1. 问题描述
在铁路车辆网络控制系统中，数字量采集设备功耗和温升的控制是设计工作中的一个重要方面。数字量的分时采集是控制温升和功耗的一个重要方法。
在新型数字量采集电路板的研发过程中，发现电路板在所有数字量采集通道均接高电平后，室温下的温升达到40℃，由于该电路板采用了分时采集技术来降低功耗，根据经验该板卡满载情况下，室温下温升不应超过15℃。下图1为电路板工作一小时后的温升测试情况。
图1
2. 数字量采集原理
数字量采集电路简化后的原理如下图2中所示。一个数字量采集电路板中有24路采集通道。每路通道将采样结果送至板内CPU。另外，每个采集通道负端与110V电源负极之间，使用了一个NMOS管作为电子开关，用于控制24路采集通道的分时导通，以此来降低板卡的平均功耗。分时采集控制电路中，使用了光耦合器来控制NMOS管的通断。
图2
3. 测试分析
针对故障问题，使用示波器测量分时采集电路中的两个电压信号。示波器探头架设位置如图3中所示。
图3
示波器测得波形如下图4中所示。可见NMOS1的栅极控制电压下降沿过缓，这导致NMOS1一直导通。
而由于NPSA电路一直导通，数字量采集通道未实现分时采集的功能。这导致数字量采集通道的平均功率过大，从而导致发热严重。
图4
通过分析电路原理，推测有两个因素可能会导致NMOS栅极电压下降沿过缓：
① R22阻值过大；
②NMOS栅极电容值过大。
下图5为光耦G1的技术手册中对于光耦输出端导通关断时间的描述，可见光耦输出端的限流电阻阻值越大，输出端的关断时间ts，tf越长。
图5
针对光耦芯片这一特性，在实验室中测试了R22的阻值与光耦输出端波形变化之间的关系。测试结果如下图6中所示
图6
由上图可见，R22的阻值对光耦G1输出端的关断时间影响明显。
而在保持R22阻值为1K的情况下，测量了去掉NMOS栅极滤波电容C23前后，NMOS栅极电压的变化情况，波形如下图7中所示。
图7
由上图可见，C23的容值对NMOS栅极电压的变化情况由一定影响，但不起决定作用。
综上所述，导致该数字量采集电路板工作过程中发热严重的原因是R22阻值过大。
4. 解决措施
根据第三节中的分析结果可知，为降低数字量采集通道采集时的平均功率，需尽量减小R22的阻值。由于电路板中R22使用了0805封装，器件额定功率为0.125W。在光耦G1一直导通的情况下，R22阻值大于2KΩ才能将功耗保持在额定功率以内。故考虑将R22阻值改为2KΩ。
将电路板R22阻值变为2KΩ，同时修改程序，使G1输出端一直导通；室温下工作1.5小时的温升情况如下图8中所示。
图8
图9
图10
5. 结束语
经过优化，新型数字量采集板卡的功耗性能已达到预期要求，现已顺利通过功能验证、型式试验和装车验证。本文中的研究过程总结了光耦合器作为MOSFET驱动电路重要器件时外围电阻的选型经验。
参考文献：
[1]许天骄,吴胜华,张楠桢等.提高数字量输入信号采集回路安全性的方法分析[J].仪器仪表用户,2021,28(08):26-28.
[2]马骏,苏冬云.温度数据采集测试系统设计[J].机电工程技术,2005(10):24-27+104.
