单对以太网实现10Base-T1L技术分析

边缘对更高数据速率的需求日益高涨。随着摄像机和视频系统的占用空间不断减小，及其在安全、安防和质量应用中的普及，它们的采用量大幅增加，从而推高了数据速率的需求。另外，高速数据记录设备、嵌入式Web服务器和监控系统等其它系统也对及时的数据传输提出了要求。

随着网络中的节点数量不断增加，用户保留现有生态系统的意愿就更加坚定。以太网协议和安全层，以及众所周知的安装、维护和管理流程可有效降低网络的总拥有成本(TCO)，优化投资回报率(ROI)。

工业应用重点关注10Mbps的网速，因为这足以解决当前大多数现场总线应用中的数据速率和覆盖范围问题。本期推文为您介绍针对10Base-T1L应用，TDK可提供的广泛电感器系列产品，包括共模扼流圈(CMC)、隔离电感器(隔离耦合电感器)和差模电感器(DMI)。

在工业应用中，有时也将工业以太网称为单对以太网(SPE)，往往容易和常规以太网混淆。这种架构源于传统局域网(LAN) 应用中的标准，其中使用两对或四对双绞线分别以100Mbps(兆比特每秒)或1000Mbps(兆比特每秒)的速度传输数据。SPE仅使用一对双绞线，通信速度介于10Mbps至10Gbps之间，并且每根电缆都遵循专用标准(表1)。

表1：IEEE-802.3规定的物理层标准

表2列出了IEEE802.3cg标准中“表104-1”和IEEE802.3bu标准中“表104-1a”规定的不同功率等级。前者规定的最小的功率等级为10级，电源接口处的最大电流为92mA，因此受电设备的最大平均功率为1.23W；后者规定的最大功率等级为15级，相应电流为1579mA，受电设备的最大平均可用功率为52W。

 

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表2：IEEE802.3cg标准规定的功率等级

各定义

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

根据应用的功率需求和安全要求，可能需要不同的架构。第一种选择是仅将10Base-T1L用于控制和传感或动作元件之间的数据传输，此时只需一个共模扼流圈(CMC)(如下图1)。

图1

第二种选择电力传输，包括共模扼流圈(CMC)和差模电感器(DMI)。其中差模电感器可根据所需的电力水平和传输的电流进行选择，因此不同的应用会用到不同的型号。对于大电流应用，需使用更大的电感器；而对于小电流的检测或动作设备，应首选高度更低和占用空间更小的电感器(如图2)。

图2

第三种选择针对安全至关重要且需要电流隔离的区域。对于这类工况，除了共模扼流圈(CMC)和差模电感器(DMI)，还会用到隔离变压器或耦合电感器来防止两个元件之间不必要的电流流动(如图3)。

图3

在实际应用中，可能会用到上述所有选择。而图4显示的实施案例中，则是从顶层安装在控制室的系统开始。这里通常无需隔离，但使用了共模扼流圈和潜在的差模电感器。由于存在骨干网服务连接，以及偶尔的云端连接，因此需用到多种速度级别(最高达1Gbps)和技术(如10Base-T1S、100Base-T1、100Base-TX和1000Base-T)。

下一层是连接不同现场开关的近场通信。此应用中会用到数百米至1000米长的电缆，需强制实施电隔离，还需对大功率电源实施共模滤波器和差模电感器。

最后一部分是现场开关到传感器和执行器的连接。要求与上一层相似，但负载中使用的差模电感器的尺寸可能更小，因为每个设备的消耗电流通常不超过300mA。

图4

 

为减少不必要的ESD脉冲影响，可能还会用到其他元件，比如双向TVS二极管具有容量低的优点，适合高速应用。此外，由于它们具有响应快的特点，能极大地缩短高压事件响应时间。而电容器可防止电流流过隔离耦合电感的一个线圈，减少不必要的功率损耗。此外，针对安全至关重要的环境应用，还可增加额外的隔离。

功率等级10至14定义的电流高达600mA。在这些场景中，需用到所谓的PHY侧注入，即意味着要注入电流，因此应在PHY和共模扼流圈之间放置差模电感器，以确保共模扼流圈能耐受相应的电流。

图 5：功率等级10-14的电路设置

物料清单

产品图

功率等级15定义的电流远高于其他等级，高达1500mA。在这些场景中，若使用线路侧注入(即电源注入)，则应在共模扼流圈和连接器之间放置差模电感器。此时可选用尺寸更小的共模扼流圈，因为它只需传输信号无需传输电力。

图 6：功率等级15的电路设置

物料清单

产品图

以下是TDK可提供的产品阵容。如图3中的电路图所示，它由一个隔离耦合电感器、一个共模扼流圈和一个功率电感器组成，其中每个功率电感器均为表2中指定的功率等级。此外，下表也列出了APL的功率等级。

编辑：黄飞