工業(yè)控制與網(wǎng)絡應用主要依賴4mA-20mA和現(xiàn)場總線連接技術，并采用專有技術來滿足更高速或更專業(yè)的性能應用場景。該方案曾長期為許多工業(yè)應用提供著良好的服務，直至近年工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）與數(shù)據(jù)驅動型應用的興起，將傳感器、執(zhí)行器及控制器的設備密度與性能標準推向歷史新高。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的新功能與應用場景，很大程度上受限于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡10Mbps的速率上限，日益增長的需求促使人們采用其他工業(yè)網(wǎng)絡技術來填補這一空白。采用單對以太網(wǎng)（SPE）的10Base-T1L技術，有望成為眾多需要更高數(shù)據(jù)速率的4mA-20mA及現(xiàn)場總線系統(tǒng)的替代方案。它還具備供電功能及一系列其他優(yōu)勢特性。當然，新技術也意味著對共模扼流圈 (CMC)、隔離電感器和差模電感器（DMI）有不同的組件要求。

本文探討了10Base-T1L與SPE在工業(yè)領域的應用，以及這種組合如何顯著提升工業(yè)網(wǎng)絡性能，并釋放IIoT技術的潛力。此外，我們還將分析10Base-T1L和SPE實現(xiàn)方案的參考設計及組件要求。

以太網(wǎng)和10Base-T1L

表1：10Base-T1L和SPoE的IEEE 802.3 cg功率等級（圖源：EPCOS / TDK）

SPE是IEEE 802.3定義的有線通信標準，可將基礎以太網(wǎng)標準有效轉換為單對雙絞線傳輸。數(shù)據(jù)線供電（PoDL）標準通過在通信線路上同時傳輸電力，極大限度減少供電與通信所需的布線數(shù)量。10Base-T1L在工業(yè)應用中可實現(xiàn)1000米內(nèi)10Mbps傳輸速率，在汽車或航空應用中則支持15米傳輸距離。該標準由IEEE 802.3cg定義，具備0.1至20MHz的帶寬能力。

PoDL初時針對汽車及類似應用場景進行優(yōu)化，而以太網(wǎng)供電（PoE）則被用于普通以太網(wǎng)應用。根據(jù)IEEE 802.3標準第104條規(guī)定，PoDL擴展至支持10Base-T1S/T1L標準，并涵蓋SPoE 10至15級供電功率等級，主要應用于樓宇自動化及工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)。SPoE功率等級專為運營技術（OT）網(wǎng)絡（如IIoT網(wǎng)絡）設計。其定義了10、11、12三類功率等級，分別適用于采用20、24或30VDC的長、中、短距離電纜。此外還定義了13、14、15類，分別適用于采用50、55、58VDC的遠、中、短距離電纜。SPoE沒有像PoDL那樣的穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓功率等級，因此可以提供1.23W至52W的功率（見表1）。

從本質(zhì)上講，工業(yè)以太網(wǎng)和商業(yè)以太網(wǎng)采用的是相同的協(xié)議。然而，它們所采用的通信硬件卻完全不同，工業(yè)以太網(wǎng)更傾向于使用更堅固耐用的硬件，這些硬件針對極端環(huán)境進行了更好的優(yōu)化，并考慮到了可靠性、耐化學性、耐火性、高/低工作溫度范圍以及其他因素。在許多情況下，商用以太網(wǎng)硬件的使用壽命有限，而且由于工業(yè)環(huán)境的特性，可能會出現(xiàn)早期故障，因此不適合工業(yè)以太網(wǎng)應用。

此外，諸如10Base-T1L等技術專為汽車、工業(yè)及樓宇自動化應用設計，與商用以太網(wǎng)相比，支持的一組硬件選項更適合這些環(huán)境用例。商業(yè)以太網(wǎng)安裝傾向于在整個設施的IT網(wǎng)絡硬件中運行高速以太網(wǎng)電纜，而工業(yè)應用則更傾向于使用PoDL/SPoE運行緊湊型SPE，以極大限度地減少電纜體積，并在不增加過多、不必要布線的情況下提升與傳統(tǒng)布線基礎設施的兼容性。幸運的是，10Base-T1L SPoE系統(tǒng)可為傳感器、執(zhí)行器或控制硬件提供從設備到云端的IT/OT連接和電源。

實施情況

要實現(xiàn)10Base-T1L SPoE，至少需要使用共模扼流圈（CMC），但根據(jù)具體應用需求，可能還需要差模電感器（DMI）和電隔離變壓器。若應用僅需在控制收發(fā)器與終端設備間傳輸數(shù)據(jù)，則需在雙絞線與PHY/LPF控制器之間配置CMC。若需在同一雙絞線上傳輸電源與數(shù)據(jù)，則還需添加差模電感器（DMI）將供電設備（PSE）的VCC與GND單端線路橋接到雙絞線上，并在CMC之前。在可能存在重大安全隱患的情況下，通常需要進行電隔離。為此，需要在PHY/LPF與控制和終端設備硬件的下游電路之間增加一個隔離變壓器。

圖1顯示了在符合802.3cg標準的電路中，針對10-14類應用場景，DMI和CMC組件的極佳放置位置。該參考方案的電源與數(shù)據(jù)通過電源耦合網(wǎng)絡（PCN）在介質(zhì)相關接口（MDI）處耦合。直流電源通過DMI耦合至SPoE線路，如圖2中的L1位置所示。圖2中L2位置的CMC在MDI端提供共模阻斷功能。DMI（L1）和CMC（L2）值的選擇對于滿足IEEE 802.3cg中列出的功率等級的回波損耗、模式轉換和衰減要求非常重要。

圖1：10Base-T1L SPoE框圖，展示了差模電感器（DMI）、共模扼流圈（CMC）及電隔離變壓器（如需）在工業(yè)SPE應用中的布局位置（圖源：EPCOS / TDK）

圖2：LTC4296-1 802.3cg 10類至14類參考設計，以及針對各種功率等級推薦的SPoE電感器和電源+數(shù)據(jù)共模扼流圈（圖源：Analog Devices）

據(jù)制造商稱，對于10Base-T1L SPoE的10至14類應用，推薦采用圖2所示方案：使用PHY端PCN拓撲結構，通過CMC (L2) PHY端的DMI（L1）注入電源。此方案可實現(xiàn)電源與數(shù)據(jù)同時通過CMC傳輸。

對于15類應用，建議通過DMI在線路側注入電源，并為電源和數(shù)據(jù)路徑提供單獨的CMC。EPCOS/TDK工業(yè)級單電源以太網(wǎng)（SPE）電感器完美契合此類應用需求，推薦用于SPoE PSE控制器應用。

這些工業(yè)級SPE電感器專為工業(yè)SPE應用設計，具備符合規(guī)范的電流、電壓及電感參數(shù)，同時符合ROHS標準，工作溫度范圍為-40°C至+125°C。EPCOS/TDK提供專為工業(yè)SPE/SPOE應用制造的RCM70CGI-471 CMC、ICI70CGI隔離電感器和PID SMD功率電感器。

結語

隨著工業(yè)自動化向需要更高功率并兼容局域網(wǎng)和云端的高數(shù)據(jù)速率設備擴展，對工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的需求愈發(fā)迫切，以便為眾多新興的IIoT設備提供數(shù)據(jù)傳輸和供電。10Base-T1L不僅支持更高數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)線供電功能，更具備超越傳統(tǒng)及商用以太網(wǎng)解決方案的附加特性，成為了替代傳統(tǒng)4mA-20mA及現(xiàn)場總線連接的首選方案。