通過現場總線-收發(fā)器系統(tǒng)實現的工業(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)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，會導致系統(tǒng)鎖死甚至損壞總線收發(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關模式電源的簡化結構圖，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 輸出的直流接地通過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電壓變成了本地直流接地電壓。

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。與白熾燈的線性負載相比，其相位電流為一個正弦波形，從而帶來巨大諧波含量（見圖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，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（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相互抵消。由于負載不平衡（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

[!--empirenews.page--]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（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現了接地（French terre）。字母“C”表示通過一個導線而實現的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)，但是由于其成本低于需要更多PE導線的系統(tǒng)而重新得到人們的關注。然而，TN-C方法有一個最大的缺點。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連接處的電壓包括了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)有可能會導致數十V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 處的額外大壓降。

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。

設計遠程數據鏈路
在設計遠程數據鏈路時，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（見圖6）。這也同樣適用于“上乘的”RS485收發(fā)器，如TI的SN65HVD2x產品系列，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。該修改會在一定程度上增加GPD，從而會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。切記，電氣安裝是一個高度復雜的電阻網絡，該電阻網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（見圖7）。

圖7 接地路徑阻抗復雜性實例

[!--empirenews.page--]當創(chuàng)建電流環(huán)路時，遠程接地間的直接連接與該網絡并聯。初始GPD試圖通過驅動一個大環(huán)路電流流經低阻抗接地線來補償其性能下降(collapse)。環(huán)路電流耦合至數據線電路并生成迭加在傳輸（共模）信號上的噪聲電壓。這有可能會再一次造成一個高度不可靠的數據傳輸系統(tǒng)。

為了實現遠程接地的直接連接，RS-485標準建議通過插入電阻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)路的存在使得數據鏈路對環(huán)路沿線其他地方產生的噪聲很敏感。因此，我們還是沒能構建一個穩(wěn)健的數據鏈路。能承受數百數千伏GPD的長距離最穩(wěn)健的RS-485數據鏈路借助了本地信號、電源的總線收發(fā)器信號和電源線的電隔離（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

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(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尖峰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）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)，就必須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)器的隔離式數據傳輸系統(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 多現場總線收發(fā)器站隔離

結論
設計遠程數據鏈路要求實現電源和現場總線-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據傳輸，但所討論的原理也適用于如RS-232之類的單端傳輸系統(tǒng)。