工業(yè)和汽車系統(tǒng)正在采用混合電壓設(shè)計，以實現(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)域之間的接地基準電壓偏離預(yù)期的 0V 基準電壓時（偏離幅度從幾伏到幾十伏不等），就會發(fā)生這種情況。接地漂移會干擾系統(tǒng)之間的通信。解決這一問題是實現(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題的？

如今，設(shè)計人員采用多種方法來解決系統(tǒng)中的接地不匹配問題。第一種是采用適當(dāng)?shù)?PCB 接地技術(shù)，如專用接地平面、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，并且會占用額外的電路板空間。如果在電路板設(shè)計完成后發(fā)生接地漂移，則需要完全重新設(shè)計，進而增加開發(fā)時間。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實現(xiàn)跨接地。不過，這種設(shè)計不太適合接地電勢差較大的系統(tǒng)，存在信號完整性和計時特點較差的問題，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的子系統(tǒng)去耦。隔離通常成本較高，并且會引入額外的信號延遲。這也會使電源設(shè)計復(fù)雜化，因為隔離的各部分需要獨立的電源。

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，通過能夠同時進行電壓和接地電平位移的轉(zhuǎn)換器來緩解系統(tǒng)中的接地不匹配問題，從而實現(xiàn)不同電源域之間的通信。TXG804x、TXG802x 和 TXG8010 可處理高達 ±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 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 ±80V 的接地不匹配，可實現(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題，下面總結(jié)了三種類型的接地漂移：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，就會發(fā)生直流漂移。這會在兩個系統(tǒng)之間造成接地不匹配。這種現(xiàn)象在具有高電流負載或長接地路徑的系統(tǒng)中尤為常見。

圖 1 直流漂移

圖 2 給出了一個電動助力轉(zhuǎn)向 (EPS) 系統(tǒng)的示例。在該系統(tǒng)中，使用兩個微控制器 (MCU) 來在故障事件期間維持持續(xù)運行。兩個 MCU 相互通信，但其中一個用作冗余備份，以防主 MCU 停止工作。雖然兩個 MCU 通常都以公共接地為基準，但系統(tǒng)中的高電流負載會導(dǎo)致兩個域之間發(fā)生接地漂移。傳統(tǒng)上，使用數(shù)字隔離器來管理這些接地電勢差。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 的電動助力轉(zhuǎn)向

直流漂移的另一個示例可在無繩電動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) 來控制電力輸送并監(jiān)測電池狀況。一種常見的設(shè)計是使用低側(cè) FET 將電池負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。當(dāng) FET 導(dǎo)通時，電池的負極端子連接至電池組接地。當(dāng) FET 關(guān)斷時，電池的負極端子實際處于懸空狀態(tài)，可能漂移到與電池組接地不同的基準電平，進而可能干擾 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極端子和電池組接地之間實現(xiàn)電平位移。但是，完全可以用集成的 TXG8021 來替代該元件，如 圖 3 所示。

圖 3 使用 TXG 的無繩電動工具

交流接地噪聲

交流噪聲是指由動態(tài)變化導(dǎo)致的接地干擾，會導(dǎo)致接地噪聲或接地不穩(wěn)定，如 圖 4 所示。這種現(xiàn)象通常稱為接地反彈，也可能導(dǎo)致系統(tǒng)之間的信號完整性問題。在混合信號設(shè)計中，將高速數(shù)字電路與精密模擬元件相連時可能會出現(xiàn)該問題。

圖 4 交流接地噪聲

圖 5 顯示了測試和測量應(yīng)用中的一個示例，其中現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 以數(shù)字接地為基準，必須與以電源接地為基準的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 相連。兩個接地端最終被連接在一起以建立公共基準，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)生快速開關(guān)，這會導(dǎo)致交流噪聲。傳導(dǎo)至電源接地的噪聲會引起 DAC 參考電壓波動，進而導(dǎo)致模擬輸出性能下降或失真。在下面這個示例中，使用了 TXG8042 來消除有噪聲的接地，并實現(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。一個示例是具有負電壓軌的拓撲。這種拓撲可以在基于 GaN 的功率級設(shè)計中看到，其中在 D 類音頻放大器中使用 -50V 接地來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為揚聲器提供更高的均方根 (RMS) 功率，從而實現(xiàn)更響亮、更清晰的音頻輸出。在下面的方框圖中，TXG8010 單通道器件可用于橋接位于 0V 接地端的 MCU 與位于 -50V 接地端的 GaN 半橋功率級之間的偏移。

圖 6 使用 TXG 的 GaN 半橋功率級

現(xiàn)在，電池堆疊作為支持更高電壓的方式也更為常見，可實現(xiàn)更長的運行時間和更高的能量容量。這種方法常用于電器、儲能系統(tǒng) (ESS) 和電動汽車應(yīng)用等系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的電池監(jiān)控器通常每個器件僅支持 16 節(jié)電池串聯(lián)，管理更大的電池組往往需要在不同電壓域使用多個監(jiān)控器。在這些系統(tǒng)中，TXG8122 可以促進位于 0V 接地端的 MCU 與頂部電池監(jiān)控器（可能具有 25V 或更高電壓）通過 I2C 接口進行通信。

圖 7 使用 TXG 的電池組

何時使用接地電平轉(zhuǎn)換器

盡管電流隔離器在高壓和安全關(guān)鍵型應(yīng)用中仍然必不可少，但了解何時使用接地電平轉(zhuǎn)換器而非數(shù)字隔離器可以幫助降低系統(tǒng)成本和尺寸，同時提高性能。如果不涉及安全問題，瞬態(tài)電壓不超過 80V，且不需要隔離認證，則接地電平轉(zhuǎn)換器系列是最佳選擇。下面對這兩種設(shè)計進行了比較：

結(jié)語

接地不匹配是現(xiàn)代系統(tǒng)中日益常見的挑戰(zhàn)。無論是由直流漂移、交流接地噪聲還是有意的偏移引起，接地電勢差都可能引發(fā)嚴重的通信、可靠性和信號完整性問題。TI 的 TXG 系列接地電平轉(zhuǎn)換器為傳統(tǒng)方法提供了一種緊湊、具有成本效益且速度更快的替代方案，可在高達 ±80V 的接地電勢差范圍內(nèi)實現(xiàn)無縫信號傳輸。該產(chǎn)品系列具有可擴展性和靈活的設(shè)計，使工程師能夠在廣泛的汽車和工業(yè)應(yīng)用中實現(xiàn)新的可能性。