数据中心建设中的电磁兼容接地设计技术

　　目前,信息化产业已成为国民经济中的龙头产业,各国通信网、计算机网已接入千家万户,企事业单位的办公室和生产线也采用了各种精密的、智能化的电子设备。电子设备的工作场地,从上世纪60年代的单一的、分散的机房,到现在的几万平米的数据中心。中的电子设备越来越灵敏、精密、智能化,但所处的电磁环境越来越恶化。这种局面对电子设备本身提出了较高的要求,特别是信息产业的飞速发展对电子设备也带来了宽带*和电磁脉冲*。

　　传统的电子设备在遭受电磁*时,通常最多造成功能下降。而今天的电子设备在遭受电磁*时,可能会造成逻辑错误或信息丢失,严重时电子设备死机、自动误操作、失控,引起整个通信与信息系统的混乱。

　　为了使电子设备能够在各种恶劣的电磁环境或电磁敏感环境下正常工作,发达国家早就开始重视电子设备的电磁兼容设计与工程。我国也在上世纪80年代制定了第一个国家级的电磁兼容标准《工业*电*基本测量方法GB/T3907-1983》。2001年12月,为了应对日益国际化的需要,强化全民电磁兼容性意识,更快促使国内的电磁兼容技术向前发展,国家颁布了《强制性产品认证管理规定》—“3C”认证。

　　电磁兼容技术是一门迅速发展的交****学科,涉及电子计算机、通信、航空航天、铁路交通、电子、军事以及人民生活的各个方面。电磁兼容技术的三项基本技术是屏蔽技术、滤波技术和接地技术。

　　在数字中心的建设中,数字计算机系统是不可缺少的,它以高速运行处理和传输逻辑信号,在信息传输中，数字脉冲信号容易产生电磁辐射(*),这些电磁发射信号频谱成分复杂，同时还携带信息。

　　数字计算机中应用最多的元器件是二极管、集成微分电路、A/D转换电路、D/A转换电路等。它们都是敏感的元器件,特别是MOSD/A电路,它以低电平传输信号,属于低电平系统,在电磁环境中易受*。

　　*对电子设备中的模拟电路的影响是连续的,随着*强度的增大而增大,*消失后可以恢复到原来状态。而数字电路是逻辑工作方式,存在阈值电平与对应的*容限(又称噪声容限),它比模拟电路有利的方面是,只有超过*容限的*信号才有危害。不难看出,模拟电路在瞬时*消失后,系统可恢复正常工作。而在有存储记忆功能的数字逻辑电路中,瞬时*消失后,不可能恢复到原来状态,存在潜在危险。

　　*有两大类。一是存在于地球和宇宙的自然*,自然的电磁现象产生的是电磁噪声。自然*主要分为宇宙*、大气*、雷电*和热噪声;二是人为*,人为*来自两个方面:有意发射*源和无意发射*源。有意*源有广播、电视、通信、导航等发射设备,其频率范围在3MHz以上,即在长波到厘米波范围;无意*源有汽车的点火系统、各种照明装置、高压电力线、工业科学医用设备以及接收机的本机振荡辐射,其中有空间辐射和传导辐射之分,频率范围为50Hz～300kHz,属于超长波范围。

　　数字计算机系统的工作频率范围很宽(150kHz～500MHz),包含了中波、短波、超短波和微波前端。其间电磁环境复杂,被*的可能性极大,当电磁辐射空间场强超过126dB时,将对计算机构成严重*。由于计算机的高速化、高灵敏化、高密度集成化、小型化、多功能的推广普及,使电磁环境更加复杂,当然其电磁兼容性问题变得更加突出。又由于大规模集成电路的发展,使电子计算机、电信设备发生了革命性的变化。特别是电子设备的全面数字化、智能化,超高速计算机的巨大成功,使得电子信息设备电磁兼容设计成为21世纪的核心技术之一。

　　要设计好电子信息设备的电磁兼容,首先要知道电磁兼容性设计技术中的几个重要方面:

　　(1)传输通道的*抑制

　　具体办法是滤波、屏蔽、搭接、接地、合理布线等;

　　(2)空间分离

　　包括地点位置控制、自然地形隔离、方位角控制、电场矢量方向控制等;

　　(3)时间分离

　　包括时间共用准则、雷达脉冲同步、主动时间分离、被动时间分离等;

　　(4)频谱管理

　　包括频谱规划/划分、制定标准范围、频率管理等;

　　(5)电气隔离

　　包括变压器隔离、光电隔离、继电器隔离、DC/DC变换等;

　　(6)其他技术

　　下面重点讨论传输通道*抑制中的接地设计和搭接技术。

　　2 电磁兼容接地设计技术的概述

　　接地技术是电磁兼容技术中的一项重要技术,也是任何电子和电气设备或系统正常工作时必须采取的重要技术。它是保护设备和人身安全的重要手段,也是保障设备或系统的电磁兼容、抑制电磁*、提高其可靠性的重要技术措施。

　　电磁兼容(EMC)中最为困难的就是接地技术。根据几十年的机房设计经验,有许多无法控制的因素影响机房的总体性能,而又难以直观去理解,当然也就无法直接定义建模来进行剖析和合理地调整。这些问题往往与接地有关。

　　从广义上讲,接地是电气连接,要么接大地,要么接到一个作用类似大地的结构上。该结构应是一个电阻非常低、电容量非常大的物体,能拥有吸收无限电荷的能力,而且在吸收大量电荷后,仍能保持本身电位不变。

　　合理的接地是为*信号提供低阻抗通路,是最有效地抑制电磁*的方法。优良的EMC接地设计可以解决50%的电磁兼容问题(其中包括PCB的接地)。不合理的接地会在两接地点之间的公共阻抗上产生一个电压降,从而产生接地*。在EMC设计中,面对一个复杂的电子系统时,没有一个人能提出一个绝对正确的接地方案,所谓正确的接地方案都会留下些许不足之处。一个在某特定环境中应用较好的接地方案,应用到其他场合不一定会有好的表现。所以,在EMC设计中,采用何种方法接地,要根据实际情况来决定,任何接地方案都有其应用范围和局限性的问题。接地设计应由具有丰富的成功经验的设计人员来承担。

　　3 电磁兼容接地设计的要点

　　(1)几种“地”的定义

　　①地

　　地是导电性的土壤,具有导电位,任意点的电位都可看成是零电位;地是导电体、土壤或金属的壳体,用来作为电流的返回通道,或是作为零电位的参考点。

　　地就是一个导位点或导位面,作为信号的基准参考,要求其电位波动小,为电路或系统提供一个参考电位,其数值可以与大地电位相同,也可以不同,它可以是设备的外壳、支衬的金属板或导线、真正的大地。

　　地在电路组合单元或电子系统中是一个非常重要的角色。电路系统中的各部分电流都必须与地线或地平面构成电流回路。由于返回路径上的电流成分复杂,其幅值和频率的分布亦较大,为了减小返回路径上的电位，就要增大返回路径的截面积。

　　②大地

　　大地是一个电阻非常低、电容量非常大的物体,拥有吸收无限电荷的能力,而且在吸收大量电荷后,仍能保持本身电位不变,所以把它作为电气系统中为防止电力设备遭受雷击而采取的保护性措施和保护人身安全的一种手段。大地适合做电气系统中的参考电位体,称为“电气地”。随着电子通信和其它数字领域的发展,在接地系统中只考虑防雷和人身安全,已远远不能满足要求。如在通

　　信系统中,大量设备之间的信号互连,要求设备有一个基准“地”作为信号的参考地。随着电子设备的复杂化,信号频率越来越高。在接地设计中,信号之间的互相*等EMC问题必须予以重视。为了不影响电子系统运行的可靠性和稳定性,高速信号的回流技术也要引入“地”的概念,这个地就是“物理地”。

　　③接地

　　接地一般是指电路或电子设备组成的运行系统与“地”之间建立的低阻抗通路。

　　接大地可以用作引导故障或雷击电流(安全地),也可以使参考地尽可能地接近所连接的地电位(信号地)。要注意上述两种作用是完全不同的,不能搭接在同一点上使用!

　　④安全地

　　“安全地”是用来引导故障电流、启动断路器或熔断丝,在故障发生的过渡过程中限制对地电压;在绝缘被破坏时,进行短路保护、静电释放、雷电保护等，既保护人身安全，又保护设备不受损坏。

　　⑤信号地

　　“信号地”是指电路和电子设备的信号参考地,是信号电流流回信号源的低阻抗路径。电路中的电位参考点、线为系统中所有组合单元的所有电路,提供一个电位基准面或电位基准网,是信号和功率传输的公共通道,它不仅对噪声的直接传导具有直接影响,而且对拾取或感应外界电磁噪声也是举足轻重的。

　　⑥浮地

　　为避免*信号直接进入信号电路,采用变压器隔离、光隔离或继电器隔离等方式使信号地与其它导体(包括系统)的结构地相隔离。组合单元的电路悬浮地使信号地与机壳相绝缘。设备悬浮地是让设备的地线在电气上与其它导体相绝缘。

　　但是,浮地的一个较大缺点是容易产生静电荷堆积和静电放电(EDS)。

　　(2)接地

　　①接地

　　接地是将电路、设备或系统与大地或可作为电位公共基准的结构实现接近零电阻连接的一门技术。接地可以理解为连接到一个导电位点或导电位面,它是电路或系统的基准电位,但不一定是大地电位。接地有设备内部的信号接地和设备接地之分,两者的概念不同,目的也不相同。设备的信号接地,可能是以设备中的一点或一块较大的金属作为信号的接地参考点,为设备中的所有信号提供一个公共参考电位。在工程实践中,除了要认真考虑设备内部的信号接地外,通常还将设备的信号地、机壳与大地连接在一起,以大地作为设备的接地参考点。

　　②接大地

　　接大地是以大地作为零电位,把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地相连。由于大地的电容量非常大,一般认为大地的电动势为零。

　　在电子设备的测量中,所谓“地”通常不是指真正与地球相连的接地,而是指电路中的公共基准点,这一点的电压为零伏,电路中其它各点的电压都以此点为参考,一般电路图中所示的各点电压数值都是相对于接地端的。

　　③设备的安全接地

　　设备的安全接地分为两类：保护接地和防雷接地。

　　保护接地,为产品的故障电流进入大地提供一个低阻抗通道。在电气设备发生故障时,其外壳将会带电,有人员触电的危险。为人身安全起见,要求电气设备的外壳必须接地。

　　防雷接地,以IEC1024-1所述的建筑物防雷接地主要是通过建筑物地下网状的接地系统来达到要求的。电子系统防雷时,还要求对相邻两建筑物之间通过的电力电缆、通信电缆必须与建筑物接地系统连接起来,但不能形成回路,利用多条平行路径来减小电缆中的电流。

　　电子系统的接地更应注意系统的安全性,并要防止与其他系统的互相*。如果建筑物地下网状接地系统达不到要求,工作状态下的电子系统的接地绝不能直接和防雷地线相连,否则将有杂散电流进入电子系统引起信号*。此时,必须另行设计电子系统所需的地下接地网,同时,要对两个不同接地网,采用正确的接地方式,使其在雷击状态下自动接通。

　　IEC131312-2又提出了采取将建筑物钢筋连接到金属框架的措施,使其在建筑物内部的电子系统处于用金属屏蔽的大空间内。这样,由一次闪击或几次雷击的瞬时电流所产生的电磁*将被减小到足够低的数值。

　　④屏蔽接地

　　为降低交变电场对敏感电路的耦合*,在*源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体,使交变电场对敏感电路的耦合*电压变得很小。在电场平衡状态下,无论导体是空心或实心,无论导体是否带电,也不管导体是否处于外电场之中,该导体必定为等势体,即其内部场强为零。屏蔽接地为互连的电线(电缆)及主要机架提供0V参考或电磁*防护。

　　⑤参考接地(信号电压参考地)

　　参考接地为产品稳定可靠工作提供参考电平,为电源和信号提供基准电位。其定义为一低阻抗路径,信号电流经此路径返回电源。系统基准地与大地相连,可抑制电磁骚扰。如果金属外壳直接接大地还可以提供静电电荷的泄放通路,防止静电电荷积累。同时,为降低接地阻抗,可用旁路电容来减小返回信号电流的幅值。在各组合单元中,低频和高频以及功率电路按要求单独连接(军内和地方要求不一样)。

　　一般电路单元中的地,不一定是大地,其电位并不等于零,只不过是一根公共连接线。理想的地线,其电位应该为零。理想的地线中是没有电流流动的,如果导体中有电流流动,就不能把它作为地线。大型数据中心中的列柜达上百台,机房中的接地应考虑:

　　·电子设备电磁兼容(EMC)接地的概念(目的和要求);

　　·EMC接地的功能;

　　·EMC接地产生的*;

　　·EMC应该遵循的主要原则。

　　⑥接地线

　　接地线是为电路或系统提供参考电位点和面，并抑制电磁骚扰，为电流流回电源提供一条低阻抗路径。地线是安全保护、工作稳定和EMC的基础。

　　接地线设计是一项重要的、难度较大的设计,设计时必须做到以下几点:

　　·保证接地回路具有很低的公共阻抗,系统中各路电流通过该公共阻抗产生的直接传导噪声电压值最小;

　　·有高频电流的场合,要保证信号地对大地有较低的共模电压,使通信信号地产生的辐射噪声最低;

　　·保证地线与信号线构成的电流回路具有最小面积,从而使外界*磁场穿过该回路产生的差模*电压最小,避免内部电位差通过地回路引起过大的地电流造成较大的传导*。

　　·保证人身和设备安全。

　　4 搭接技术

　　通常将电气设备中的过渡导体,用金属构件连在一起称为“连接”。

　　将设备组件、元件与组合单元的金属外壳或构架用电序相近的金属件连在一起称为“搭接”。实现低阻抗电流通路的连接及接地是一个物理概念,而搭接是实现这个物理概念的具体手段,在电气上使它们形成一个连接的整体,避免不同金属之间出现电位差。这个电位差往往是产生电磁*(EMI)的原因之一。

　　搭接可用于各设备的金属机柜(箱)之间、机柜(箱)到接地平面、信号回线到地线和电缆屏蔽层到地线之间、接地平面与大地和地网或地基之间以及各类屏蔽室与大地之间。在舰船、飞机和飞船上搭接的应用十分普遍。

　　根据搭接的不同目的,通常会给搭接规定一个最大电阻值(一般为毫欧级)。

　　设备进出建筑物的各种管线以及机房内裸露金属与建筑物钢筋相连或与机房内的环型接地母线相连,以防止它们之间出现的电位差的搭接,实现可导电部分的电位基本相等的电气连接称为“等电位搭接”。这样,在浪涌发生时,机房内的各设备电位大致相等,可防止出现(除电子系统设备外)不同设备与建筑物件的危险电位差,避免发生放电现象。参照有关标准和规范,按工程实例情况,经科学分析后,在不同区域分界面,采用导电位搭接。电子设备的信号接地平面,通过浪涌保护器与机房内的环型地采用星型结构分别一点接地,以防止出现回路。

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