單對以太網(wǎng)：如何實現(xiàn) 10Base-T1L

邊緣對更高數(shù)據(jù)速率的需求日益高漲。隨著攝像機和視頻系統(tǒng)的占用空間不斷減小，及其在安全、安防和質(zhì)量應(yīng)用中的普及，它們的采用量大幅增加，從而推高了數(shù)據(jù)速率的需求。另外，高速數(shù)據(jù)記錄設(shè)備、嵌入式Web服務(wù)器和監(jiān)控系統(tǒng)等其它系統(tǒng)也對及時的數(shù)據(jù)傳輸提出了要求。
隨著網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量不斷增加，用戶保留現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)的意愿就更加堅定。以太網(wǎng)協(xié)議和安全層，以及眾所周知的安裝、維護和管理流程可有效降低網(wǎng)絡(luò)的總擁有成本 (TCO)，優(yōu)化投資回報率 (ROI)。
工業(yè)應(yīng)用重點關(guān)注 10 Mbps 的網(wǎng)速，因為這足以解決當(dāng)前大多數(shù)現(xiàn)場總線應(yīng)用中的數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍問題。針對10Base-T1L應(yīng)用，TDK 可提供廣泛的電感器系列，包括共模扼流圈 (CMC)、隔離電感器（隔離耦合電感器）和差模電感器 (DMI)。

在工業(yè)應(yīng)用中，有時也將工業(yè)以太網(wǎng)稱為單對以太網(wǎng) (SPE)，往往容易和常規(guī)以太網(wǎng)混淆。這種架構(gòu)源于傳統(tǒng)局域網(wǎng) (LAN) 應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)，其中使用兩對或四對雙絞線分別以100Mbps（兆比特每秒）或1000 Mbps（兆比特每秒）的速度傳輸數(shù)據(jù)。SPE僅使用一對雙絞線，通信速度介于10 Mbps至10 Gbps之間，并且每根電纜都遵循專用標(biāo)準(zhǔn)（表 1）。

表1：IEEE-802.3 規(guī)定的物理層標(biāo)準(zhǔn)

表2列出了IEEE802.3cg標(biāo)準(zhǔn)中“表104-1”和IEEE 802.3bu標(biāo)準(zhǔn)中“表104-1a”規(guī)定的不同功率等級。前者規(guī)定的最小的功率等級為10級，電源接口處的最大電流為92mA，因此受電設(shè)備的最大平均功率為1.23W；后者規(guī)定的最大功率等級為15級，相應(yīng)電流為1579mA，受電設(shè)備的最大平均可用功率為52W。

表2：IEEE802.3 cg標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功率等級

PI = Power Interface
PD = Powered Device
PSE = Power Sourcing Equipment
VPSE = Voltage at the PSE PI
VPSE OC = Open circuit voltage at the PSE PI
IPI max. = Maximum current flowing at the PSE and PD PI
Pclass min. = Minimum average available output power at the PSE PI
PPD max. = Maximum average available power at the PD PI

系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用的功率需求和安全要求，可能需要不同的架構(gòu)。
第一種選擇是僅將10Base-T1L用于控制和傳感或動作元件之間的數(shù)據(jù)傳輸，此時只需一個共模扼流圈 (CMC)（如圖1）。

圖1：

第二種選擇電力傳輸，包括共模扼流圈 (CMC) 和差模電感器 (DMI) 。其中差模電感器可根據(jù)所需的電力水平和傳輸?shù)?a href="http://m.1cnz.cn/tags/電流/" target="_blank">電流進行選擇，因此不同的應(yīng)用會用到不同的型號。對于大電流應(yīng)用，需使用更大的電感器；而對于小電流的檢測或動作設(shè)備，應(yīng)首選高度更低和占用空間更小的電感器（如圖2）。

圖2：

第三種選擇針對安全至關(guān)重要且需要電流隔離的區(qū)域。對于這類工況，除了共模扼流圈 (CMC) 和差模電感器 (DMI) ，還會用到隔離變壓器或耦合電感器來防止兩個元件之間不必要的電流流動（如圖3）。

圖3：

在實際應(yīng)用中，可能會用到上述所有選擇。圖4顯示的實施案例中，從頂層安裝在控制室的系統(tǒng)開始。這里通常無需隔離，但使用了共模扼流圈和潛在的差模電感器。由于存在骨干網(wǎng)服務(wù)連接，以及偶爾的云端連接，因此需用到多種速度級別（最高達1 Gbps）和技術(shù)（如10Base-T1S、100Base-T1、100Base-TX和1000Base-T）。
下一層是連接不同現(xiàn)場開關(guān)的近場通信。此應(yīng)用中會用到數(shù)百米至1000米長的電纜，需強制實施電隔離，還需對大功率電源實施共模濾波器和差模電感器。
最后一部分是現(xiàn)場開關(guān)到傳感器和執(zhí)行器的連接。要求與上一層相似，但負(fù)載中使用的差模電感器的尺寸可能更小，因為每個設(shè)備的消耗電流通常不超過300 mA。

圖4：

電路

· 其他元件

為減少不必要的ESD脈沖影響，可能還會用到其他元件，比如雙向TVS二極管具有容量低的優(yōu)點，適合高速應(yīng)用。此外，由于它們具有響應(yīng)快的特點，能極大地縮短高壓事件響應(yīng)時間。
電容器可防止電流流過隔離耦合電感的一個線圈，減少不必要的功率損耗。此外，針對安全至關(guān)重要的環(huán)境應(yīng)用，還可增加額外的隔離。

· 功率等級10-14的設(shè)置

功率等級10至14定義的電流高達600 mA。在這些場景中，需用到所謂的PHY側(cè)注入，即意味著要注入電流，因此應(yīng)在PHY和共模扼流圈之間放置差模電感器，以確保共模扼流圈能耐受相應(yīng)的電流。

圖 5：功率等級10-14的設(shè)置

電路

物料清單

· 功率等級15的設(shè)置

功率等級15定義的電流遠(yuǎn)高于其他等級，高達1500 mA。在這些場景中，若使用線路側(cè)注入（即電源注入），則應(yīng)在共模扼流圈和連接器之間放置差模電感器。此時可選用尺寸更小的共模扼流圈，因為它只需傳輸信號無需傳輸電力。

圖6：功率等級15的設(shè)置

電路

物料清單

產(chǎn)品陣容

表3羅列了TDK的產(chǎn)品陣容。如圖3中的電路圖所示，它由一個隔離耦合電感器、一個共模扼流圈和一個功率電感器組成。其中每個功率電感器均為表2中指定的功率等級。此外，APL的功率等級如表3所示。

表3：產(chǎn)品陣容

審核編輯：湯梓紅