單對以太網（SPE）是一種新興的以太網通信標準，與通常使用四對線的傳統以太網不同，它只使用一對線進行數據傳輸。對于那些空間和重量受限的應用，例如汽車、工業和物聯網（IoT）設備，這是一項非常實用的技術。如果通過此方式還能實現遠端設備的供電，那這個技術簡直就是產業的福音。

數據線供電（PoDL）技術通過在SPE系統中數據傳輸所用的單對雙絞線上實現了電力傳輸，能以12V、24V或48V直流電源等級提供0.5W至50W的電力。該技術誕生之初，是為汽車市場中最常用的傳感器、攝像頭等設備提供電源，由于能夠在單根電纜上提供電力和數據傳輸功能，可大大簡化網絡部署，從而降低成本。

另一種名為SPoE的以太網供電技術也適用于單對雙絞線電纜，它為大量的工業應用提供了一種新選擇。利用SPoE，通過一根絞線就能傳輸高達52W的功率，傳輸距離可長達1000米。

單對以太網供電技術的演進

IEEE在2009年發布了標準802.3af，稱為以太網供電（PoE）。PoE是一種允許通過以太網電纜將電力與數據一起傳輸的技術。它消除了對單獨電源線的需要，簡化了設備安裝并降低了成本，主要應用于IP攝像頭、VoIP電話和無線接入點等。最初，PoE是專為使用CAT5或CAT6以太網電纜的以太網系統開發的，為此至少需要兩對線。也就是說，舊的PoE標準不是為單對線設計的。

因此，IEEE于2016年發布IEEE 802.3bu標準，提出了一種名為“數據線供電（PoDL）”的新PoE解決方案。這一新標準旨在改進剛剛推出的另一個以太網標準1000BASE-T1，該標準通過單根銅雙絞線提供千兆速度，而不是以前以太網標準中使用的典型四類線。

與之前針對四類線的802.3 PoE標準不同，PoDL的設計不是為了在所有可能定義的電源類別之間實現互操作性，它只是為了滿足汽車市場的需求而構建的。眾所周知，汽車行業對重量和電源效率十分敏感，在簡化和減輕布線線束重量等方面，PoDL提供了一種非常有效的方法，它能在長達15米的相同數據布線上同時為單對以太網終端設備供電，從而節省額外的成本并提高效率。因此，在汽車中若要借助單雙絞線電纜實現數據和電力的傳輸，數據線供電（PoDL）無疑將是一個合適的解決方案。

SPoE則將其功能擴展到更長距離的應用，有可能跨越長達1000米的電纜長度，因此為眾多應用打開了希望之門，特別是那些在傳統電力輸送方法很難到達或效率十分低下的工業應用。

現在，SPoE可以集成到具有常見工業以太網協議（如以太網/IP、Profinet和EtherCAT）的混合系統中，并同時為終端設備供電。許多工廠已將該技術用于4 mA至20mA供電需求等應用，即使沒有現成的布線，在沒有電工的幫助下，操作過程也比較簡單。

PoDL和SPoE這兩種技術非常相似，不過在性能和應用上又各有側重。SPoE的工作電壓為24V或55V，橋接距離可達1000米，而PoDL適用于短距離（15米或40米）系統，工作電壓為12V、24V或48V。PoDL主要用于汽車領域和類似應用（如智能建筑），SPoE則主要針對工業環境中的應用（如SPoE攝像頭）。

PoDL對汽車行業意味著什么？

對于下一代汽車電子電氣架構而言，通信網絡正在向全車互聯方向發展，其主要特征是從分布式控制向中央集中式控制的轉變，整車架構將由中央計算平臺、區域控制器以及傳感器和執行器等傳感器件組成，車內網絡將由實時以太網、末端以太網、CAN to ETH和CAN to I/O等實現。毫無疑問，主干網必將使用具備TSN能力的車載以太網。

隨著現代車輛配備的傳感器數量和種類不斷增多，這些廣泛分布在車內的傳感器中的每一個都需要與其控制單元實現數據連接，因此需要大量的電源供電設備和電纜。在重量上，線束是汽車中僅次于底盤和發動機的第三重的部件，因此，任何減輕其重量、尺寸和成本的嘗試都是值得的。使用單對雙絞線、既能傳輸數據又能提供電力的PoDL，為下一代汽車電子電氣架構的實現提供了技術保障。

具有數據線供電的單對以太網（SPE）傳輸標準看起來非常簡單，但實現起來并不容易。Texas Instrument公司的TIDA-010262參考設計展示了一個以太網網關的實施方案，該網關充當四個具有數據線供電（PoDL）功能的10BASE-T1L單對以太網（SPE）端口和一個1000BASE-T以太網端口之間的橋梁。四個SPE端口充當電源設備（PSE），為現場器件提供24V電壓。該網關由AM6442微處理器控制并采用Linux操作系統，支持靈活且可擴展的開源軟件。

圖：TIDA-010262（左）和TIDA-010261（右）（圖源：Texas Instrument）

TIDA-010262參考設計根據IEEE802.3cg實現了四個10BASE-T1L端口，支持PoDL，包括用于分類的SCCP，支持所有24V電源等級10-12，最高可達12W，電流限制可調。方案中的MSPM0G1107 MCU用于實現四個端口的數字部分，包括狀態機處理和SCCP通信。每個端口都包含PSE的模擬部分、以太網PHY和結合電源和數據的耦合網絡（CDN）。

圖3中右側的受電設備（PD）TIDA-010261，實現了支持電源等級12的相應PD，SCCP通信由MSP430FR2476處理。與PSE側類似，CDN用于分離電源和數據，并將其相應地饋送到PD電路和以太網PHY。

SPoE對工業應用意味著什么？

以太網供電（PoE）一直都是獨立電網供電的替代方案。借助PoE，當傳輸距離為100米時，可以向設備提供高達71W的功率。PoE使用Cat 5和更高規格的雙絞線電纜，支持許多已布設以太網電纜的應用。

SPoE類似于PoE或PoDL，但針對的是工業市場，通過單對電纜同時傳輸電力和數據，并以30V或50V直流電源等級提供1.23W至52W的電力。符合SPoE標準的交換機和端點允許遠程網絡簡單快速地添加和升級，無需本地擁有電源設備。

SPoE解決方案同樣需要一個供電設備（PSE）控制器和一個受電設備（PD）控制器，前者是一種通過雙線電纜傳輸電能的電路，后者從雙線電纜接收能量。圖5中左側是帶有PHY的供電設備（PSE），右側是受電設備（PD）和另一個PHY。PHY提供數據鏈路，PSE為PD提供電源。數據鏈路為電容性解耦（C1–C4），電源為電感性解耦（L1–L4）。

圖：SPoE系統的原理圖（圖源：Würth Elektronik)

PSE控制器通常是為多個通道（電纜）設計的，既可以為點對點連接，也可以進行星形和菊花鏈連接，這一點對于需要為多個遠程器件（即傳感器）供電的系統至關重要。Analog Devices公司的SPoE方案，其傳輸功率高達52W，距離長達1,000米。方案中的LTC4296-1是一款符合IEEE 802.3cg標準的五端口、單對以太網供電（SPoE）供電設備（PSE），專為與24V或54V系統中的802.3cg受電設備 (PD) 的互操作性而設計，可以為五個負載供電，每條供電線可達1,000米。

圖：LTC4296-1 SPoE PSE控制器可驅動多達五個通道（圖源：Analog Devices）

作為PD控制器的LTC9111，2.3V至60V的寬工作范圍與極性校正相結合，使其特別適合樓宇及工廠自動化應用中分布式系統的供電。此外，LTC9111還支持串行通信分類協議（SCCP），通過分類確定電能傳輸的功率等級。如果運行的電氣設備需要24V或55V以外的電壓，則需要使用額外的DC-DC轉換器。

本文小結

無論終端市場如何，降低組件和組裝成本是大多數硬件設計的關鍵目標。通過數據線傳輸電力有助于減輕線束的重量和復雜性。這項技術對汽車行業來說并不新鮮，此前同軸電纜已經支持這一技術。有了PoDL，這項技術可以擴展到使用以太網作為物理層的應用。

單對以太網（SPE）技術最初是為汽車應用而開發的，但在工業領域同樣重要并獲得了廣泛應用。SPoE代表著一種簡化的以太網供電方式，采用這種解決方案的工業系統更容易安裝，價格也更實惠。

到目前為止，市場上PoDL的實施進展相對緩慢，這一結果也容易理解，因為汽車行業通常需要很長的開發周期，以此來確保新車的安全。相比之下，工業市場使用SPoE技術的步伐更快。隨著物聯網的大規模應用，無電源的終端和應用場景越來越多，SPoE更是一種首選解決方案，同時也為工業以太網應用開辟全新的可能性。