數(shù)據(jù)中心零地電壓?jiǎn)栴}研究

零地電壓?jiǎn)栴}一直困擾著數(shù)據(jù)中心IT電子設(shè)備用戶，零地電壓?jiǎn)栴}直接影響到數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行，以及IT電子設(shè)備的使用壽命。正確處理零地電壓?jiǎn)栴}，對(duì)于維護(hù)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的安全、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文分別對(duì)數(shù)據(jù)中心零地電壓產(chǎn)生的原因、零地電壓對(duì)IT電子設(shè)備負(fù)載的影響以及如何控制零地電壓三個(gè)方面進(jìn)行專門(mén)論述，本文重點(diǎn)針對(duì)經(jīng)常被IT電子設(shè)備用戶忽略的十分嚴(yán)重的問(wèn)題----損害數(shù)據(jù)中心IT電子設(shè)備數(shù)據(jù)可靠性的零地電壓共模噪聲問(wèn)題進(jìn)行了分析。其中共模噪聲定義來(lái)自美國(guó)軍方標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-419A Standard，另外有關(guān)“盡量減小在負(fù)載端測(cè)得零地電壓”的要求以及控制零地電壓方法來(lái)自IEEE 1100-2005 EMERALD BOOK 8.3.2.3.1章節(jié)和IEEE 1100-2005 EMERALD BOOK 8.3.2.2.3章節(jié)（示意圖來(lái)自IEEE 1100-2005 EMERALD BOOK 8.5.3.2章節(jié)）。本文也得到曾經(jīng)在IEEE任職講師的美國(guó)電源專家Jim Harrison先生的全面指導(dǎo)；還有北美資深應(yīng)用工程師Michael Boyle先生提供有關(guān)材料，在此一并表示感謝。

1.零地電壓共模噪聲產(chǎn)生的原因：

1.1.零地電壓共模噪聲定義

什么是零地共模噪聲？根據(jù)下列美國(guó)軍方標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-419A Standard定義。共模噪聲指的是疊加在一個(gè)電子信號(hào)上的任何不想要的對(duì)地或公共點(diǎn)噪聲干擾電壓（圖 1），和差模噪聲一樣，共模噪聲是從不想要噪聲源藕合過(guò)來(lái)的噪聲，藕合方式有阻性藕合，容性藕合以及電磁藕合。從圖2看出，零地電壓屬于共模噪聲一種，通常是指在一條典型的交流電源線的中線端和接地端之間可測(cè)量的干擾電壓。這是零地共模噪聲標(biāo)準(zhǔn)的定義。另外,共模噪聲還可在火線和接地端之間被測(cè)量出來(lái)，本文不作討論。

MIL-HDBK-419A

1.2.零地電壓產(chǎn)生原因理論分析

1.2.1數(shù)據(jù)中心低壓供電TN-S接地系統(tǒng)

一般而言，我國(guó)的數(shù)據(jù)中心380V低壓供電接地系統(tǒng)為T(mén)N-S系統(tǒng)，零線與地線在供電變壓器的輸出次級(jí)處相連，如圖3。從380V低壓變壓器次級(jí)引出5根線，即3根火線外加零線、地線各1根到電源設(shè)備，再由電源設(shè)備給用電設(shè)備供電。

圖3：設(shè)備的配電示意圖

從供電變壓器到電源設(shè)備以及從電源設(shè)備到用電IT設(shè)備的配電部分在電路上等效為以電阻、電感和電容組成的電抗。為了分析零地電壓的產(chǎn)生機(jī)理，圖4畫(huà)出了從變壓器到電源設(shè)備及IT設(shè)備的零線和地線的電路模型(m代表IT設(shè)備前端電源設(shè)備)，用于電路分析。

圖4：配電線路的電路模型

1.2.2 零地電壓產(chǎn)生原因的理論分析

如圖4所示，零線電阻由RN1，RN2直到RNm和RN組成；零線電感由LN1，LN2直到LNm和LN組成；地線電阻由RG1，RG2直到RGm和RG組成；地線電感由LG1，LG2直到LGm和LG組成；零線與火線之間存在寄生電容，分別用C1，C2直到Cm組成。電源設(shè)備中的Cm是電源設(shè)備EMC濾波電容,IT設(shè)備中的CIT是IT設(shè)備EMC濾波電容。

根據(jù)下列IEEE1100 6.4.1.1.5描述,低零線阻抗可以減小零地電壓和共模噪聲,圖4中IT設(shè)備零線電流I主要由負(fù)載三相不平衡原因和負(fù)載非線性電源原因產(chǎn)生。

如圖4所示，IT設(shè)備零線電流I的絕大部分從零線流回到輸入變壓器，有很少一部分從寄生電容中通過(guò)地線流回變壓器，分別是I1，I2和Im。這些電流流過(guò)導(dǎo)線要產(chǎn)生電壓，圖4中各點(diǎn)對(duì)變壓器端接地的電壓值分別為Vn1， Vn2... VN，VG1，VG2，...VG。

由圖4可見(jiàn)，通常我們?cè)贗T設(shè)備處測(cè)得的IT設(shè)備輸入零地電壓是

VNG=VN-VG

如果我們先不考慮零線與地線之間的寄生電容，并忽略IT設(shè)備中EMC濾波電容的影響，那么根據(jù)下列IEEE1100 6.4.1.1.6對(duì)地線的定義，地線目的是提供一個(gè)0V參考點(diǎn),地線電流為零,再考慮多點(diǎn)接地，那么VG=0，

因此IT設(shè)備輸入零地電壓是

VNG=VN-VG= VN-0= VN =In1*RN1+In2*RN2+…+Inm*RNm+I*RN+In1*jωLN1+In2*jωLN2+... +Inm*jωLNm+I*jωLN

其中電阻RNx以及電感LNx等與電纜的長(zhǎng)度，線徑和材料有關(guān)。

從該公式可以看到，零地電壓的形成與輸入配電電纜有很大的關(guān)系。同時(shí)零線中電流的大小和頻率也影響著零地電壓。電纜越長(zhǎng)，線徑越細(xì)，導(dǎo)電性能越差，零線中的電流越大，電流頻率越高，零地電壓就越大。

2、零地電壓共模噪聲的危害

我們回顧一下共模噪聲及其產(chǎn)生會(huì)數(shù)據(jù)干擾的定義：

根據(jù)下列美國(guó)軍方標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-419A Standard定義。共模噪聲指的是疊加在一個(gè)電子信號(hào)上的任何不想要的對(duì)地或公共點(diǎn)噪聲干擾電壓，和差模噪聲一樣，共模噪聲是從不想要噪聲源藕合過(guò)來(lái)的噪聲，藕合方式有阻性藕合，容性藕合以及電磁藕合。

盡管共模噪聲不是一個(gè)噪聲源,但該共模噪聲干擾電壓必須在數(shù)據(jù)設(shè)備放大器中小心設(shè)計(jì)以防止其對(duì)電子信號(hào)元器件的干擾。

MIL-HDBK-419A

2.1.零地電壓產(chǎn)生高頻藕合循環(huán)電流和共模噪聲干擾電壓

圖5：I高頻藕合循環(huán)電流回路

下面重點(diǎn)介紹由于零地電壓作用在零線與地線之間的寄生電容，以及作用在電源和負(fù)載設(shè)備零地之間EMC濾波電容Cm和C上所產(chǎn)生的高頻藕合循環(huán)電流回路共模噪聲對(duì)IT負(fù)載數(shù)據(jù)的影響。如圖5所示,即使設(shè)備多點(diǎn)接地,但由于Cm和C這些電容搭橋存在，在零地電壓VNG作用下，根據(jù)美國(guó)軍方標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-419A Standard容性藕合方式，將形成一個(gè)圖5右端所示高頻藕合循環(huán)電流回路,從而產(chǎn)生如圖6中IT計(jì)算機(jī)設(shè)備零地共模噪聲干擾電壓波形。由于這些電容會(huì)耦合一些電流到地線中，因此會(huì)在零線和地線中形成一定的干擾電壓。零線與地線耦合越強(qiáng)，耦合電流就越大，產(chǎn)生零地電壓模噪聲干擾電壓的影響就越大。事實(shí)上所有基于IT計(jì)算機(jī)設(shè)備系統(tǒng)都由兩種共同部分組成：半導(dǎo)體芯片（包括中央處理機(jī)、存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備組件）和開(kāi)關(guān)電源（用于將輸入電源轉(zhuǎn)換為中央處理機(jī)和支持硬件所需電壓）。零地共模噪聲干擾電壓對(duì)這兩部分系統(tǒng)都有嚴(yán)重影響!

圖6 零地共模噪聲干擾電壓如何干擾數(shù)據(jù)流

2.2 零地共模噪聲干擾數(shù)據(jù)流(對(duì)半導(dǎo)體影響)：

目前IT設(shè)備產(chǎn)品使用的半導(dǎo)體對(duì)噪聲非常敏感,很多半導(dǎo)體部件的電源工作電壓被設(shè)計(jì)為 1.5 或 3.3 伏，甚至有的設(shè)計(jì)成1.3伏。由于電壓很低，這些部件之間的信號(hào)很容易受到失真影響，所以可能會(huì)傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。在一些情況下，由于某種形式的糾錯(cuò)程序仍在運(yùn)行，這只會(huì)使系統(tǒng)變慢；但在其他情況下，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)丟包、誤碼、被鎖定或崩潰。當(dāng)噪聲找到進(jìn)入計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂綍r(shí)（例如因?yàn)樵跀?shù)據(jù)中心直流地、交流地與安全地最后都共用一個(gè)接地系統(tǒng)，當(dāng)噪聲干擾電壓找到進(jìn)入計(jì)算機(jī)直流系統(tǒng)干擾路徑時(shí)，易對(duì)直流系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊）,將直接影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性，該共模噪聲干擾電壓級(jí)別可能很低，雖然低到無(wú)法破壞硬件，但卻可能使傳輸數(shù)據(jù)丟包、誤碼甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)崩潰，例如圖6最下端干擾圖，CPU時(shí)鐘300MHZ,芯片工作電壓1.5V, ,而圖6最下端干擾圖中顯示零地共模噪聲干擾電壓達(dá)到1.5V或更高時(shí),它完全能夠觸發(fā)電子信號(hào)所有上升沿和下降沿, 使數(shù)據(jù)崩潰甚至鎖定整個(gè)電子信號(hào)。而一旦鎖定整個(gè)電子信號(hào)，這時(shí)候需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)。若此情況經(jīng)常發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)速度將會(huì)變慢。正是通過(guò)這些方式，零地共模噪聲干擾電壓也嚴(yán)重妨礙計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以最高效率和速度運(yùn)行。

2.3 零地