- 保護電路的鏈路接地方法
- 線(xiàn)性和非線(xiàn)性負載對接地的影響
- 接地系統的分析
- 所有中性導線(xiàn)都并入配電板中的一個(gè)大直徑中性導線(xiàn)
- 插入電阻將設備接地和本地系統接地分開(kāi)
通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)-收發(fā)器系統實(shí)現的工業(yè)通信通常需要較長(cháng)的傳輸線(xiàn)路。設計人員在沒(méi)有察覺(jué)遠程總線(xiàn)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返回路徑，要么直接將兩個(gè)遠程接地連接在一起（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的完整性，會(huì )導致系統鎖死甚至損壞總線(xiàn)收發(fā)器。
為了讓設計人員察覺(jué)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，以及隔離是如何規避這兩種情況發(fā)生的。
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責將線(xiàn)路電壓轉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)化結構圖，該開(kāi)關(guān)模式電源通常用于個(gè)人電腦、激光打印機和其他設備。SMPS輸出的直流接地通過(guò)SMPSChassis以電源的保護性接地(PE)導線(xiàn)為參考。因此，該直接鏈路起了一個(gè)感應導線(xiàn)的作用，從而將PE電壓變成了本地直流接地電壓。
圖1SMPS簡(jiǎn)化結構圖
線(xiàn)性和非線(xiàn)性負載
大型辦公室和工業(yè)樓宇運行著(zhù)大量的非線(xiàn)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(dòng)器。與白熾燈的線(xiàn)性負載相比，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。
所有中性導線(xiàn)都并入配電板中的一個(gè)大直徑中性導線(xiàn)，就像一個(gè)變壓器一樣（見(jiàn)圖5）。在線(xiàn)性負載情況下，多相位系統的中性電流在一定程度上相互抵消。由于負載不平衡（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(xiàn)性負載的多相位電流
但是就非線(xiàn)性負載而言，各單個(gè)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（見(jiàn)圖4）。因此，相比線(xiàn)性負載的中性電流，非線(xiàn)性負載的大量中性電流會(huì )導致電氣安裝線(xiàn)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
大多數電氣安裝均采用TN-C或TN-C-S接地系統，圖5顯示了這兩種接地系統。“TN”是指中性線(xiàn)路在變壓器處實(shí)現了接地（Frenchterre）。字母“C”表示通過(guò)一個(gè)導線(xiàn)而實(shí)現的PE和中性線(xiàn)路的組合使用，標記為“PEN”。PEN貫穿整個(gè)系統，直到一個(gè)分布點(diǎn)（即一個(gè)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(xiàn)。
圖5比TN-C-S系統(b)具有更高GPD的TN-C系統(a)
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雖然TN-C是一種較老式的接地系統，但是由于其成本低于需要更多PE導線(xiàn)的系統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(xiàn)路的拆分發(fā)生在一個(gè)負載的附近，因此本地PE連接處的電壓包括了長(cháng)中性導線(xiàn)線(xiàn)性阻抗RL-N兩端的大壓降。這些壓降都是由非線(xiàn)性負載高中性電流引起的。因此，TN-C系統有可能會(huì )導致數十V遠程接地間的大GPD。
TN-C-S系統通過(guò)開(kāi)啟配電板中一個(gè)額外的PE導線(xiàn)來(lái)降低GPD。此外，系統的中性和PE導線(xiàn)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(xiàn)路阻抗RLS兩端PEN處的額外大壓降。
按照《美國國家電氣規范(NEC)》的規定，PE導線(xiàn)在正常運行時(shí)應該是沒(méi)有電流的。但是，大多數非線(xiàn)性負載都會(huì )將較低毫安的電流泄漏到PE導線(xiàn)中。雖然這一泄漏的電流量對一個(gè)電路而言非常小，但是當數百個(gè)電路都向同一條線(xiàn)路上泄漏電流時(shí)，這一電流會(huì )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(xiàn)線(xiàn)路阻抗兩端的壓降，泄漏電流確實(shí)會(huì )在遠程接地位置間產(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 )導致什么問(wèn)題。在設計兩個(gè)遠程電路間的通信鏈路時(shí)（即現場(chǎng)總線(xiàn)-收發(fā)器站），GPD就變得引人關(guān)注了，這兩個(gè)遠程電路間的通信鏈路由不同的電源供電。
設計遠程數據鏈路
在設計遠程數據鏈路時(shí)，設計人員必須要假設GPD的存在。這些電壓作為共模噪聲Vn添加到發(fā)送器輸出。即使總迭加信號在接收機的輸入共模范圍內，將本地接地作為返回電流的可靠路徑也是很危險的（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(huì )在一定程度上增加GPD，從而會(huì )超出接收機的輸入共模范圍。因此，目前工作很出色的數據鏈路可能會(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(xiàn)將遠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)高度復雜的電阻網(wǎng)絡(luò )，該電阻網(wǎng)絡(luò )由多個(gè)交叉連接線(xiàn)和多相位系統、不同的線(xiàn)纜長(cháng)度以及各種接地電極路徑導致的電阻組成（見(jiàn)圖7）。
圖7接地路徑阻抗復雜性實(shí)例
當創(chuàng )建電流環(huán)路時(shí)，遠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)驅動(dòng)一個(gè)大環(huán)路電流流經(jīng)低阻抗接地線(xiàn)來(lái)補償其性能下降(collapse)。環(huán)路電流耦合至數據線(xiàn)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(huì )再一次造成一個(gè)高度不可靠的數據傳輸系統。
為了實(shí)現遠程接地的直接連接，RS-485標準建議通過(guò)插入電阻將設備接地和本地系統接地分開(kāi)。雖然這種方法降低了環(huán)路電流，但是大接地環(huán)路的存在使得數據鏈路對環(huán)路沿線(xiàn)其他地方產(chǎn)生的噪聲很敏感。因此，我們還是沒(méi)能構建一個(gè)穩健的數據鏈路。能承受數百數千伏GPD的長(cháng)距離最穩健的RS-485數據鏈路借助了本地信號、電源的總線(xiàn)收發(fā)器信號和電源線(xiàn)的電隔離（見(jiàn)圖8）。
圖8兩個(gè)具有單端接地參考的遠程收發(fā)器站隔離
如隔離式DC/DC轉換器的電源隔離器以及如數字電容隔離器的信號隔離器避免了電流環(huán)路的創(chuàng )建及電流在具高達數千伏GPD的遠程系統接地間流動(dòng)。
如是沒(méi)有接地參考，總線(xiàn)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)境導致的電流和電壓尖峰把浮點(diǎn)總線(xiàn)共模提升至一個(gè)危險的高電平。這些事件不會(huì )損壞連接至總線(xiàn)的組件，因為其信號和電源電平均以總線(xiàn)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(xiàn)連接至各個(gè)收發(fā)器節點(diǎn)PCB連接器的地方，高壓（如果沒(méi)有去除）會(huì )導致電弧并損壞連接器附近的PCB組件。要想抑制總線(xiàn)共模上的電流和電壓瞬態(tài)，就必須將一點(diǎn)的總線(xiàn)共模以系統接地為參考。該位置通常位于非隔離收發(fā)器節點(diǎn)，其為整個(gè)總線(xiàn)系統提供了單接地參考。
圖8顯示了兩個(gè)遠程收發(fā)器節點(diǎn)的詳細連接，而圖9則顯示了一個(gè)使用了多個(gè)收發(fā)器的隔離式數據傳輸系統的例子。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(xiàn)。左側的非隔離收發(fā)器為整個(gè)總線(xiàn)提供了單接地參考。
圖9多現場(chǎng)總線(xiàn)收發(fā)器站隔離
設計遠程數據鏈路要求實(shí)現電源和現場(chǎng)總線(xiàn)-收發(fā)器站信號線(xiàn)的隔離，以規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據傳輸，但所討論的原理也適用于如RS-232之類(lèi)的單端傳輸系統。
