电路基本原理那些事儿之 能量守恒定律
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俗话说，每逢佳节胖三斤。尤其是这个春节，你上过体重秤了吗？
各大健身房都已经开始做直播健身了，你也不用再想说等到疫情结束，一定要天天去健身房了，从现在就开始燃烧你的卡路里吧！
嗯？燃烧卡路里和本篇文章有半毛钱关系？关系可大了去了。
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.
孤立系统的总能量 E 保持不变。如果一个系统处于孤立环境，即不能有任何能量或质量从该系统输入或输出。能量不能无故生成，也不能无故摧毁，但它能够改变形式。
维基百科
/ 游泳圈的能量守恒 /
世间万物都离不开能量守恒，能量它既不能被创造（created），也不会被消灭（destroyed）。啥？那我的游泳圈（肚腩）怎么长出来的？这不是一个“创造”的过程么？
你的游泳圈（肚腩），只是从那些个膨化食品（淀粉油脂）、饮料（糖），转变（transformed）成一圈圈（脂肪）而已。
而运动，也只有运动，才能将那一圈圈的游泳圈（脂肪）再次转变（transformed）成动能（motion）及热能（thermal）。
看出来了吧，能量从食物的形式，变成脂肪的形式，最后又变成了动能及热能的形式。而食物，当然也是从其它形式的能量转变而来的。这，就是能量守恒。
/ 电能与能量守恒 /
电能也是能量的一种形式，当然也遵循能量守恒定律。
而我们用的电，绝大部分都基于电磁感应而来（发电厂）：这里的电能是从机械能转变而来。而转动发电机组的机械能，可能来自势能（水力发电），可能来自化学能（火力发电），可能来自核能（核电站），也可能来自风能、太阳能等。
我们用电可以做什么？相信大家脑子里立刻会出现很多应用场景。而这些用电的过程，就是能量转变的过程。
点亮灯泡（电能 to 光能）
给电池充电（电能 to 化学能）
驱动喇叭（电能to 声能）
驱动电机（电能 to 机械能）
加热电阻丝（电能 to 热能）
/ 电路的能量守恒 /
我们前面说了那么多关于能量守恒的知识，但是好像都很宽泛，并没有体现到我们具体的电路设计里啊。
别着急，下面就来聊聊我在做项目的时候，碰到的两个看似很“魔幻”，但是实际上很“情有可原”的电路抓虫（Debug）故事吧。
（1）诡异的LED指示灯
上图是很典型的LED电源指示灯，当合上开关K以后，LED被点亮。断开开关K以后，LED熄灭。很简单对不对？
但是很诡异的是，这颗LED灯在开关K断开的时候会自己微微发亮！
这个问题真实存在于我们之前做的一个项目里。当时就百思不得其解：开关都断开了，电路也很简单，就只有一个电阻和一颗LED，它怎么就能自己亮起来呢？真是见了鬼了。
开关有问题？万用表量了，开关是断开的。
电源爬电了？Vcc也就5V，爬什么电啊。
电路板漏电了？其它电源都离得远远的，PCB上也没看到有铜箔短接到其他电源的迹象。
那么我们把限流电阻R增大，会不会有效？事实证明把R增大了也没啥用。这个时候，我们开始陷入神经错乱了，真是活久见。
有一段时间就没去理它了，反正也不影响正常电路的功能，就是看起来很奇怪而已，这个“鬼火”伴随着整个项目的开发过程。
等到项目开发过程接近尾声，要准备试生产的时候。这个“鬼火”问题已经不得不解决了。既然能量是守恒的，那么点亮LED的能量肯定是从什么地方传过来的，因为能量不会无缘无故的出现，同样也不会无缘无故地消失！
然后我们就把其它电源一个一个地断掉，发现断开了48V的大功率电源以后，LED灯不亮了！罪魁祸首找到了，但是能量是怎么传过来的呢？毕竟这2个电源在不同的两块电路板上，他们中间的安全距离也足够啊。唯一的可能就是空间传播了。
我们仔细看了一下，从电阻R到LED的PCB布线，中间走了比较长的距离，而且还有好几个过孔。无形中就增加了很多寄生电感，而48V大功率电源产生的电磁辐射在这些寄生电感上感生出来微弱的感应电动势，而LED只要很小的电流（微安级）就可以被点亮！
实际的电路图变成了上图那样，寄生电感产生的感生电动势无形中成了一个电源给LED供电了！所以虽然开关K断开了，LED上还有微弱的感生电流。
那么问题既然找到了，我们如何优化呢？
首先，需要优化布线，减少寄生电感。其次，将限流电阻R放到LED的近地端，尽量靠近LED并就近接地。这样感应电动势形成的电流就会更小，LED就不会发亮了。到此问题才完美解决。
优化后的电路图：
其实这个LED发亮的问题，严格来说是一个EMC（Electromagnetic compatibility）电磁兼容性的问题。我们在设计电路的时候，EMC是必须考虑在里面的。但是我们往往只关注电路中核心功能器件的EMC问题，例如单片机外围，电源外围等。像LED指示灯这种附加功能就很容易被忽略。
从这个“鬼火”事件中我们可以看到，任何电路的设计，都应该严格遵守EMC设计规范。否则这个“幽灵”不知道什么时候就冒出来了。
（2）能量去哪了？
我们之前做的一个项目，需要给2节串联的锂电池充电。输入电压是5V，通过专用的锂电池充电芯片，把5V升压到8.4V给2节串联的锂电池充电。
这时候我们发现了一个问题，5V输入电源的功率，远远高于输出到锂电池的充电功率。例如5V电源输入是3A（5V*3A=15W），到锂电池充电口却只有8.4V*1.2A=10.08W。
那么中间消失的15W - 10.08W = 4.92W 功率产生的能量跑去哪？
答案是，发热！
将近5W的加热功率使电路板的温度急剧升高，都烤出味道来了。这时我们才发现，充电芯片温度已经达到了惊人的90度！PCB妥妥变成了一个电热片了！
主要原因还是我们第一次使用这种充电芯片，对其特性不甚了解，导致了其工作效率低下，而多出的电能都变成了热能的方式出现。极端情况下，甚至会导致电路板被烧毁。
后来我们调整了芯片的外围电路，并加上了散热片。才使芯片工作在正常的效率范围内，而发热量（温升）也大大减少了。
发热管理也是电路设计里面很重要的一个环节，有时甚至不需要测温度，只要查看输入输出的能量比较，就能知道有多少能量是浪费在发热上了。这就是能量守恒的实际意义。
当然，如果预算充足，可以购买一个红外热成像仪，可以实时查看你的电路板发热情况，对于电路改进会有很大的帮助。
/ 结语 /
实际电路设计中还有很多这样的例子，限于篇幅，这里就不再一一列举。虽然具体的问题千奇百怪，但是他们都有一个同样的特点，那就是遵循能量守恒定律。
能量不会无缘无故的出现，同样也不会无缘无故地消失！
记住了这一条，无论我们碰到多么匪夷所思的问题，只要静下心来好好分析，一定能找到问题的原因并解决！
我们这个电路基本原理系列的五篇文章也到此结束。感兴趣的小伙伴们可以点击下面的链接了解。
