工業和汽車系統正在采用混合電壓設計，以實現電源優化、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性。當域之間的接地基準電壓偏離預期的 0V 基準電壓時（偏離幅度從幾伏到幾十伏不等），就會發生這種情況。接地漂移會干擾系統之間的通信。解決這一問題是實現可靠系統性能的關鍵。

如今是如何解決接地不匹配問題的？

如今，設計人員采用多種方法來解決系統中的接地不匹配問題。第一種是采用適當的 PCB 接地技術，如專用接地平面、星形接地技術，以及將模擬和數字接地分離。但是，這種方法需要精心的布局規劃，并且會占用額外的電路板空間。如果在電路板設計完成后發生接地漂移，則需要完全重新設計，進而增加開發時間。分立式電平位移是另一種技術，使用電阻分壓器或基于晶體管的電路來實現跨接地。不過，這種設計不太適合接地電勢差較大的系統，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。這也會使電源設計復雜化，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換器來緩解系統中的接地不匹配問題，從而實現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 的極高數據速率，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，可實現從 3V 至 5.5V（1 側）到 2.25V 至 5.5V（2 側）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

系統中的直流漂移可能會導致接地不匹配，如 圖 1 所示。當流經接地路徑的電流由于導線的寄生效應而導致壓降時，就會發生直流漂移。這會在兩個系統之間造成接地不匹配。這種現象在具有高電流負載或長接地路徑的系統中尤為常見。

圖 1 直流漂移

圖 2 給出了一個電動助力轉向 (EPS) 系統的示例。在該系統中，使用兩個微控制器 (MCU) 來在故障事件期間維持持續運行。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，但系統中的高電流負載會導致兩個域之間發生接地漂移。傳統上，使用數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。在電池組系統中，通常使用電池管理系統 (BMS) 來控制電力輸送并監測電池狀況。一種常見的設計是使用低側 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 FET 導通時，電池的負極端子連接至電池組接地。當 FET 關斷時，電池的負極端子實際處于懸空狀態，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變化導致的接地干擾，會導致接地噪聲或接地不穩定，如 圖 4 所示。這種現象通常稱為接地反彈，也可能導致系統之間的信號完整性問題。在混合信號設計中，將高速數字電路與精密模擬元件相連時可能會出現該問題。

圖 4 交流接地噪聲

圖 5 顯示了測試和測量應用中的一個示例，其中現場可編程門陣列 (FPGA) 以數字接地為基準，必須與以電源接地為基準的數模轉換器 (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，以幫助將數字噪聲與敏感的模擬電路分離。系統的數字側可能發生快速開關，這會導致交流噪聲。傳導至電源接地的噪聲會引起 DAC 參考電壓波動，進而導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，并實現精確數模轉換所需的精密通信。

圖 5 使用 TXG 的半導體測試設備

有意的接地漂移

有意的接地漂移是指系統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

現在，電池堆疊作為支持更高電壓的方式也更為常見，可實現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 (ESS) 和電動汽車應用等系統。由于傳統的電池監控器通常每個器件僅支持 16 節電池串聯，管理更大的電池組往往需要在不同電壓域使用多個監控器。在這些系統中，TXG8122 可以促進位于 0V 接地端的 MCU 與頂部電池監控器（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換器

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

結語

接地不匹配是現代系統中日益常見的挑戰。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 系列接地電平轉換器為傳統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實現無縫信號傳輸。該產品系列具有可擴展性和靈活的設計，使工程師能夠在廣泛的汽車和工業應用中實現新的可能性。