單對(duì)以太網(wǎng)要如何實(shí)現(xiàn)10Base-T1L？

邊緣對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的需求日益高漲。隨著攝像機(jī)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(duì)及時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸提出了要求。

隨著網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)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(jiān)定。以太網(wǎng)協(xié)議和安全層，以及眾所周知的安裝、維護(hù)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(bào)率(ROI)。

工業(yè)應(yīng)用重點(diǎn)關(guān)注10Mbps的網(wǎng)速，因?yàn)檫@足以解決當(dāng)前大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用中的數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍問題。本期推文為您介紹針對(duì)10Base-T1L應(yīng)用，TDK可提供的廣泛電感器系列產(chǎn)品，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(shí)也將工業(yè)以太網(wǎng)稱為單對(duì)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(duì)或四對(duì)雙絞線分別以100Mbps(兆比特每秒)或1000Mbps(兆比特每秒)的速度傳輸數(shù)據(jù)。SPE僅使用一對(duì)雙絞線，通信速度介于10Mbps至10Gbps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IEEE802.3bu標(biāo)準(zhǔn)中“表104-1a”規(guī)定的不同功率等級(jí)。前者規(guī)定的最小的功率等級(jí)為10級(jí)，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(jí)為15級(jí)，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：IEEE802.3cg標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功率等級(jí)

各定義

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

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(dòng)作元件之間的數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)只需一個(gè)共模扼流圈(CMC)(如下圖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)碾娏鬟M(jìn)行選擇，因此不同的應(yīng)用會(huì)用到不同的型號(hào)。對(duì)于大電流應(yīng)用，需使用更大的電感器；而對(duì)于小電流的檢測(cè)或動(dòng)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(duì)安全至關(guān)重要且需要電流隔離的區(qū)域。對(duì)于這類工況，除了共模扼流圈(CMC)和差模電感器(DMI)，還會(huì)用到隔離變壓器或耦合電感器來防止兩個(gè)元件之間不必要的電流流動(dòng)(如圖3)。

圖3

在實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)用到上述所有選擇。而圖4顯示的實(shí)施案例中，則是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(jí)別(最高達(dá)1Gbps)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(chǎng)開關(guān)的近場(chǎng)通信。此應(yīng)用中會(huì)用到數(shù)百米至1000米長(zhǎng)的電纜，需強(qiáng)制實(shí)施電隔離，還需對(duì)大功率電源實(shí)施共模濾波器和差模電感器。

最后一部分是現(xiàn)場(chǎng)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?yàn)槊總€(gè)設(shè)備的消耗電流通常不超過300mA。

圖4

為減少不必要的ESD脈沖影響，可能還會(huì)用到其他元件，比如雙向TVS二極管具有容量低的優(yōu)點(diǎn)，適合高速應(yīng)用。此外，由于它們具有響應(yīng)快的特點(diǎn)，能極大地縮短高壓事件響應(yīng)時(shí)間。而電容器可防止電流流過隔離耦合電感的一個(gè)線圈，減少不必要的功率損耗。此外，針對(duì)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(jí)10至14定義的電流高達(dá)600mA。在這些場(chǎng)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(jí)10-14的電路設(shè)置

物料清單

產(chǎn)品圖

功率等級(jí)15定義的電流遠(yuǎn)高于其他等級(jí)，高達(dá)1500mA。在這些場(chǎng)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(shí)可選用尺寸更小的共模扼流圈，因?yàn)樗恍鑲鬏斝盘?hào)無需傳輸電力。

 圖 6：功率等級(jí)15的電路設(shè)置

物料清單

產(chǎn)品圖

以下是TDK可提供的產(chǎn)品陣容。如圖3中的電路圖所示，它由一個(gè)隔離耦合電感器、一個(gè)共模扼流圈和一個(gè)功率電感器組成，其中每個(gè)功率電感器均為表2中指定的功率等級(jí)。此外，下表也列出了APL的功率等級(jí)。

以上就是單對(duì)以太網(wǎng)相關(guān)的知識(shí)和TDK的產(chǎn)品介紹，如果您想了解更多，點(diǎn)擊“閱讀原文”即可查看。若您對(duì)我們的產(chǎn)品有任何疑問，請(qǐng)點(diǎn)擊菜單欄的“聯(lián)系我們”進(jìn)行咨詢或者發(fā)送您的疑問至product@tdkchina.com，謝謝！