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俗話說，每逢佳節(jié)胖三斤。尤其是這個(gè)春節(jié)，你上過體重秤了嗎？
各大健身房都已經(jīng)開始做直播健身了，你也不用再想說等到疫情結(jié)束，一定要天天去健身房了，從現(xiàn)在就開始燃燒你的卡路里吧！
嗯？燃燒卡路里和本篇文章有半毛錢關(guān)系？關(guān)系可大了去了。
4?能量守恒定律（Law of conservation of?energy）
the?law?of?conservation?of?energy?states?that?the?total?energy?of?an?isolated?system?remains?constant;?it?is?said?to?be?conserved?over?time.[1]?This?law?means?that?energy?can?neither?be?created?nor?destroyed;?rather,?it?can?only?be?transformed?or?transferred?from?one?form?to?another.
孤立系統(tǒng)的總能量 E 保持不變。如果一個(gè)系統(tǒng)處于孤立環(huán)境，即不能有任何能量或質(zhì)量從該系統(tǒng)輸入或輸出。能量不能無故生成，也不能無故摧毀，但它能夠改變形式。
維基百科
/ 游泳圈的能量守恒 /
世間萬物都離不開能量守恒，能量它既不能被創(chuàng)造（created），也不會(huì)被消滅（destroyed）。啥？那我的游泳圈（肚腩）怎么長出來的？這不是一個(gè)“創(chuàng)造”的過程么？
你的游泳圈（肚腩），只是從那些個(gè)膨化食品（淀粉油脂）、飲料（糖），轉(zhuǎn)變（transformed）成一圈圈（脂肪）而已。
而運(yùn)動(dòng)，也只有運(yùn)動(dòng)，才能將那一圈圈的游泳圈（脂肪）再次轉(zhuǎn)變（transformed）成動(dòng)能（motion）及熱能（thermal）。
看出來了吧，能量從食物的形式，變成脂肪的形式，最后又變成了動(dòng)能及熱能的形式。而食物，當(dāng)然也是從其它形式的能量轉(zhuǎn)變而來的。這，就是能量守恒。
/ 電能與能量守恒 /
電能也是能量的一種形式，當(dāng)然也遵循能量守恒定律。
而我們用的電，絕大部分都基于電磁感應(yīng)而來（發(fā)電廠）：這里的電能是從機(jī)械能轉(zhuǎn)變而來。而轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)組的機(jī)械能，可能來自勢(shì)能（水力發(fā)電），可能來自化學(xué)能（火力發(fā)電），可能來自核能（核電站），也可能來自風(fēng)能、太陽能等。
我們用電可以做什么？相信大家腦子里立刻會(huì)出現(xiàn)很多應(yīng)用場(chǎng)景。而這些用電的過程，就是能量轉(zhuǎn)變的過程。
點(diǎn)亮燈泡（電能?to?光能）
給電池充電（電能?to?化學(xué)能）
驅(qū)動(dòng)喇叭（電能to?聲能）
驅(qū)動(dòng)電機(jī)（電能?to?機(jī)械能）
加熱電阻絲（電能?to?熱能）
/ 電路的能量守恒 /
我們前面說了那么多關(guān)于能量守恒的知識(shí)，但是好像都很寬泛，并沒有體現(xiàn)到我們具體的電路設(shè)計(jì)里啊。
別著急，下面就來聊聊我在做項(xiàng)目的時(shí)候，碰到的兩個(gè)看似很“魔幻”，但是實(shí)際上很“情有可原”的電路抓蟲（Debug）故事吧。
（1）詭異的LED指示燈
上圖是很典型的LED電源指示燈，當(dāng)合上開關(guān)K以后，LED被點(diǎn)亮。斷開開關(guān)K以后，LED熄滅。很簡單對(duì)不對(duì)？
但是很詭異的是，這顆LED燈在開關(guān)K斷開的時(shí)候會(huì)自己微微發(fā)亮！
這個(gè)問題真實(shí)存在于我們之前做的一個(gè)項(xiàng)目里。當(dāng)時(shí)就百思不得其解：開關(guān)都斷開了，電路也很簡單，就只有一個(gè)電阻和一顆LED，它怎么就能自己亮起來呢？真是見了鬼了。
開關(guān)有問題？萬用表量了，開關(guān)是斷開的。
電源爬電了？Vcc也就5V，爬什么電啊。
電路板漏電了？其它電源都離得遠(yuǎn)遠(yuǎn)的，PCB上也沒看到有銅箔短接到其他電源的跡象。
那么我們把限流電阻R增大，會(huì)不會(huì)有效？事實(shí)證明把R增大了也沒啥用。這個(gè)時(shí)候，我們開始陷入神經(jīng)錯(cuò)亂了，真是活久見。
有一段時(shí)間就沒去理它了，反正也不影響正常電路的功能，就是看起來很奇怪而已，這個(gè)“鬼火”伴隨著整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)過程。
等到項(xiàng)目開發(fā)過程接近尾聲，要準(zhǔn)備試生產(chǎn)的時(shí)候。這個(gè)“鬼火”問題已經(jīng)不得不解決了。既然能量是守恒的，那么點(diǎn)亮LED的能量肯定是從什么地方傳過來的，因?yàn)?b>能量不會(huì)無緣無故的出現(xiàn)，同樣也不會(huì)無緣無故地消失！
然后我們就把其它電源一個(gè)一個(gè)地?cái)嗟簦l(fā)現(xiàn)斷開了48V的大功率電源以后，LED燈不亮了！罪魁禍?zhǔn)渍业搅耍悄芰渴窃趺磦鬟^來的呢？畢竟這2個(gè)電源在不同的兩塊電路板上，他們中間的安全距離也足夠啊。唯一的可能就是空間傳播了。
我們仔細(xì)看了一下，從電阻R到LED的PCB布線，中間走了比較長的距離，而且還有好幾個(gè)過孔。無形中就增加了很多寄生電感，而48V大功率電源產(chǎn)生的電磁輻射在這些寄生電感上感生出來微弱的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而LED只要很小的電流（微安級(jí)）就可以被點(diǎn)亮！
實(shí)際的電路圖變成了上圖那樣，寄生電感產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)無形中成了一個(gè)電源給LED供電了！所以雖然開關(guān)K斷開了，LED上還有微弱的感生電流。
那么問題既然找到了，我們?nèi)绾蝺?yōu)化呢？
首先，需要優(yōu)化布線，減少寄生電感。其次，將限流電阻R放到LED的近地端，盡量靠近LED并就近接地。這樣感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)形成的電流就會(huì)更小，LED就不會(huì)發(fā)亮了。到此問題才完美解決。
優(yōu)化后的電路圖：
其實(shí)這個(gè)LED發(fā)亮的問題，嚴(yán)格來說是一個(gè)EMC（Electromagnetic compatibility）電磁兼容性的問題。我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路的時(shí)候，EMC是必須考慮在里面的。但是我們往往只關(guān)注電路中核心功能器件的EMC問題，例如單片機(jī)外圍，電源外圍等。像LED指示燈這種附加功能就很容易被忽略。
從這個(gè)“鬼火”事件中我們可以看到，任何電路的設(shè)計(jì)，都應(yīng)該嚴(yán)格遵守EMC設(shè)計(jì)規(guī)范。否則這個(gè)“幽靈”不知道什么時(shí)候就冒出來了。
（2）能量去哪了？
我們之前做的一個(gè)項(xiàng)目，需要給2節(jié)串聯(lián)的鋰電池充電。輸入電壓是5V，通過專用的鋰電池充電芯片，把5V升壓到8.4V給2節(jié)串聯(lián)的鋰電池充電。
這時(shí)候我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，5V輸入電源的功率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸出到鋰電池的充電功率。例如5V電源輸入是3A（5V*3A=15W），到鋰電池充電口卻只有8.4V*1.2A=10.08W。
那么中間消失的15W - 10.08W = 4.92W 功率產(chǎn)生的能量跑去哪？
答案是，發(fā)熱！
將近5W的加熱功率使電路板的溫度急劇升高，都烤出味道來了。這時(shí)我們才發(fā)現(xiàn)，充電芯片溫度已經(jīng)達(dá)到了驚人的90度！PCB妥妥變成了一個(gè)電熱片了！
主要原因還是我們第一次使用這種充電芯片，對(duì)其特性不甚了解，導(dǎo)致了其工作效率低下，而多出的電能都變成了熱能的方式出現(xiàn)。極端情況下，甚至?xí)?dǎo)致電路板被燒毀。
后來我們調(diào)整了芯片的外圍電路，并加上了散熱片。才使芯片工作在正常的效率范圍內(nèi)，而發(fā)熱量（溫升）也大大減少了。
發(fā)熱管理也是電路設(shè)計(jì)里面很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，有時(shí)甚至不需要測(cè)溫度，只要查看輸入輸出的能量比較，就能知道有多少能量是浪費(fèi)在發(fā)熱上了。這就是能量守恒的實(shí)際意義。
當(dāng)然，如果預(yù)算充足，可以購買一個(gè)紅外熱成像儀，可以實(shí)時(shí)查看你的電路板發(fā)熱情況，對(duì)于電路改進(jìn)會(huì)有很大的幫助。
/ 結(jié)語?/
實(shí)際電路設(shè)計(jì)中還有很多這樣的例子，限于篇幅，這里就不再一一列舉。雖然具體的問題千奇百怪，但是他們都有一個(gè)同樣的特點(diǎn)，那就是遵循能量守恒定律。
能量不會(huì)無緣無故的出現(xiàn)，同樣也不會(huì)無緣無故地消失！
記住了這一條，無論我們碰到多么匪夷所思的問題，只要靜下心來好好分析，一定能找到問題的原因并解決！
我們這個(gè)電路基本原理系列的五篇文章也到此結(jié)束。感興趣的小伙伴們可以點(diǎn)擊下面的鏈接了解。
