数据中心零地电压问题研究

零地电压问题一直困扰着数据中心IT电子设备用户，零地电压问题直接影响到数据中心稳定运行，以及IT电子设备的使用寿命。正确处理零地电压问题，对于维护整个数据中心的安全、稳定运行至关重要。本文分别对数据中心零地电压产生的原因、零地电压对IT电子设备负载的影响以及如何控制零地电压三个方面进行专门论述，本文重点针对经常被IT电子设备用户忽略的十分严重的问题----损害数据中心IT电子设备数据可靠性的零地电压共模噪声问题进行了分析。其中共模噪声定义来自美国军方标准MIL-HDBK-419A Standard，另外有关“尽量减小在负载端测得零地电压”的要求以及控制零地电压方法来自IEEE 1100-2005 EMERALD BOOK 8.3.2.3.1章节和IEEE 1100-2005 EMERALD BOOK 8.3.2.2.3章节（示意图来自IEEE 1100-2005 EMERALD BOOK 8.5.3.2章节）。本文也得到曾经在IEEE任职讲师的美国电源专家Jim Harrison先生的全面指导；还有北美资深应用工程师Michael Boyle先生提供有关材料，在此一并表示感谢。

1.零地电压共模噪声产生的原因：

1.1.零地电压共模噪声定义

什么是零地共模噪声？根据下列美国军方标准MIL-HDBK-419A Standard定义。共模噪声指的是叠加在一个电子信号上的任何不想要的对地或公共点噪声干扰电压（图 1），和差模噪声一样，共模噪声是从不想要噪声源藕合过来的噪声，藕合方式有阻性藕合，容性藕合以及电磁藕合。从图2看出，零地电压属于共模噪声一种，通常是指在一条典型的交流电源线的中线端和接地端之间可测量的干扰电压。这是零地共模噪声标准的定义。另外,共模噪声还可在火线和接地端之间被测量出来，本文不作讨论。

MIL-HDBK-419A

1.2.零地电压产生原因理论分析

1.2.1数据中心低压供电TN-S接地系统

一般而言，我国的数据中心380V低压供电接地系统为TN-S系统，零线与地线在供电变压器的输出次级处相连，如图3。从380V低压变压器次级引出5根线，即3根火线外加零线、地线各1根到电源设备，再由电源设备给用电设备供电。

图3：设备的配电示意图

从供电变压器到电源设备以及从电源设备到用电IT设备的配电部分在电路上等效为以电阻、电感和电容组成的电抗。为了分析零地电压的产生机理，图4画出了从变压器到电源设备及IT设备的零线和地线的电路模型(m代表IT设备前端电源设备)，用于电路分析。

图4：配电线路的电路模型

1.2.2 零地电压产生原因的理论分析

如图4所示，零线电阻由RN1，RN2直到RNm和RN组成；零线电感由LN1，LN2直到LNm和LN组成；地线电阻由RG1，RG2直到RGm和RG组成；地线电感由LG1，LG2直到LGm和LG组成；零线与火线之间存在寄生电容，分别用C1，C2直到Cm组成。电源设备中的Cm是电源设备EMC滤波电容,IT设备中的CIT是IT设备EMC滤波电容。

根据下列IEEE1100 6.4.1.1.5描述,低零线阻抗可以减小零地电压和共模噪声,图4中IT设备零线电流I主要由负载三相不平衡原因和负载非线性电源原因产生。

如图4所示，IT设备零线电流I的绝大部分从零线流回到输入变压器，有很少一部分从寄生电容中通过地线流回变压器，分别是I1，I2和Im。这些电流流过导线要产生电压，图4中各点对变压器端接地的电压值分别为Vn1， Vn2... VN，VG1，VG2，...VG。

由图4可见，通常我们在IT设备处测得的IT设备输入零地电压是

VNG=VN-VG

如果我们先不考虑零线与地线之间的寄生电容，并忽略IT设备中EMC滤波电容的影响，那么根据下列IEEE1100 6.4.1.1.6对地线的定义，地线目的是提供一个0V参考点,地线电流为零,再考虑多点接地，那么VG=0，

因此IT设备输入零地电压是

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

其中电阻RNx以及电感LNx等与电缆的长度，线径和材料有关。

从该公式可以看到，零地电压的形成与输入配电电缆有很大的关系。同时零线中电流的大小和频率也影响着零地电压。电缆越长，线径越细，导电性能越差，零线中的电流越大，电流频率越高，零地电压就越大。

2、零地电压共模噪声的危害

我们回顾一下共模噪声及其产生会数据干扰的定义：

根据下列美国军方标准MIL-HDBK-419A Standard定义。共模噪声指的是叠加在一个电子信号上的任何不想要的对地或公共点噪声干扰电压，和差模噪声一样，共模噪声是从不想要噪声源藕合过来的噪声，藕合方式有阻性藕合，容性藕合以及电磁藕合。

尽管共模噪声不是一个噪声源,但该共模噪声干扰电压必须在数据设备放大器中小心设计以防止其对电子信号元器件的干扰。

MIL-HDBK-419A

2.1.零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