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计算机对共模噪声的敏感性

一些隔离变压器或“电源调节器”制造商为了提高他们产品的销售量,常常声称交流电源中不到1伏的共模噪声就能导致计算机损坏或失灵。实际测试说明这种说法是毫无事实根据的。

我们直接从一个电源调节器厂家的广告中择取出其对共模噪声对计算机产生的不良影响的描述,内容如下:

“常模噪声是电源相线和零线间的瞬变压差,电源通过这两根线给电路供电。常模噪声由此直接进入灵敏的电子器件中,就会带来损坏或使电子器件质量下降的可能性。依当今半导体的密度和灵敏度来看,常模噪声值在10伏左右就会使元件质量下降。40伏时就会毁坏件。”“共模噪声是地线和相线或零线间的瞬变压差,它是造成系统崩溃的最主要的原因,因为数字逻辑电路都直接或通过电容和地线相连,以此作为零电压基准。所以那怕只有0.5伏共模噪声都会使电压参考点发生零漂,使系统逻辑混乱。”“频率60Hz以上电涌能通过SMPS进入微电子元件中。”

选自“Automation Equipment of the '90s- Power

Conditioning Equipment of the '60sby Keven Gonlet of ONEAC Corp.

PCIM'90 Conference Proceedings

为了便于理解,把上面的论述归为以下几点:

(A)小的电涌会损坏计算机或使其失灵

(B)电源线上有小的电涌

(C)电涌通过电源线进入计算机电路

(D)所以电源线上小的电涌就会损坏计算机电路

毫无疑问,“A”、“B”两点是对的,所以结论“D”对否要看“C”对否决定,分析和试验证明“C”论点不对,所以上面引用的观点不正确。

电源线引入计算机电路的噪声

为了便于了解噪声或电涌怎样进入计算机的,我们画出了典型的计算机电源框图,如图1。首先注意到电路中有三根输入线,只有其中两根和计算机电路相连。按定义共模噪声或电涌要有三根线,所以我们马上就能知道输出电源中只会有常模噪声。为了清楚地了解电涌由电源进入系统的潜在可能性,须了解电源输入端的共模或常模噪声是如何使电源输出产生常模噪声的过程。注意输入端的共模噪声只有在能使输出产生常模噪声时才是重要的。

图中有趣的特征是有噪声的电源线和输出电源线间没有直接的物理连接。事实上国际安全机构的要求规定输入、输出线至少应间隔0.5mm以上,
电源是通过隔离变压器的电磁耦合传送的。

对一个典型的电源内有众多的滤波器来减少电源输出的常模噪声。电路分析表明电源电路能大大消减常模和共模噪声输入电涌。还有更令人信服的论点说明通过电源的噪声大小是很微不足道的。

2记录了图1中“X”点处关电源电压波形,开关电源必须用高频脉冲来传输电能的,但对计算机来说则引入了高频“噪声”,其电涌高达500V,但到达输出的幅度不到0.05V,即削减了10,000倍。

如果电源对高频噪声不加阻拦的话,那么“X”点的噪声信号返回到输入电源线中。因为这么高频的噪声会干扰电视、收音机等设备的工作,政府严禁计算机设备发射出这样的高频噪声。为了符合规定要求,计算机厂家联合起来对他们的滤波器进行了统一化。规定要求电源输出噪声应小于0.0005伏,为了满足要求“X”点的信号被削减1,000,000倍,满足这种要求的滤波器应是对称的,即对输入──输出和输出──输入的滤波性能一样好。所以,噪声从电源输入端到“X”点时必须衰减1,000,000倍。

*定义:

共模──对于交流电系统,“共模”这个术语既用于噪声也用于电涌干扰。共模干扰在电零线(白或兰线)与地线(绿线)之间产生。大多数国家电流断路器或交流电分路器与地线是互联的,所以之间没有共模干扰。然而有一些意想不到的噪声干扰存在于零线与地线之间,如线路破损,过载电流等。现代计算机可免除共模噪声。共模噪声通常与系统间地线噪声混淆,这种独特问题会导致计算机损坏和数据丢失。

常模──对于交流电系统,“常模”与噪声或电涌干扰有关。“常模”与“差模”两个术语是完全相同的。常模干扰发生于电源火线(黑色或棕色线)于零线(白色或兰色线)之间。大多数常模干扰收建筑内负载开关和马达型负载产生。发生于建筑外的电涌,如闪电会使零地之间产生电压因为零地常常是接通的。电涌抑制器有时将常模噪声和电涌泄入零地线,从而生成零线上的电压称作“共模”噪声或电涌电压。

总的衰减倍数包括从输入到“X”点的衷减倍数和从“X”点到输出的衰减倍数。前面已说明的衰减倍数分别是10.000倍和1,000,000倍,所以噪声从输入到输出总的衰减倍数为10,000,000,000 倍。 即输入端的10V的电涌到达输出端时只有0.0000000001V,它比计算机电路自身产生的电涌小1亿倍,比造成系统损坏的电涌小20 亿倍。 这个分析是近似的,减倍数与频率高低无关。 即使衰减倍数只有1百万倍也决不会损坏计算机电路。

建筑物的布线对共模噪声的影响

另一个容易忽略的事实是建筑物的布线对共模噪声造成的影响。在理想的三线办公电源系统不会产生共模噪声,因为零线接地了。实际环境中在零线和地线间会产生噪声,就是共模噪声,通常被认为即使很小的值也会使计算机失灵。然而许多布线没有电源地线。

在北美,很多计算机如IBM AS/400只用208V相线供电,在挪威办公室的零线不接地,上述两种情况下因为零线不接地,会产生较大的共模噪声。如果按“很小的共模噪声会对计算机产生影响”的说法,IBMAS/400机和在挪威在运行的计算机可靠性肯定不高(同零线接地电源供电相比)。但事实并非如此,这再次说明小的共模噪声不会影响计算机电路。

总结

上述分析并不是部电源噪声、电涌不会影响计算机工作。毫无疑问如果这些干扰足够大以至超过了电源工作电压(几百伏)就可能使系统隔离崩溃,从而对计算机硬件构成真正的危胁。应该使用高质量的电涌抑制器对这种可能性予以控制。对互联计算机系统来说,真正的问题不是共模或常模噪声,而是系统间地线噪声。

系统间地线噪声存在于不同位置的计算机地线之间,有关系统内部地线噪声的原因用后果在本资料T8里已作了说明。有时用“地线环”或“地线参考电压漂移”来解释这个问题。重要的是知道系统间地线噪声不是共模或常模噪声,并且隔离变压器、线性调压器或滤波器不能消除它,即使产品说明书里声称他们确实解决了问题。
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