工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)正在采用混合電壓設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)電源優(yōu)化、性能提升和成本降低。由于意外的接地不匹配，不同電源域的集成變得具有挑戰(zhàn)性。當(dāng)域之間的接地基準(zhǔn)電壓偏離預(yù)期的 0V 基準(zhǔn)電壓時(shí)（偏離幅度從幾伏到幾十伏不等），就會(huì)發(fā)生這種情況。接地漂移會(huì)干擾系統(tǒng)之間的通信。解決這一問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)可靠系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

如今是如何解決接地不匹配問(wèn)題的？

如今，設(shè)計(jì)人員采用多種方法來(lái)解決系統(tǒng)中的接地不匹配問(wèn)題。第一種是采用適當(dāng)?shù)?PCB 接地技術(shù)，如專(zhuān)用接地平面、星形接地技術(shù)，以及將模擬和數(shù)字接地分離。但是，這種方法需要精心的布局規(guī)劃，并且會(huì)占用額外的電路板空間。如果在電路板設(shè)計(jì)完成后發(fā)生接地漂移，則需要完全重新設(shè)計(jì)，進(jìn)而增加開(kāi)發(fā)時(shí)間。分立式電平位移是另一種技術(shù)，使用電阻分壓器或基于晶體管的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)跨接地。不過(guò)，這種設(shè)計(jì)不太適合接地電勢(shì)差較大的系統(tǒng)，存在信號(hào)完整性和計(jì)時(shí)特點(diǎn)較差的問(wèn)題，并且需要大量布板空間。最后一種也許是最常用的方法，那就是采用基于電隔離，將具有不同接地電勢(shì)的子系統(tǒng)去耦。隔離通常成本較高，并且會(huì)引入額外的信號(hào)延遲。這也會(huì)使電源設(shè)計(jì)復(fù)雜化，因?yàn)楦綦x的各部分需要獨(dú)立的電源。

TI 最新的電壓和接地電平轉(zhuǎn)換器

德州儀器 (TI) 的TXG 系列引入了一種新方法，通過(guò)能夠同時(shí)進(jìn)行電壓和接地電平位移的轉(zhuǎn)換器來(lái)緩解系統(tǒng)中的接地不匹配問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)不同電源域之間的通信。TXG804x、TXG802x 和 TXG8010可處理高達(dá) ±80V 的接地不匹配，I/O 電壓電平位移范圍為 1.71V 至 5.5V，并具有適用于 SPI、UART、I2S 和 GPIO 等接口的推挽輸出。這些器件支持超過(guò) 250Mbps 的極高數(shù)據(jù)速率，具有小于 5ns 的低傳播延遲和 0.35ns 的通道間偏斜。TXG8122還可處理高達(dá) ±80V 的接地不匹配，可實(shí)現(xiàn)從 3V 至 5.5V（1 側(cè)）到 2.25V 至 5.5V（2 側(cè)）的 I/O 電壓電平位移，并具有適用于 I2C 等接口的漏極開(kāi)路輸出。

接地漂移示例

在一些用例中，接地不匹配可能成為問(wèn)題，下面總結(jié)了三種類(lèi)型的接地漂移：直流漂移、交流接地噪聲和有意的接地漂移。

直流漂移

系統(tǒng)中的直流漂移可能會(huì)導(dǎo)致接地不匹配，如圖 1 所示。當(dāng)流經(jīng)接地路徑的電流由于導(dǎo)線的寄生效應(yīng)而導(dǎo)致壓降時(shí)，就會(huì)發(fā)生直流漂移。這會(huì)在兩個(gè)系統(tǒng)之間造成接地不匹配。這種現(xiàn)象在具有高電流負(fù)載或長(zhǎng)接地路徑的系統(tǒng)中尤為常見(jiàn)。

圖 1：直流漂移

圖 2 給出了一個(gè)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 (EPS) 系統(tǒng)的示例。在該系統(tǒng)中，使用兩個(gè)微控制器 (MCU) 來(lái)在故障事件期間維持持續(xù)運(yùn)行。兩個(gè) MCU 相互通信，但其中一個(gè)用作冗余備份，以防主 MCU 停止工作。雖然兩個(gè) MCU 通常都以公共接地為基準(zhǔn)，但系統(tǒng)中的高電流負(fù)載會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)域之間發(fā)生接地漂移。傳統(tǒng)上，使用數(shù)字隔離器來(lái)管理這些接地電勢(shì)差。但是，這種情況不需要電隔離，TXG8041是一種更緊湊且更具成本效益的替代方案。

圖 2：使用 TXG 的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向

直流漂移的另一個(gè)示例可在無(wú)繩電動(dòng)工具的電池組中看到。在電池組系統(tǒng)中，通常使用電池管理系統(tǒng) (BMS) 來(lái)控制電力輸送并監(jiān)測(cè)電池狀況。一種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)是使用低側(cè) FET 將電池負(fù)極端子連接到電池組接地，該接地端用作電鉆等電器的公共基準(zhǔn)。當(dāng) FET 導(dǎo)通時(shí)，電池的負(fù)極端子連接至電池組接地。當(dāng) FET 關(guān)斷時(shí)，電池的負(fù)極端子實(shí)際處于懸空狀態(tài)，可能漂移到與電池組接地不同的基準(zhǔn)電平，進(jìn)而可能干擾 BMS 和電鉆控制電路之間的通信。傳統(tǒng)上，使用分立式元件在電池負(fù)極端子和電池組接地之間實(shí)現(xiàn)電平位移。但是，完全可以用集成的TXG8021來(lái)替代該元件，如圖 3 所示。

圖 3：使用 TXG 的無(wú)繩電動(dòng)工具

交流接地噪聲

交流噪聲是指由動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致的接地干擾，會(huì)導(dǎo)致接地噪聲或接地不穩(wěn)定，如圖 4 所示。這種現(xiàn)象通常稱(chēng)為接地反彈，也可能導(dǎo)致系統(tǒng)之間的信號(hào)完整性問(wèn)題。在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中，將高速數(shù)字電路與精密模擬元件相連時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)該問(wèn)題。

圖 4：交流接地噪聲

圖 5 顯示了測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用中的一個(gè)示例，其中現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 以數(shù)字接地為基準(zhǔn)，必須與以電源接地為基準(zhǔn)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 相連。兩個(gè)接地端最終被連接在一起以建立公共基準(zhǔn)，但它們可以位于 PCB 上的不同接地平面上，以幫助將數(shù)字噪聲與敏感的模擬電路分離。系統(tǒng)的數(shù)字側(cè)可能發(fā)生快速開(kāi)關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致交流噪聲。傳導(dǎo)至電源接地的噪聲會(huì)引起 DAC 參考電壓波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致模擬輸出性能下降或失真。在下面這個(gè)示例中，使用了TXG8042來(lái)消除有噪聲的接地，并實(shí)現(xiàn)精確數(shù)模轉(zhuǎn)換所需的精密通信。

圖 5：使用 TXG 的半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備

有意的接地漂移

有意的接地漂移是指系統(tǒng)出于自身利益而特意使用偏移的接地。一個(gè)示例是具有負(fù)電壓軌的拓?fù)洹?/strong>這種拓?fù)淇梢栽诨?GaN 的功率級(jí)設(shè)計(jì)中看到，其中在 D 類(lèi)音頻放大器中使用 -50V 接地來(lái)增加放大器輸出可用的總電壓擺幅。更大的電壓擺幅使放大器能夠?yàn)閾P(yáng)聲器提供更高的均方根 (RMS) 功率，從而實(shí)現(xiàn)更響亮、更清晰的音頻輸