数据中心零地电压共模噪声问题研究

黄汉华 发表于 2012-02-03 10:06 收藏 已收藏
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数据中心零地电压共模噪声问题研究

黄汉华 发表于 2012-02-03 10:06 收藏 已收藏

 

  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。

  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。特别在零地电压过高,上面一般方法无法控制零地电压的情况下,为保证IT设备负载可以正常运行,如8-18图示可以采用在靠近IT设备端的PDU或精密配电柜中加装隔离变压器,产生一个独立的电源系统(Separately derived source),独立的电源系统就可以将变压器次级的零地接在一起,并就近接地,这样就可以大大降低IT设备端零地电压。

  

 

  3.1.4.2. K factor隔离变压器

  在下列IEEE 1100-2005 8.3.2.2.3标准中也提到可以选用K因数变压器(K factor)隔离变压器来降低零地电压。K型变压器是一种专为计算机负载布设计的、能消除谐波污染的特殊隔离变压器。衡量这种变压器质量高低的指标为K值。

  式中的n为谐波的次数,In为n次谐波的电流分量的含量。K值越大,变压器消除谐波干扰的能力就越强。目前,常见的K型变压器,按它们K值变压器可分为K1、K4、K9、K13、K20等几个额定级别(虽然还有K30、K40、K50型号变压器,但从实际来看,K因数超过20的负载并不常见,大型计算机测得的K因数通常为4到9,高集中单相计算机和终端区测得的K因数通常为13到17)。

  3.1.4.3 IEEE 1100-2005 8.3.2.2.3标准的翻译

  推荐设计安装操作 IEEE Std 1100-2005

  8.3.2.2.3电子负载设备分支电路的接口

  推荐的做法是通过干式屏蔽隔离变压器(或其它电源增强设备),将电子负载设备的系统配置连接到大楼的配电系统上。当为电子负载设备供电的两个或多个独立的电力系统不能使用与电子负载设备相同的接地点时,这一做法尤为重要。隔离变压器提供匹配的系统电压,并创建独立的分支电源系统。推荐的做法是,在尽可能接近电子负载设备的分支电路配电盘的位置安装隔离变压器和相关的电子负载设备。此外,还应正确选择和安装隔离变压器。关于专为非线性电子负载设备(K 系数)供电的隔离变压器,请参阅 8.4.1 的详细信息。关于变压器正确接地的详细信息,请参阅 8.5.2。另外,隔离变压器还内置到配电单元 (PDU)中,作为配电单元 (PDU) 的一部分进行配备,配电单元还包含内部安装的分支电路配电盘。因此,也推荐使用 PDU 作为连接电子负载设备和配电系统接口。

  3.2. 控制零地电压到多少伏:

  3.2.1. IEEE 1100-2005 8.3.2.3.1标准中对零地电压要求

  根据下列IEEE 1100-2005 8.3.2.3.1标准描述,通过在尽可能接近负载的位置安装独立的分支电源系统(如,变压器、PDU),以尽量减少在负载测得的零地电压。

  在靠近计算机类IT负载端的PDU或精密配电中心加装隔离变压器,并将隔离后的零线接地。这种解决方案的优点在于能够非常有效的解决负载端零地电压共模噪声问题。因为将变压器次级零线接地,这样可以使负载端的零地电压趋近于0V。如果配置K-Factor变压器,则具备消除100%谐波污染的工作能力,能满足最恶劣的计算机负载的需要。

  根据以上2.2章节的分析及IEEE标准要求, 可以得出控制零地电压到多少幅度的要求

  3.2.1.1 通过在尽可能接近负载的位置安装独立的分支电源系统(如,变压器、PDU),以尽量减少在负载测得的零地电压, 使负载端的零地电压越小越好。

  3.2.2.2 零地电压最大值不超过CPU等半导体芯片最小工作电压,例如导体芯片最小工作电压是1.5V时,零地电压不宜超过1V。

  3.2.2.IEEE 1100-2005 8.3.2.3.1标准的翻译

  3.2.3.1 专用电路

  为了给电子负载设备供电,最佳做法是安装电子负载设备的专用分支电路。专用分支电路是具有独立零线的电路,连接一个或多个设备,并有一条设备接地导线 EGC,这条ECG可能(或不可能)与其他前端或后端设备共地。应使用完整导线,避免或尽可能减少拼接。专用接地电路应包括一条绝缘 设备接地导线EGC,并应在该电路上铺设专用的有效接地金属线槽或金属电缆套件,以最大限度减少与其他电路不必要的互相电磁噪声干扰。当使用线槽运送大量电缆线时,各个支路的相线、零线和 地线应捆绑在一起。通过在尽可能接近负载的位置安装独立的分支电源系统(如,变压器、PDU),以尽量减少在负载测得的零地电压。出于经济原因,相似的负载,若设计可相互兼容,可以共用电路。例如在办公室工作站区域,应为电子负载设备设计提供单独的专用分支电路接线和插座,而为日用负载或高冲击负载(如电动卷笔刀、便携式电器)却应提供另外单独的接线和插座。

  3.2.3.服务器安装工程师关注零地电压

  由于零地电压共模噪声电压过高会干扰计算机等IT负载的数据传输,甚至使这些IT负载无法正常开机。因此在用户安装的某些负载(例如HP小型机、IBM服务器等)时候, 服务器安装工程师非常关注零地电压。当有经验的服务器安装工程师到现场,如果测试发现用户的供电电源的零一地电压超过1V以上时,常常会要求用户设法降低零一地电压。否则,服务器工程师有可能拒绝开机启动服务器。(见下面IBM公司iseries服务器:plan for hardware and software有关零地电压的指导文件)。

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