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

工業物聯網應用的新功能與應用場景，很大程度上受限于現場總線網絡10Mbps的速率上限，日益增長的需求促使人們采用其他工業網絡技術來填補這一空白。采用單對以太網（SPE）的10Base-T1L技術，有望成為眾多需要更高數據速率的4mA-20mA及現場總線系統的替代方案。它還具備供電功能及一系列其他優勢特性。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在工業領域的應用，以及這種組合如何顯著提升工業網絡性能，并釋放IIoT技術的潛力。此外，我們還將分析10Base-T1L和SPE實現方案的參考設計及組件要求。

以太網和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，可將基礎以太網標準有效轉換為單對雙絞線傳輸。數據線供電（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量。10Base-T1L在工業應用中可實現1000米內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化，而以太網供電（PoE）則被用于普通以太網應用。根據IEEE 802.3標準第104條規定，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網絡系統。SPoE功率等級專為運營技術（OT）網絡（如IIoT網絡）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那樣的穩壓或非穩壓功率等級，因此可以提供1.23W至52W的功率（見表1）。

從本質上講，工業以太網和商業以太網采用的是相同的協議。然而，它們所采用的通信硬件卻完全不同，工業以太網更傾向于使用更堅固耐用的硬件，這些硬件針對極端環境進行了更好的優化，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，商用以太網硬件的使用壽命有限，而且由于工業環境的特性，可能會出現早期故障，因此不適合工業以太網應用。

此外，諸如10Base-T1L等技術專為汽車、工業及樓宇自動化應用設計，與商用以太網相比，支持的一組硬件選項更適合這些環境用例。商業以太網安裝傾向于在整個設施的IT網絡硬件中運行高速以太網電纜，而工業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布線基礎設施的兼容性。幸運的是，10Base-T1L SPoE系統可為傳感器、執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10Base-T1L SPoE，至少需要使用共模扼流圈（CMC），但根據具體應用需求，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器與終端設備間傳輸數據，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據，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據通過電源耦合網絡（PCN）在介質相關接口（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+數據共模扼流圈（圖源：Analog Devices）

據制造商稱，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。此方案可實現電源與數據同時通過CMC傳輸。

對于15類應用，建議通過DMI在線路側注入電源，并為電源和數據路徑提供單獨的CMC。EPCOS/TDK工業級單電源以太網（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。

這些工業級SPE電感器專為工業SPE應用設計，具備符合規范的電流、電壓及電感參數，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

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