数据中心零地电压问题研究

.1.零地电压产生高频藕合循环电流和共模噪声干扰电压

图5：I高频藕合循环电流回路

下面重点介绍由于零地电压作用在零线与地线之间的寄生电容，以及作用在电源和负载设备零地之间EMC滤波电容Cm和C上所产生的高频藕合循环电流回路共模噪声对IT负载数据的影响。如图5所示,即使设备多点接地,但由于Cm和C这些电容搭桥存在，在零地电压VNG作用下，根据美国军方标准MIL-HDBK-419A Standard容性藕合方式，将形成一个图5右端所示高频藕合循环电流回路,从而产生如图6中IT计算机设备零地共模噪声干扰电压波形。由于这些电容会耦合一些电流到地线中，因此会在零线和地线中形成一定的干扰电压。零线与地线耦合越强，耦合电流就越大，产生零地电压模噪声干扰电压的影响就越大。事实上所有基于IT计算机设备系统都由两种共同部分组成：半导体芯片（包括中央处理机、存储器和外围设备组件）和开关电源（用于将输入电源转换为中央处理机和支持硬件所需电压）。零地共模噪声干扰电压对这两部分系统都有严重影响!

图6 零地共模噪声干扰电压如何干扰数据流

2.2 零地共模噪声干扰数据流(对半导体影响)：

目前IT设备产品使用的半导体对噪声非常敏感,很多半导体部件的电源工作电压被设计为 1.5 或 3.3 伏，甚至有的设计成1.3伏。由于电压很低，这些部件之间的信号很容易受到失真影响，所以可能会传输错误的数据。在一些情况下，由于某种形式的纠错程序仍在运行，这只会使系统变慢；但在其他情况下，数据错误会导致系统丢包、误码、被锁定或崩溃。当噪声找到进入计算机之间的数据传输的路径时（例如因为在数据中心直流地、交流地与安全地最后都共用一个接地系统，当噪声干扰电压找到进入计算机直流系统干扰路径时，易对直流系统产生冲击）,将直接影响系统数据可靠性，该共模噪声干扰电压级别可能很低，虽然低到无法破坏硬件，但却可能使传输数据丢包、误码甚至导致数据崩溃，例如图6最下端干扰图，CPU时钟300MHZ,芯片工作电压1.5V, ,而图6最下端干扰图中显示零地共模噪声干扰电压达到1.5V或更高时,它完全能够触发电子信号所有上升沿和下降沿, 使数据崩溃甚至锁定整个电子信号。而一旦锁定整个电子信号，这时候需要重新发送数据。若此情况经常发生，网络速度将会变慢。正是通过这些方式，零地共模噪声干扰电压也严重妨碍计算机网络以最高效率和速度运行。

2.3 零地共模噪声对IT设备开关电源影响：

大多数IT设备开关电源用于将输入电源转换为中央处理机和支持硬件所需电压，而该开关电源输出的"直流地"或端通常与IT设备的金属底座相连接。为了确保供电安全，该底座同时连接到输入电源线地线。正是通过该潜在路径，共模噪声干扰电压才经常从电源地线藕合进入计算机的设备。部分共模噪声除了通过电源进入系统逻辑来干扰数据外,还会造成开关电源本身误导通和误触发。如果噪声干扰电压过大，开关电源本身会被共模噪声干扰电压破坏，甚至IT设备中的半导体装置很可能会发生混乱或被共模噪声干扰电压损坏。

3、零地电压共模噪声的控制

3.1. 如何控制零地电压共模噪声：

因为零地电压是影响机器运行可靠性的重要因素，零地电压高会造成机器故障或损害，所以必须对它加以控制。因为零地电压的形成原因很复杂，所以控制要有针对性。主要考虑的问题和解决的途径如下：

3.1.1保障三相负载平衡。如果三相负载不平衡，零线N上的电流就会加大，零线N两端的电压差就会直接造成零地电压增大。因此，在可能的条件下要尽量配平三相负载，定期根据负载的使用变化监测三相负载不平衡度,并进行必要的调整。此外，还可以通过增加零线截面积，减少零线的阻抗，从而在一定程度上降低零地电压共模噪声干扰。

3.1.2建立良好的接地系统，尽量降低接地电阻。接地电阻与零地电压呈正向关系,接地电阻一高，很小的电流都会产生零地电压，所以一定要降低接地电阻。在计算地线线径问题时，在考虑了系统可能的最大用电量和安全的基本需求后，需要特别计算电缆长度，对数据中心不同高度楼层使用的不同线径的地线，尽量减小接地电阻。

3.1.3尽量选用绿色的、谐波干扰小的用电设备。必要时还可安装相应抑制高次谐波的有源或无源滤波设备，因为降低高次谐波,就降低了零线电流，这样就大大降低零地电压共模噪声。

3.1.4.在靠近IT设备端加装隔离变压器

3.1.4.1隔离变压器方案描述

根据下列IEEE 1100-2005 8.5.3.2中8-18图示以及IEEE 1100-2005 8.3.2.2.3 标准描述，在靠近IT设备端的PDU或精密配电柜中加装隔离变压器是降低零地电压共模噪声的有效措施。特别