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应用说明
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应用注释
边缘对更高数据速率的需求显著增加。受这些系统足迹减少,且用于安全、安保和高质量应用中的影响,摄像头和视频系统的采用有所增加。高速数据记录设备、嵌入式 Web 服务器和监控系统等其他系统需要及时的数据传输。
此外,网络中的节点数量不断增加,因此使用现有生态系统的愿望与日俱增。以太网协议和安全层以及众所周知的安装、维护和管理流程降低了网络的总体拥有成本 (TCO),提高了投资回报率 (ROI)。
工业应用重点关注 10 Mbps 网速,因为这个速度应该足以达到大多数现有现场总线应用的数据速率和覆盖范围。TDK 提供多种电感器系列,广泛用于 10Base-T1L 应用,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)。

定义和标准

在工业应用中工业以太网很容易与普通以太网混淆,有时被称为单对以太网 (SPE)。这种架构源于传统局域网应用中的标准,其中使用两对或四对双绞线以 100 Mbps(兆位/秒)或 1000 Mbps(兆位/秒)的速度传输数据。SPE 仅使用一对双绞线,用于 10 Mbps 至 10 Gbps 的通信速度,每根电缆都遵循专用标准(表 1)。

表 1:IEEE-802.3 的物理层标准
10Base-T1L 和 T1S 802.3cg:10 Mbps,工业应用距离可达 1000 米,汽车应用距离可达 15 米
100Base-T1 802.3bw:100 Mbps,汽车应用距离可达 15 米
1000Base-T1 802.3bp:1000 Mbps,汽车应用距离可达 15 或 40 米
多千兆位汽车以太网
(MultiGigBase-T1)
802.3ch:2.5、5 和 10 Gbps,汽车应用距离可达 15 米

表 2 显示了符合 IEEE802.3cg 表 104-1 和 IEEE802.3bu 表 104-1a 的不同功率等级。规定最小功率为 10 级,电源接口处最大电流为 92mA,因此用电设备的最大平均功率为 1.23W。规定最大功率为 15 级,相应的电流为 1579mA,用电设备的最大平均可用功率为 52W。

表 2:符合 IEEE802.3 cg 的功率等级
VPSE 最大值
(VPSE OC 最大值)
30V
(20V)
58V
(50V)
等级 10 级 11 级 12 级 13 级 14 级 15 级
IPI 最大值 92mA 240mA 632mA 231mA 600mA 1579mA
Pclass 最小值
(PPD 最大值)
1.85W
(1.23W)
4.8W
(3.2W)
12.63W
(8.4W)
11.54W
(7.7W)
30W
(20W)
79W
(52W)
VPD 最小值 14V 14V 14V 35V 35V 35V
电缆 AWG / 长度 18/1000m 14/1000m 24/300m 18/1000m 14/1000m 24/300m

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

系统架构

根据应用的功率需求和安全要求,可能有不同的架构。
第一种选项是仅将 10Base-T1L 用于控制与传感或动作元件之间的数据传输,因此只需要一个共模扼流圈 (CMC)(图 1)。

图1:

第二种选项包括需要共模扼流圈 (CMC) 和差模电感器 (DMI) 的功率传输。差模电感器可以根据所需的功率水平或传输的电流进行选择,这将为 DMI 带来多种选择。对于更大的电流,必须使用更大的电感器,在施加更小电流的传感或动作器件中,更低高度和更小尺寸的电感器可能是最佳选择(图 2)。

图2:

第三种选项适用于对安全至关重要且需要电流隔离的区域。对于这些环境,除了 CMC 和 DMI 外,还使用了隔离变压器或耦合电感器,以防止不必要的电流在两个器件之间流动(图 3)。

图3:

实际上,上述所有选项都需要,图 4 显示了一个从顶部开始的实施示例,系统安装在控制室中。通常不需要隔离,但会使用共模扼流圈,也可能会使用差模电感器。由于会连接到主干服务,有时还会连接到云,因此使用了多种速度级别(高达 1 Gbps)和技术(例如 10Base-T1S、100Base-T1、100Base-TX、1000Base-T)。
下一个级别是连接不同场开关的近场。对于这种应用,将使用长度为几百米至 1000 米的电缆,必须进行隔离,需要共模滤波器以及用于大功率电源的 DMI。在最后一段,实现了从场开关到传感器和执行器的连接。要求与上一个级别相似,但负载中使用的 DMI 尺寸可能更小,因为每个器件的功耗通常在 300 mA 范围内。

图4:

电路图

· 附加组件

有几个组件对减少可能的静电放电脉冲的影响非常有用。双向 TVS 二极管具有低容量的优势,因此可以用于高速应用。此外,它们速度很快,增加了对高压事件的响应时间。
电容器用于防止电流流经隔离耦合电感器的一个线圈,从而减少不必要的功率损耗。此外,还增加了额外的隔离,以确保能够用在安全相关的环境中。

· 功率等级 10-14 的设置

为功率等级 10 至 14 定义的电流将高达约 600 mA,对于这些情况,将应用所谓的 PHY 侧注入,这意味着电流注入,因此 DMI 将被置于 PHY 和 CMC 之间,所以 CMC 必须承受电流。

图 5:功率等级 10-14 的设置

电路

BOM

编号 产品类型 TDK 部件编号
C1, C2 电容器 100nF, 100V CGA4J2X7R2A104K125AA
D2, D3 TVS 二极管 5VDC, 15kV. 0.65pF B74121U0033M060
I1 隔离耦合电感器 2.2mH, 500mA, 2kV ICI70CGI-222
L1 共模扼流圈 470μH, 700mA
250μH, 100mA
RCM70CGI-471
ADF45CGI-251
L2 电感器 250μH, 220mA PID75-251M

· 功率等级 15 的设置

为功率等级 15 定义的电流比任何其他等级都高,大约为 1500 mA。对于这种情况,如果使用线路侧注入,这意味着功率注入,DMI 将被置于 CMC 和连接器之间。在这种情况下,CMC 可以设计得小得多,因为它不需要仅通过信号传输的功率即可正常工作。

图 6:功率等级 15 的设置

电路

PoC transfer system

BOM

编号 产品类型 TDK 部件编号
C1, C2 电容器 100nF, 100V CGA4J2X7R2A104K125AA
D2, D3 TVS 二极管 5VDC, 15kV. 0.65pF B74121U0033M060
I1 隔离耦合电感器 2.2mH, 500mA, 2kV ICI70CGI-222
L1 共模扼流圈 470μH, 700mA
250μH, 100mA
RCM70CGI-471
ADF45CGI-251
L2, L3 电感器 470μH, 1800mA PIS150H-471

产品系列

表 3 显示了 TDK 的产品系列。如图 3 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。每个功率电感器参见表 2 中规定的功率等级。此外,APL 功率等级如表 3 所示。

表 3:产品系列
产品类型 TDK 部件编号 LR / LPoDL
/μH
IEEE 功率等级 APL 功率等级 Idc1(典型值)
/mA
DCR (典型值)
/mΩ
额定电流
(典型值)/mA
L x W x H
/mm
隔离耦合电感器 ICI70CGI-102N 1000 140 700 7.1 x 6.0 x 4.8
ICI70CGI-222N 2200 400 500 7.1 x 6.0 x 4.8
共模扼流圈 RCM70CGI-471N 470 170 700 7.1 x 6.0 x 4.8
ADF45CGI-251N 250 3400 140 5.2 x 3.5 x 3.0
差模电感器 PID75-251M 2x250 / 1000 10 A, C 360 2250 320 7.5 x 7.5 x 4.8
PID100-251M 2x250 / 1000 11, 13 645 1130 460 10.4 x 10.4 x 6.3
PID120L-251M 2x250 / 1000 11, 13 910 650 650 12.5 x 12.5 x 8.5
PID120H-251M 2x250 / 1000 13, 14 1160 410 820 12.5 x 12.5 x 10.5
PID150H-251M 2x250 / 1000 12, 14 1200 265 1200 15.5 x 15.5 x 14.5
PIS150H-471 470 / 940
使用时为 2 倍
15 3, 4 2000 245 2000 15.5 x 15.5 x 14.5