

隨著模組化低電壓系統越來越受歡迎，新的整合挑戰也隨之出現：在不同電壓域和接地域間實現流暢通訊。TI 的 ±80V 接地電平轉換器（如圖 1所示）支援 1.71V 至 5.5V 的電壓轉換，適用於具不同接地電位的系統，有助於達成可靠、精巧且具擴展性的系統設計。

為解決低於 80V 電壓範圍的接地偏移，設計人員傳統上會使用電隔離或離散位準移位器，但兩者都需在複雜性、尺寸和成本上做取捨：

• 電隔離器不僅昂貴、體積龐大，且在資料速率和時序性能上通常受到限制。表 1下方說明了此解決方案與接地電平轉換器之間的差異。
• 離散位準移位器可處理單向低速訊號，但其可靠性有限，且不利於系統擴展。雖然成本低，但解決方案尺寸約為 10mm² 至 20mm²。

接地偏移的挑戰

模組化設計中的子系統利用自己的電壓和接地參考運作。但當這些系統結合在一起時，即使接地電位的微小差異也可能造成訊號完整性問題和通訊錯誤。如在圖 2和圖 3中所見，接地偏移可能來自 DC 移位或 AC 接地雜訊。

DC 接地偏移

電壓差異可能會因導線電阻或長纜線而產生。在多電壓域系統中，一個電壓域可能會因局部負載電流或不對稱接地拓撲的影響，而「浮動」至高於或低於另一電壓域數伏特。其中一個子系統可能以短而寬的導線連接至主接地，而另一子系統則以長而細的導線連接至接地平面。

AC 接地雜訊

在數位、類比和電源電路共存的混合訊號系統中， AC 接地雜訊很常見。在電源端，此雜訊來自切換電源元件所產生的大量且快速變化的回流電流。在數位電路端，高速訊號轉換會將暫態電流注入數位接地。這些波動可能會改變局部的接地電位，進而干擾假設有共用接地參考的子系統之間的通訊。

專為低電壓系統設計的接地電平轉換器

TI 的接地電平轉換器支援 1.71V 至 5.5V 的 I/O 電壓位準移位，並可處理高達 ±80V 的 DC 接地偏移與在 1MHz 下高達 140Vpp 的 AC 雜訊拒斥，且尺寸只有 1/7 ，成本也只有更複雜解決方案的一半。TXG8041 支援具 <5ns 傳播延遲和 0.35ns 通道間偏斜的推拉輸出，可快速處理資料，以在系統間以高達 250Mbps 的速度進行即時通訊。TXG8122 支援包括 I²C 在內的汲極斷路配置，消耗的功耗僅為現有解決方案的一半，可將功耗降到最低，以延長電池壽命並減少熱負載。這些轉換器透過小至 2.25mm² 的外型尺寸封裝提供精巧外型，並透過多種通道類型和配置實現可擴展性。

48V 架構中的應用

隨著 48V 架構與 EV 製造商的合作不斷增強，電子設計以最新的國際標準化組織 21780 標準為後盾，該標準要求進行接地偏移特定測試，確保在不同接地電位下運作的裝置間能進行可靠通訊。在這類系統中，以 48V 運作的控制模組可能需要與 12V 感測器通訊，即便因電路佈局或負載條件造成數伏特的接地位移，也必須確保通訊穩定可靠。

TXG8041 可支援跨越接地電位差異（高達 ±80V）的系統通訊，涵蓋 48V 電池系統可能出現的暫態偏移，並具備高速資料速率與低傳播延遲，能有效支援高速 SPI 通訊需求。如圖 4中所示，接地電平轉換器採用單通道最小 2.25mm² 封裝，四通道配置最小 4mm² 封裝，體積遠小於一般電隔離器。

啟用電池組監控

電池供電系統（如家電、電動腳踏車與儲能系統）日益採用堆疊式電池監控器，以支援更高電壓與更長的運行時間。在這些架構中，每個監視器都會測量一部分的堆疊。最上層的監控器通常以接近整組電池電壓一半的接地參考運作（例如 24V），因此其接地電位與系統微控制器 (MCU) 不同，導致無法直接通訊。這種刻意設計的拓撲結構會產生接地偏移。TXG8122 可進行 I²C 通訊，通常用於 MCU 和電池監控器之間的通訊。此裝置也可在靜態匯流排情況下也能降低功耗，而其 4mm² 體積有助於小型化，並可彈性整合至模組化系統。

結論

系統間的接地偏移一直存在，但隨著低電壓模組化架構逐漸受到重視，這種情況也越來越普遍。TI 的 ±80V 接地電平轉換器提供了解決此挑戰的簡單解決方案，可透過 SPI 或 I²C 等介面，在不同接地電平間進行電壓轉換現在，您可以可用遠低於傳統方案的體積與成本運用這項技術，實現最高 2 倍的效能提升，同時確保訊號完整性與系統穩定運行。

其他資源

• 請閱讀應用說明，並非所有接地都是 0V。
• 開始使用 TXGx04x 4 通道接地電平轉換器評估模組。
• 了解我們全新的一級電平轉換器產品組合。
• 請查看應用說明，使用類比開關取代光繼電器時的主要電壓設計考量。