作者：Thomas Kugelstadt，德州仪器 (TI) 高级应用工程师

通过现场总线-收发器系统实现的工业通信通常需要较长的传输线路。设计人员在没有察觉远程总线位置间的接地电位差 (GPD)比较大的情况下要么将本地接地作为可靠的信号返回路径，要么直接将两个远程接地连接在一起（创建一个嘈杂的接地环路）。这两种情况均危及到了传输信号的完整性，这会导致系统锁死甚至会损坏总线收发器。

为了让设计人员察觉到这些设计缺陷，本文阐述了电气安装中 GPD 的源头位置、接地环路如何自然地创建、以及隔离是如何规避这两种情况的发生，来提供一个稳健的数据传输系统的。

链路接地

本地电路直流 (AC) 接地与电源接地参考电压间的链路通常由负责将线路电压转换成所需 DC 输出的电源提供。图 1 显示了一款低成本开关模式电源 (SMPS) 的简化结构图，该开关模式电源通常用于个人电脑、激光打印机和其他设备。SMPS 输出的 DC 接地通过 SMPS Chassis 以电源的保护性接地 (PE) 导线为参考。因此，该直接链路起了一个感应导线的作用，从而将 PE 电压构建成了本地 DC 接地电压。

图 1 SMPS 简化结构图

线性和非线性负载

大型办公室和工业楼宇运行着大量的非线性负载，如 PC、激光打印机、固态加热器控制、荧光灯管、不间断电源以及变速驱动器。与诸如白炽灯的线性负载相比，其相位电流为一个正弦波形，非线性负载扭曲了相位电流，从而带来巨大谐波含量（请参见图 2）。

图 2 失真相位电流及其频率分量

当基本 60Hz 行扫描频率的第三谐波和第五谐波成为谐波含量的主要组成部分时，所有频率分量（包括 60Hz 基频）的矢量总和就可以达到峰值，该峰值超过基本相位电流振幅的 100% 以上。

所有中性导线都并入配电板中的一个大直径中性导线，就像一个变压器一样（请参见图 5）。在线性负载情况下，多相位系统的中性电流在一定程度上实现了彼此抵消。由于负载不平衡（请参见图 3），只有总中性电流的一小部分保留了下来。

图 3 线性负载的多相位电流

但是就非线性负载而言，各单个电流合计可达总中性电流之多，该中性电流主要由第三谐波组成（请参见图 4）。因此，相比线性负载的中性电流，非线性负载的大量中性电流会导致电气安装线路电阻两端有明显更高的压降。

图 4 主要由第三谐波组成的总中性电流

接地系统

大多数电气安装均使 TN-C 或 TN-C-S 接地系统，图 5 显示了这两种接地系统。“TN”是指中性线路在变压器处实现了接地（French terre）。字母“C”表示通过一个导线而实现的 PE 和中性线路的组合使用，标记为“PEN”。PEN 贯穿整个系统，直到一个分布点（即一个安装板）接近负载为止，其在此处被拆分为 PE 和直接连接到负载的独立中性导线。

图 5 比 TN-C-S 系统 (b) 具有更高 GPD 的 TN-C 系统 (a)

虽然 TN-C 是一种较老式的接地系统，但是由于其比需要更多 PE 导线的系统成本低而重新得到人们的关注。然而，TN-C 方法有一个最大的缺点。由于PE 和中性线路的拆分发生在一个负载的附近，因此本地 PE 连接处的电压包括长中性导线线性阻抗 RL-N 两端的大压降。这些压降都是由非线性负载高中性电流引起的。因此，TN-C 系统有可能会导致数十伏远程接地间的大 GPD。

TN-C-S 系统通过开启配电板中一个额外的 PE 导线来降低 GPD。此外，系统的中性和 PE 导线的星形连接有一个二次接地，从而降低了该点处的等电位并抵消了源线路阻抗 RLS 两端 PEN 处额外的大压降。

按照《美国国家电气规范 (NEC)》的规定，PE 导线在正常运行时应该是没有电流的。但是，大多数非线性负载都会将较低毫安的电流泄漏到 PE 导线中。虽然这一泄漏的电流量对一个电路而言非常小，但是当数百个电路都向同一条线路上泄漏电流时，这一电流会很轻松地达到几安培。

尽管与中性电流相比可以忽略不计，但由于 PE 导线线路阻抗两端的压降，泄漏电流确实会在远程接地位置间产生压差。这些 GPD 都在几毫安范围内甚至更低，因此大大低于 TN-C 系统中的电流。

就仅限于一个本地电源供电的电路而言，GPD 不会导致什么问题。在设计两个远程电路间的通信链路时（即现场总线-收发器站），GPD 就变得引人关注了，这两个远程电路间的通信链路由不同的电源供电。

设计远程数据链路

图 6 设计缺陷

图 6 设计缺陷

电气安装（即定期维护期间）的任何修改都超出了设计人员控制范围。该修改会在一定程度上增加 GPD，从而会偶尔或总是超出接收机的输入共模范围。因此，当今工作很出色的数据链路可能会在将来某个时间停止工作。

但也不建议通过一条接地线将远程接地直接连接在一起来去除 GPD（请参见图 6b）。切记电气安装是一个高度复杂的电阻网络，该电阻网络由多个交叉连接线和多相位系统、不同的线缆长度以及各种接地电极路径导致的电阻组成（请参见图 7）。

图 7 接地路径阻抗复杂性实例

当创建电流环路时，远程接地间的直接连接与该网络并联。初始 GPD 试图通过驱动一个大环路电流流经低阻抗接地线来补偿其性能下降 (collapse)。环路电流耦合至数据线电路并生成迭加在传输（共模）信号上的噪声电压。这有可能会再一次带来一个高度不可靠的数据传输系统。

为了实现远程接地的直接连接，RS-485 标准建议通过插入电阻（请参见图 6c）将设备接地和本地系统接地分开。虽然这种方法降低了环路电流，但是大接地环路的存在使得数据链路对环路沿线其他地方产生的噪声很敏感。因此，我们还是没能构建一个稳健的数据链路。能承受数百数千伏 GPD 的长距离最稳健的 RS-485 数据链路是借助本地信号和电源的总线收发器信号和电源线的电隔离（请参见图 8）。

图 8 两个具有单端接地参考的远程收发器站隔离

诸如隔离式 DC/DC 转换器的电源隔离器以及诸如数字电容隔离器的信号隔离器避免了电流环路的创建并且避免了电流在具高达数千伏 GPD 的远程系统接地间流动。

如是没有接地参考，总线收发器将会由浮点电源供电。因此，闪电、接地故障或其他嘈杂环境导致的电流和电压突波将会把浮点总线共模提升至一个危险的高电平。这些事件不会损坏连接至总线的组件，因为其信号和电源电平均以总线共模为参考，并且在不断变化的共模参考电压上波动。

然而，在传输线连接至各个收发器节点 PCB 连接器的地方，高压（如果没有去除的话）会导致电弧并损坏连接器附近的 PCB 组件。要想抑制总线共模上的电流和电压瞬态，就必需将一点的总线共模以系统接地为参考。该位置通常位于非隔离收发器节点，其为整个总线系统提供了单接地参考。

图 8 显示了两个远程收发器节点的详细连接，而图 9 则显示了一个使用了多个收发器的隔离式数据传输系统的例子。除 1 个收发器以外，所有其他的收发器均通过隔离连接至总线。左侧的非隔离收发器为整个总线提供了单接地参考。

图 9 多现场总线收发器站隔离

结论

设计远程数据链路要求实现电源和现场总线-收发器站信号线的隔离，以规避对信号完整性及组件的 GPD 和接地环路的不良影响。

虽然本文中的一些图讲述的是差分数据传输，但所讨论的原理也适用于诸如 RS-232 的单端传输系统。