數據中心零地電壓?jiǎn)?wèn)題研究

零地電壓?jiǎn)?wèn)題一直困擾著(zhù)數據中心IT電子設備用戶(hù)，零地電壓?jiǎn)?wèn)題直接影響到數據中心穩定運行，以及IT電子設備的使用壽命。正確處理零地電壓?jiǎn)?wèn)題，對于維護整個(gè)數據中心的安全、穩定運行至關(guān)重要。本文分別對數據中心零地電壓產(chǎn)生的原因、零地電壓對IT電子設備負載的影響以及如何控制零地電壓三個(gè)方面進(jìn)行專(zhuān)門(mén)論述，本文重點(diǎn)針對經(jīng)常被IT電子設備用戶(hù)忽略的十分嚴重的問(wèn)題----損害數據中心IT電子設備數據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)自美國軍方標準MIL-HDBK-419A Standard，另外有關(guān)“盡量減小在負載端測得零地電壓”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章節和IEEE 1100-2005 EMERALD BOOK 8.3.2.2.3章節（示意圖來(lái)自IEEE 1100-2005 EMERALD BOOK 8.5.3.2章節）。本文也得到曾經(jīng)在IEEE任職講師的美國電源專(zhuān)家Jim Harrison先生的全面指導；還有北美資深應用工程師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？根據下列美國軍方標準MIL-HDBK-419A Standard定義。共模噪聲指的是疊加在一個(gè)電子信號上的任何不想要的對地或公共點(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(xiàn)的中線(xiàn)端和接地端之間可測量的干擾電壓。這是零地共模噪聲標準的定義。另外,共模噪聲還可在火線(xiàn)和接地端之間被測量出來(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數據中心低壓供電TN-S接地系統

一般而言，我國的數據中心380V低壓供電接地系統為T(mén)N-S系統，零線(xiàn)與地線(xiàn)在供電變壓器的輸出次級處相連，如圖3。從380V低壓變壓器次級引出5根線(xiàn)，即3根火線(xiàn)外加零線(xiàn)、地線(xiàn)各1根到電源設備，再由電源設備給用電設備供電。

圖3：設備的配電示意圖

從供電變壓器到電源設備以及從電源設備到用電IT設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)生機理，圖4畫(huà)出了從變壓器到電源設備及IT設備的零線(xiàn)和地線(xiàn)的電路模型(m代表IT設備前端電源設備)，用于電路分析。

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

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

如圖4所示，IT設備零線(xiàn)電流I的絕大部分從零線(xiàn)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(xiàn)流回變壓器，分別是I1，I2和Im。這些電流流過(guò)導線(xiàn)要產(chǎn)生電壓，圖4中各點(diǎn)對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)，通常我們在IT設備處測得的IT設備輸入零地電壓是

VNG=VN-VG

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

因此IT設備輸入零地電壓是

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(cháng)度，線(xiàn)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(xiàn)中電流的大小和頻率也影響著(zhù)零地電壓。電纜越長(cháng)，線(xiàn)徑越細，導電性能越差，零線(xiàn)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 )數據干擾的定義：

根據下列美國軍方標準MIL-HDBK-419A Standard定義。共模噪聲指的是疊加在一個(gè)電子信號上的任何不想要的對地或公共點(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據設備放大器中小心設計以防止其對電子信號元器件的干擾。

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(xiàn)與地線(xiàn)之間的寄生電容，以及作用在電源和負載設備零地之間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IT負載數據的影響。如圖5所示,即使設備多點(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，根據美國軍方標準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計算機設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(xiàn)中，因此會(huì )在零線(xiàn)和地線(xiàn)中形成一定的干擾電壓。零線(xiàn)與地線(xiàn)耦合越強，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計算機設備系統都由兩種共同部分組成：半導體芯片（包括中央處理機、存儲器和外圍設備組件）和開(kāi)關(guān)電源（用于將輸入電源轉換為中央處理機和支持硬件所需電壓）。零地共模噪聲干擾電壓對這兩部分系統都有嚴重影響!

圖6 零地共模噪聲干擾電壓如何干擾數據流

2.2 零地共模噪聲干擾數據流(對半導體影響)：

目前IT設備產(chǎn)品使用的半導體對噪聲非常敏感,很多半導體部件的電源工作電壓被設計為 1.5 或 3.3 伏，甚至有的設計成1.3伏。由于電壓很低，這些部件之間的信號很容易受到失真影響，所以可能會(huì )傳輸錯誤的數據。在一些情況下，由于某種形式的糾錯程序仍在運行，這只會(huì )使系統變慢；但在其他情況下，數據錯誤會(huì )導致系統丟包、誤碼、被鎖定或崩潰。當噪聲找到進(jìn)入計算機之間的數據傳輸的路徑時(shí)（例如因為在數據中心直流地、交流地與安全地最后都共用一個(gè)接地系統，當噪聲干擾電壓找到進(jìn)入計算機直流系統干擾路徑時(shí)，易對直流系統產(chǎn)生沖擊）,將直接影響系統數據可靠性，該共模噪聲干擾電壓級別可能很低，雖然低到無(wú)法破壞硬件，但卻可能使傳輸數據丟包、誤碼甚至導致數據崩潰，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到1.5V或更高時(shí),它完全能夠觸發(fā)電子信號所有上升沿和下降沿, 使數據崩潰甚至鎖定整個(gè)電子信號。而一旦鎖定整個(gè)電子信號，這時(shí)候需要重新發(fā)送數據。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重妨礙計算機網(wǎng)絡(luò )以最高效率和速度運行。

2.3 零地