單對以太網：如何實現 10Base-T1L

邊緣對更高數據速率的需求日益高漲。隨著攝像機和視頻系統的占用空間不斷減小，及其在安全、安防和質量應用中的普及，它們的采用量大幅增加，從而推高了數據速率的需求。另外，高速數據記錄設備、嵌入式Web服務器和監控系統等其它系統也對及時的數據傳輸提出了要求。
隨著網絡中的節點數量不斷增加，用戶保留現有生態系統的意愿就更加堅定。以太網協議和安全層，以及眾所周知的安裝、維護和管理流程可有效降低網絡的總擁有成本 (TCO)，優化投資回報率 (ROI)。
工業應用重點關注 10 Mbps 的網速，因為這足以解決當前大多數現場總線應用中的數據速率和覆蓋范圍問題。針對10Base-T1L應用，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)。

在工業應用中，有時也將工業以太網稱為單對以太網 (SPE)，往往容易和常規以太網混淆。這種架構源于傳統局域網 (LAN) 應用中的標準，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）的速度傳輸數據。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準（表 1）。

表1：IEEE-802.3 規定的物理層標準

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

表2：IEEE802.3 cg標準規定的功率等級

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

系統架構

根據應用的功率需求和安全要求，可能需要不同的架構。
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據傳輸，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所需的電力水平和傳輸的電流進行選擇，因此不同的應用會用到不同的型號。對于大電流應用，需使用更大的電感器；而對于小電流的檢測或動作設備，應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重要且需要電流隔離的區域。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。由于存在骨干網服務連接，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（如10Base-T1S、100Base-T1、100Base-TX和1000Base-T）。
下一層是連接不同現場開關的近場通信。此應用中會用到數百米至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。
最后一部分是現場開關到傳感器和執行器的連接。要求與上一層相似，但負載中使用的差模電感器的尺寸可能更小，因為每個設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點，適合高速應用。此外，由于它們具有響應快的特點，能極大地縮短高壓事件響應時間。
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，針對安全至關重要的環境應用，還可增加額外的隔離。

· 功率等級10-14的設置

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側注入，即意味著要注入電流，因此應在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的電流。

圖 5：功率等級10-14的設置

電路

物料清單

· 功率等級15的設置

功率等級15定義的電流遠高于其他等級，高達1500 mA。在這些場景中，若使用線路側注入（即電源注入），則應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的設置

電路

物料清單

產品陣容

表3羅列了TDK的產品陣容。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：產品陣容

審核編輯：湯梓紅