數(shù)據(jù)中心零地電壓問題研究

零地電壓問題一直困擾著數(shù)據(jù)中心IT電子設(shè)備用戶，零地電壓問題直接影響到數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行，以及IT電子設(shè)備的使用壽命。正確處理零地電壓問題，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題進(jìn)行了分析。其中共模噪聲定義來自美國軍方標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-419A Standard，另外有關(guān)“盡量減小在負(fù)載端測得零地電壓”的要求以及控制零地電壓方法來自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來的噪聲，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量出來，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，我國的數(shù)據(jù)中心380V低壓供電接地系統(tǒng)為TN-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地線流回變壓器，分別是I1，I2和Im。這些電流流過導(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，通常我們?cè)贗T設(shè)備處測得的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，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來的噪聲，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