電動勢和電感有什么關系？

　　很早以前做單片機時，知道馬達，繼電器一類電感線圈需要并聯一個反向續流二極管，防止電感產生的反向電動勢損壞線圈。近來突發思考，在考慮如何徹底地理解這個反向電動勢的產生及方向問題，期間查閱了相關資料，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。

　　一 如何理解電感的電壓和電感的自感電動勢

　　電路理論中提到的電感符號如下，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聯時，P》0則吸收能量，P《0則放出能量。

　　電感自感電動勢，ε＝-L di/dt。

　　現在如何理解電感電壓和電感自感電動勢公式不同的問題。實際上，電感電壓的推導是根據法拉第電磁定律來的，也就是與電感電感電動勢同出一轍，從本質上講，電感的電壓就是其自感電動勢。那么為什么兩者公式有正負號之差呢？因為自感電動勢等同于電池，方向是從正極指向負極，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聯，即參考方向一致，這樣一來，電感的公式就與電感自感電動勢有一個負號之差了。但無論怎樣，最核心的基礎就是楞次定律，感應電動勢的總是阻礙原電流的變化。如下圖，當電流突然減小為0時，電感電壓的方向為紅色標注。

　　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勢的方向經常容易出錯。下面讓我們拋開公式，從楞次定律出發去理解性地判斷電動勢的方向。如圖1，假定流過電感的電流I增大，那么根據楞次定律，產生的電感電動勢要阻礙電流的增加，所以電感電動勢（自感電動勢）產生的電流和I相反，即從B到A，根據電池的特性，感應電動勢的方向為從A到B，即和電流的方向一致。電流減小時，感應電流方向從A到B，感應電動勢方向從B到A，即VB》VA。推導就是這么簡單。這樣的結果與電感電壓公式是一致的。

　　二 從能量的角度理解感應電動勢的方向

　　再讓我們從能量的觀點來理解感應電動勢的方向。如圖1，當電流增大時，可知外部電源輸出功率有增大的趨勢，又因電感有儲能作用，此時電感有吸收能量的趨勢，可以認為外部電壓不變，吸收能量的結果就是減小電流，即阻礙電流的增加。這時電感相當于一個被充電的電池，其電動勢為從A到B。實際上，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”轉換為磁場能（電流）了。當電流減小時或突然降為0時，那么電感的電池作用又顯現了，磁能要轉換為電能，這個電能就是電壓（反向電動勢），因為它有阻礙電流減小的趨勢，它勢必通過反向電動勢（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，電感電流突然變為0，則電感的感應電動勢會非常大，其中能量也只能通過輻射消耗了。因為這時電感的電動勢（電池）釋放能量的趨勢是維持電流的不變，所以感應電流的趨勢是從A到B，感應電動勢的方向則是從B到A。

　　共模、差模電感器的設計：

　　共模電感是兩個繞組分別接在零線和火線上，兩個繞組同進同出，濾除的是共模信號。

　　差模電感是一個繞組單獨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：分別在零線和火線上的兩個完全相同的信號他們都通偶合和地形成回路。

　　差模信號：是和有用信號同樣的回路。

　　為什么共模電感能防EMI？要弄清楚這點，我們需要從共模電感的結構開始分析。

　　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。這兩個線圈繞在同一鐵芯上，匝數和相位都相同（繞制反向）。這樣，當電路中的正常電流流經共模電感時，電流在同相位繞制的電感線圈中產生反向的磁場而相互抵消，此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響（和少量因漏感造成的阻尼）；當有共模電流流經線圈時，由于共模電流的同向性，會在線圈內產生同向的磁場而增大線圈的感抗，使線圈表現為高阻抗，產生較強的阻尼效果，以此衰減共模電流，達到濾波的目的。

　　事實上，將這個濾波電路一端接干擾源，另一端接被干擾設備，則La和C1，Lb和C2就構成兩組低通濾波器，可以使線路上的共模EMI信號被控制在很低的電平上。該電路既可以抑制外部的EMI信號傳入，又可以衰減線路自身工作時產生的EMI信號，能有效地降低EMI干擾強度。

　　串模干擾

　　串模干擾是指干擾電壓與有效信號串聯疊加后作用到儀表上的。串模干擾通常來自于高壓輸電線、與信號線平行鋪設的電源線及大電流控制線所產生的空間電磁場。由傳感感器來的信號線有時長達一二百米，干擾源通過電磁感應和靜電耦合作用加上如此之長的信號線上的感應電壓數值是相當可觀的。例如一路電線與信號線平行敷設時，信號線上的電磁感應電壓和靜電感應電壓分別都可達到毫伏級，然而來自傳感的有效信號電壓的動態范圍通常僅有幾十毫伏，甚至更小。除了信號線引入的串模干擾外，

　　信號源本身固有的漂移，紋波和噪聲，以及電源變壓器不良屏蔽或穩壓濾波效果不良等也會引入串模干擾。

　　串模干擾也稱作差模干擾，是指由兩條信號線本身作為回路時，由于外界干擾源或設備內部本身耦合而產生干擾信號。

　　在差分放大器中，放大器不能區分串模干擾和信號，會一并加以放大。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，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。局域網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），則只能通過加強線本身的屏蔽、合理布線解決。

　　電源干擾可以以共模或差模方式存在

　　共模干擾是指電源火線對大地或電源中線對大地之間的干擾，有時稱為縱模干擾、不對稱干擾或接地干擾。

　　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，有時稱為常模干擾、橫模干擾或對稱干擾。

　　共模干擾是由輻射或串擾形式形成的，如雷電、電弧、電臺等，來自空間的感應。差模干擾是同一線路中的電機、開關電源及可控硅等在電源線上產生的干擾。

　　通常線路上的差模分量和共模分量是同時存在的，而且由于線路的阻抗不平衡，兩種分量在傳輸中會互相轉變。干擾在線路上經過長距離的傳輸后，差模分量的衰減要比共模分量大，因為線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，在傳輸的同時，會向臨近空間輻射，耦合到信號電路中形成干擾，很難防范。差模干擾的頻率相對較低，不易形成空間輻射，已經有良好的處理措施，降低共模干擾，設備的敏感度問題大都是由共模干擾引起的。

　　一個系統的電磁兼容性，實際上體現在兩個方面：一方面，一個系統必須以整體電磁環境為依據，要求每個用電設備不產生超過一定限度的電磁發射；另一方面，又要求它具有一定的抗干擾能力。國際電工技術委員會（IEC）的定義是：電磁兼容是設備的一種能力，是設備在其電磁環境中能完成它的功能，而不至于在其環境中產生不允許的干擾。差模電流：在差分模式下，電路設備輸出一個電流到負載。同時存在一個等值的返回電流。這兩個大小相等、沿相反方向流動的電流，代表了標準的差模工作方式。我們并不想完全消除差模工作影響，因為在一個電路板只能做得盡量像完善的自屏蔽環境（如同軸電纜），完全的電場俘獲和磁場抵消是不可能達到的。剩下的不能抵消的場是產生差模EMI的源。差分模式輻射是系統結構里的RF電流回路中電流的流動引起的。

　　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：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構（比如電源面和接地層）中的公共電流。典型的發生條件是電流從導電平面內意料之外的通路流過。當返回的電流與它們原來的信號通路不配對（比如在平面內有裂縫等），或者幾個信號有公共返回區域，共模電流就產生了。

　　減小共模輻射的方法：

　　1、盡量減小激勵次天線的源電壓，即地電位；

　　2、提供與電纜串聯的高共模阻抗，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中的地電位。EMI濾波器主要是消除或降低傳導干擾。實際上傳導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的相位相同、電位相等，而差模干擾是相線間干擾信號相位差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構成共模濾波電路，LC1，LC2為共模濾波電感，而Ld1，Ld2，Cx1，Cx2構成差模電路。共模電感Lc一般數值0.3mH～38mH，共模電容Cy，只要控制在漏電電流于《1mA條件下選擇較大數值為準。而差模電感Ld一般在幾十至幾百微亨，其電容應選耐壓大于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濾波器大都是對共模干擾設計的，對差模抑制效果很差。實際上開關電源中共模與差模干擾同時存在，特別對于有源功率因數校正電路中差模干擾的強度很大。對于開關電源，EMI濾波器對高頻的EMI信號抑制比低頻的EMI傳導消容易多。常常利用共模電感的差值形成的差模電感就能消除300kHz～30MHz傳導干擾電平。設計和選用濾波器一定要根據電路的實際需要而定。

　　首先測出傳導干擾電平與所規定的EMC標準極限比較，一般0.01MHz～0.1MHz是差模干擾起主導作用，0.1MHz～1MHz是差模與共模干擾聯合作用，而1MHz～30MHz主要是共模干擾起作用。根據實驗結果來判斷和選擇對超標信號有抑制作用的濾波器或器件。當然實際操作相當復雜，要有相當高的技術水平和經驗。