隨著系統變得更加緊湊、高效和模塊化，設計人員面臨著管理不同電壓域間通信的新挑戰。一個主要示例是<100VDC?架構的興起，包括電動汽車 (EV)、機器人和儲能系統中的 48V 系統。這些架構避免了高電壓設計的復雜性，同時能夠保持高效的電力輸送，從而實現更小尺寸和更高集成度的設計。與此趨勢并行的是模塊化設計原則的興起 – 為特定功能定制的優化、可互換組件。例如，電動工具等消費類產品通常依賴于單個可互換電池，這使得充電和多設備管理更加便捷。

隨著模塊化低壓系統的日益普及，出現了新的集成挑戰：實現不同電壓域和接地域之間的無縫通信。如圖 1 所示，TI 的 ±80V 接地電平轉換器支持在具有不同接地電位的系統間進行1.71V 至 5.5V的電壓轉換，有助于實現可靠、緊湊且可擴展的系統設計。

圖 1：±80V 接地電平轉換器，用于橋接不同的接地域

為了解決80V 以下電壓范圍的接地偏移問題，設計人員傳統上使用電流隔離或分立式電平轉換器，但這兩種方法在復雜性、尺寸和成本方面都存在折衷：

電流隔離器價格昂貴、體積龐大，且通常在數據速率和時序性能方面受到限制。以下的表 1 重點介紹了此解決方案與接地電平轉換器之間的差異。

分立式電平轉換器可處理單向低速信號，但不可靠且無法擴展。雖然成本較低，但解決方案尺寸約為 10mm2至 20mm2。

表 1：接地電平轉換器和電流隔離器比較表

接地偏移挑戰

模塊化設計中的子系統各自具有獨立的電壓和接地參考。但當這些系統集成時，即使是接地電位的微小差異也會導致信號完整性問題和通信錯誤。如圖 2 和圖 3 中所示，接地偏移可能源于直流偏移或交流接地噪聲。

直流接地漂移

走線電阻或較長的電纜可能會導致電壓差異。在多域系統中，由于局部負載電流或不對稱的接地拓撲結構，一個域可能會比另一個域“浮動”幾伏。例如，一個子系統通過短而寬的走線連接到主接地，而另一個子系統通過長而窄的走線連接到接地平面。

圖 2：使用接地電平轉換器解決系統之間的直流接地偏移

交流接地噪聲

在數字、模擬和電源電路共存的混合信號系統中，交流接地噪聲很常見。在電源側，該噪聲源于開關電源元件所產生快速變化的大返回電流。在數字側，高速信號轉換可以將瞬態電流注入數字接地。這些波動會改變本地接地電位，干擾假定共地參考的子系統之間的通信。

圖 3：使用接地電平轉換器解決系統之間的交流接地噪聲

專為低壓系統設計的接地電平轉換器

TI 的接地電平轉換器支持將 I/O 電壓電平從 1.71V 轉換到 5.5V，可解決高達 ±80V 的直流接地偏移和高達 140Vpp 的 1MHz 交流噪聲抑制，其尺寸僅為更復雜解決方案的七分之一，成本為其一半。TXG8041支持傳播延遲 <5ns，通道間偏斜為 0.35ns 的推挽輸出，從而實現高達 250Mbps 的系統間實時通信快速數據處理。?TXG8122?支持開漏配置（包括 I2C），功耗僅為現有解決方案的一半，可更大限度地降低功耗，從而延長電池壽命并降低熱負荷。這些轉換器通過小至 2.25mm2?的封裝實現緊湊設計，并通過多種通道類型和配置提供可擴展性。

48V 架構中的應用

48V 架構逐漸受到 EV 制造商的青睞，電子產品設計遵循國際標準化組織最新的 21780 標準，該標準要求對接地偏移進行特定測試，以確保在不同接地電位下工作的器件之間進行可靠通信。在此類系統中，工作在 48V 的控制模塊可能需要與 12V 傳感器進行通信，即使由于布局或負載條件存在幾伏特的接地偏移。

TXG8041支持在 ±80V 接地偏移的不匹配域之間通信，覆蓋 48V 電池系統的瞬態，并通過更快的數據速率和低傳播延遲支持更高速度的 SPI 通信。如圖 4 所示，接地電平轉換器采用小至 2.25mm2（對于單通道配置）和 4mm2（對于四通道配置）的封裝，顯著小于典型的電流隔離器。

圖 2：采用 4mm2SON 封裝的 TXG8041 對比尺寸大 7 倍的 29mm2電隔離器（左）；采用 2.25mm2SON 封裝的 TXG8010 對比尺寸大 8 倍的 19mm2光耦合器（右）

啟動電池組監測

電器、電動自行車和儲能系統等電池供電系統越來越多地采用堆疊式電池監測器，以支持更高的電壓和更長的運行時間。在這些架構中，每個監控器負責測量電池組的一部分。頂部監控器的接地參考電壓通常接近整個電池組電壓的一半（如 24V），因此與系統微控制器 (MCU) 的接地參考電壓不同，導致無法直接通信。這種有意的拓撲結構引入了接地偏移。TXG8122支持MCU 和電池監測器之間的常用的 I2C 通信。此器件還可降低靜態總線條件下的功耗，同時其 4mm2封裝便于小型化并靈活地集成到模塊化系統中。

結語

系統之間的接地偏移一直存在，但隨著低壓模塊化架構的普及，這種偏移越來越普遍。TI 的 ±80V 接地電平轉換器為這一挑戰提供了簡單的解決方案 –支持通過 SPI 或 I2C 等接口在不同接地電平之間進行電壓轉換。現在，您可以利用此技術，其尺寸和成本僅為傳統方法的一小部分，性能提高 2 倍，同時保持信號完整性和可靠的系統運行。