電動(dòng)勢(shì)和電感有什么關(guān)系？
很早以前做單片機(jī)時(shí)，知道馬達(dá)，繼電器一類電感線圈需要并聯(lián)一個(gè)反向續(xù)流二極管，防止電感產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)損壞線圈。近來突發(fā)思考，在考慮如何徹底地理解這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生及方向問題，期間查閱了相關(guān)資料，也有了新的一些理解，糾正了以前的誤解。在此一并寫出，作為總結(jié)。
一 如何理解電感的電壓和電感的自感電動(dòng)勢(shì)
電路理論中提到的電感符號(hào)如下，給出了電壓和電流的方向，
并給出了電壓與電流的公式 u（t）=L di/dt， 電壓和電流參考方向關(guān)聯(lián)時(shí)，P》0則吸收能量，P《0則放出能量。
電感自感電動(dòng)勢(shì)，ε＝-L di/dt。
現(xiàn)在如何理解電感電壓和電感自感電動(dòng)勢(shì)公式不同的問題。實(shí)際上，電感電壓的推導(dǎo)是根據(jù)法拉第電磁定律來的，也就是與電感電感電動(dòng)勢(shì)同出一轍，從本質(zhì)上講，電感的電壓就是其自感電動(dòng)勢(shì)。那么為什么兩者公式有正負(fù)號(hào)之差呢？因?yàn)樽愿须妱?dòng)勢(shì)等同于電池，方向是從正極指向負(fù)極，與電流的方向相反。而電感電壓公式首先就是假定電流和電壓方向關(guān)聯(lián)，即參考方向一致，這樣一來，電感的公式就與電感自感電動(dòng)勢(shì)有一個(gè)負(fù)號(hào)之差了。但無論怎樣，最核心的基礎(chǔ)就是楞次定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的總是阻礙原電流的變化。如下圖，當(dāng)電流突然減小為0時(shí)，電感電壓的方向?yàn)榧t色標(biāo)注。
圖1 電感的電流和電壓
有人說，這樣講還是不太清楚。的確，從公式上去判斷自感反向電動(dòng)勢(shì)的方向經(jīng)常容易出錯(cuò)。下面讓我們拋開公式，從楞次定律出發(fā)去理解性地判斷電動(dòng)勢(shì)的方向。如圖1，假定流過電感的電流I增大，那么根據(jù)楞次定律，產(chǎn)生的電感電動(dòng)勢(shì)要阻礙電流的增加，所以電感電動(dòng)勢(shì)（自感電動(dòng)勢(shì)）產(chǎn)生的電流和I相反，即從B到A，根據(jù)電池的特性，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)閺腁到B，即和電流的方向一致。電流減小時(shí)，感應(yīng)電流方向從A到B，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向從B到A，即VB》VA。推導(dǎo)就是這么簡單。這樣的結(jié)果與電感電壓公式是一致的。
二 從能量的角度理解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向
再讓我們從能量的觀點(diǎn)來理解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。如圖1，當(dāng)電流增大時(shí)，可知外部電源輸出功率有增大的趨勢(shì)，又因電感有儲(chǔ)能作用，此時(shí)電感有吸收能量的趨勢(shì)，可以認(rèn)為外部電壓不變，吸收能量的結(jié)果就是減小電流，即阻礙電流的增加。這時(shí)電感相當(dāng)于一個(gè)被充電的電池，其電動(dòng)勢(shì)為從A到B。實(shí)際上，電感這種“充電電池”作用是阻礙不了電流的增大，最終被“充電的電池能量”轉(zhuǎn)換為磁場能（電流）了。當(dāng)電流減小時(shí)或突然降為0時(shí)，那么電感的電池作用又顯現(xiàn)了，磁能要轉(zhuǎn)換為電能，這個(gè)電能就是電壓（反向電動(dòng)勢(shì)），因?yàn)樗凶璧K電流減小的趨勢(shì)，它勢(shì)必通過反向電動(dòng)勢(shì)（好比電池電壓）來給外部電路供能量，否則它的能量怎么辦？根據(jù)P＝UI，如果I很小，則U很大，也就是說假如電路短路，電感電流突然變?yōu)?，則電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)非常大，其中能量也只能通過輻射消耗了。因?yàn)檫@時(shí)電感的電動(dòng)勢(shì)（電池）釋放能量的趨勢(shì)是維持電流的不變，所以感應(yīng)電流的趨勢(shì)是從A到B，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向則是從B到A。
共模、差模電感器的設(shè)計(jì)：
共模電感是兩個(gè)繞組分別接在零線和火線上，兩個(gè)繞組同進(jìn)同出，濾除的是共模信號(hào)。
差模電感是一個(gè)繞組單獨(dú)接在零線和火線上的濾波電感器只能濾除差模干擾。
共模信號(hào)：分別在零線和火線上的兩個(gè)完全相同的信號(hào)他們都通偶合和地形成回路。
差模信號(hào)：是和有用信號(hào)同樣的回路。
為什么共模電感能防EMI？要弄清楚這點(diǎn)，我們需要從共模電感的結(jié)構(gòu)開始分析。
圖4是包含共模電感的濾波電路，La和Lb就是共模電感線圈。這兩個(gè)線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同（繞制反向）。這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻的影響（和少量因漏感造成的阻尼）；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。
事實(shí)上，將這個(gè)濾波電路一端接干擾源，另一端接被干擾設(shè)備，則La和C1，Lb和C2就構(gòu)成兩組低通濾波器，可以使線路上的共模EMI信號(hào)被控制在很低的電平上。該電路既可以抑制外部的EMI信號(hào)傳入，又可以衰減線路自身工作時(shí)產(chǎn)生的EMI信號(hào)，能有效地降低EMI干擾強(qiáng)度。
串模干擾
串模干擾是指干擾電壓與有效信號(hào)串聯(lián)疊加后作用到儀表上的。串模干擾通常來自于高壓輸電線、與信號(hào)線平行鋪設(shè)的電源線及大電流控制線所產(chǎn)生的空間電磁場。由傳感感器來的信號(hào)線有時(shí)長達(dá)一二百米，干擾源通過電磁感應(yīng)和靜電耦合作用加上如此之長的信號(hào)線上的感應(yīng)電壓數(shù)值是相當(dāng)可觀的。例如一路電線與信號(hào)線平行敷設(shè)時(shí)，信號(hào)線上的電磁感應(yīng)電壓和靜電感應(yīng)電壓分別都可達(dá)到毫伏級(jí)，然而來自傳感的有效信號(hào)電壓的動(dòng)態(tài)范圍通常僅有幾十毫伏，甚至更小。除了信號(hào)線引入的串模干擾外，
信號(hào)源本身固有的漂移，紋波和噪聲，以及電源變壓器不良屏蔽或穩(wěn)壓濾波效果不良等也會(huì)引入串模干擾。
串模干擾也稱作差模干擾，是指由兩條信號(hào)線本身作為回路時(shí)，由于外界干擾源或設(shè)備內(nèi)部本身耦合而產(chǎn)生干擾信號(hào)。
在差分放大器中，放大器不能區(qū)分串模干擾和信號(hào)，會(huì)一并加以放大。因此，差模干擾是差分放大電路最難克服的問題之一。
克服串模干擾最常用和有效的方法是用雙絞線傳輸信號(hào)，并且雙絞線的絞距越小、線距越近則抑制串模干擾的能力越強(qiáng)。局域網(wǎng)中廣泛使用的五類線就是如此。
但在某些不能使用雙絞線的情況下（例如AV、CATV的同軸電纜），則只能通過加強(qiáng)線本身的屏蔽、合理布線解決。
電源干擾可以以共?；虿钅７绞酱嬖?/h3>
共模干擾是指電源火線對(duì)大地或電源中線對(duì)大地之間的干擾，有時(shí)稱為縱模干擾、不對(duì)稱干擾或接地干擾。
差模干擾是指線與線之間的干擾，如電源相線與中線之間的干擾，有時(shí)稱為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。
共模干擾是由輻射或串?dāng)_形式形成的，如雷電、電弧、電臺(tái)等，來自空間的感應(yīng)。差模干擾是同一線路中的電機(jī)、開關(guān)電源及可控硅等在電源線上產(chǎn)生的干擾。
通常線路上的差模分量和共模分量是同時(shí)存在的，而且由于線路的阻抗不平衡，兩種分量在傳輸中會(huì)互相轉(zhuǎn)變。干擾在線路上經(jīng)過長距離的傳輸后，差模分量的衰減要比共模分量大，因?yàn)榫€間阻抗與線地阻抗不同的緣故。共模干擾的頻率一般分布在1mhz以上，在傳輸?shù)耐瑫r(shí)，會(huì)向臨近空間輻射，耦合到信號(hào)電路中形成干擾，很難防范。差模干擾的頻率相對(duì)較低，不易形成空間輻射，已經(jīng)有良好的處理措施，降低共模干擾，設(shè)備的敏感度問題大都是由共模干擾引起的。
一個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性，實(shí)際上體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，一個(gè)系統(tǒng)必須以整體電磁環(huán)境為依據(jù)，要求每個(gè)用電設(shè)備不產(chǎn)生超過一定限度的電磁發(fā)射；另一方面，又要求它具有一定的抗干擾能力。國際電工技術(shù)委員會(huì)（IEC）的定義是：電磁兼容是設(shè)備的一種能力，是設(shè)備在其電磁環(huán)境中能完成它的功能，而不至于在其環(huán)境中產(chǎn)生不允許的干擾。差模電流：在差分模式下，電路設(shè)備輸出一個(gè)電流到負(fù)載。同時(shí)存在一個(gè)等值的返回電流。這兩個(gè)大小相等、沿相反方向流動(dòng)的電流，代表了標(biāo)準(zhǔn)的差模工作方式。我們并不想完全消除差模工作影響，因?yàn)樵谝粋€(gè)電路板只能做得盡量像完善的自屏蔽環(huán)境（如同軸電纜），完全的電場俘獲和磁場抵消是不可能達(dá)到的。剩下的不能抵消的場是產(chǎn)生差模EMI的源。差分模式輻射是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)里的RF電流回路中電流的流動(dòng)引起的。
共模電流：共模電流是由于差模電流抵消不良造成的，差模電流抵消不良是由于兩條信息傳輸通路不平行引起的。沒有抵消的那部分就是共模電流共模信號(hào)：是輻射的主要源泉，不包含有用信息。
共模起源于公共金屬結(jié)構(gòu)（比如電源面和接地層）中的公共電流。典型的發(fā)生條件是電流從導(dǎo)電平面內(nèi)意料之外的通路流過。當(dāng)返回的電流與它們?cè)瓉淼男盘?hào)通路不配對(duì)（比如在平面內(nèi)有裂縫等），或者幾個(gè)信號(hào)有公共返回區(qū)域，共模電流就產(chǎn)生了。
減小共模輻射的方法：
1、盡量減小激勵(lì)次天線的源電壓，即地電位；
2、提供與電纜串聯(lián)的高共模阻抗，即加共模扼流圈；
3、將共模電流旁路到地；
4、電纜屏蔽層與屏蔽殼體作360°端接。
這里，采用接地平面就能有效地減小接地系統(tǒng)中的地電位。EMI濾波器主要是消除或降低傳導(dǎo)干擾。實(shí)際上傳導(dǎo)干擾又分為共模干擾和差模干擾，所謂共模干擾是指相線與地線之間干擾信號(hào)的相位相同、電位相等，而差模干擾是相線間干擾信號(hào)相位差180°（電位相等）。因此濾波電路也分為抗共模和抗差模干擾電路，參見圖1。
圖1抗共模和抗差模干擾電路
圖中LC1，LC2，Cy1，Cy2構(gòu)成共模濾波電路，LC1，LC2為共模濾波電感，而Ld1，Ld2，Cx1，Cx2構(gòu)成差模電路。共模電感Lc一般數(shù)值0.3mH～38mH，共模電容Cy，只要控制在漏電電流于《1mA條件下選擇較大數(shù)值為準(zhǔn)。而差模電感Ld一般在幾十至幾百微亨，其電容應(yīng)選耐壓大于1.4kV的陶瓷或聚酯電容。Ld1，Ld2差模電感、電容值越大，低頻效果越好。市場上購買的EMI濾波器大都是對(duì)共模干擾設(shè)計(jì)的，對(duì)差模抑制效果很差。實(shí)際上開關(guān)電源中共模與差模干擾同時(shí)存在，特別對(duì)于有源功率因數(shù)校正電路中差模干擾的強(qiáng)度很大。對(duì)于開關(guān)電源，EMI濾波器對(duì)高頻的EMI信號(hào)抑制比低頻的EMI傳導(dǎo)消容易多。常常利用共模電感的差值形成的差模電感就能消除300kHz～30MHz傳導(dǎo)干擾電平。設(shè)計(jì)和選用濾波器一定要根據(jù)電路的實(shí)際需要而定。
首先測(cè)出傳導(dǎo)干擾電平與所規(guī)定的EMC標(biāo)準(zhǔn)極限比較，一般0.01MHz～0.1MHz是差模干擾起主導(dǎo)作用，0.1MHz～1MHz是差模與共模干擾聯(lián)合作用，而1MHz～30MHz主要是共模干擾起作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來判斷和選擇對(duì)超標(biāo)信號(hào)有抑制作用的濾波器或器件。當(dāng)然實(shí)際操作相當(dāng)復(fù)雜，要有相當(dāng)高的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。