单对以太网：如何实现 10Base-T1L

边缘对更高数据速率的需求日益高涨。随着摄像机和视频系统的占用空间不断减小，及其在安全、安防和质量应用中的普及，它们的采用量大幅增加，从而推高了数据速率的需求。另外，高速数据记录设备、嵌入式Web服务器和监控系统等其它系统也对及时的数据传输提出了要求。
随着网络中的节点数量不断增加，用户保留现有生态系统的意愿就更加坚定。以太网协议和安全层，以及众所周知的安装、维护和管理流程可有效降低网络的总拥有成本 (TCO)，优化投资回报率 (ROI)。
工业应用重点关注 10 Mbps 的网速，因为这足以解决当前大多数现场总线应用中的数据速率和覆盖范围问题。针对10Base-T1L应用，TDK 可提供广泛的电感器系列，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，有时也将工业以太网称为单对以太网 (SPE)，往往容易和常规以太网混淆。这种架构源于传统局域网 (LAN) 应用中的标准，其中使用两对或四对双绞线分别以100Mbps（兆比特每秒）或1000 Mbps（兆比特每秒）的速度传输数据。SPE仅使用一对双绞线，通信速度介于10 Mbps至10 Gbps之间，并且每根电缆都遵循专用标准（表 1）。

表1：IEEE-802.3 规定的物理层标准

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，汽车应用距离高达15米

表2列出了IEEE802.3cg标准中“表104-1”和IEEE 802.3bu标准中“表104-1a”规定的不同功率等级。前者规定的最小的功率等级为10级，电源接口处的最大电流为92mA，因此受电设备的最大平均功率为1.23W；后者规定的最大功率等级为15级，相应电流为1579mA，受电设备的最大平均可用功率为52W。

表2：IEEE802.3 cg标准规定的功率等级

最大V_PSE电压（最大V_{PSE OC}电压）	30V (20V)			58V (50V)
等级	10级	11级	12级	13级	14级	15级
最大I_PI	92mA	240mA	632mA	231mA	600mA	1579mA
最小功率等级（最大P_PD）	1.85W (1.23W)	4.8W (3.2W)	12.63W (8.4W)	11.54W (7.7W)	30W (20W)	79W (52W)
最小V_PD	14V	14V	14V	35V	35V	35V
电缆规格(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
V_PSE = Voltage at the PSE PI
V_{PSE OC} = Open circuit voltage at the PSE PI
I_PI max. = Maximum current flowing at the PSE and PD PI
P_class min. = Minimum average available output power at the PSE PI
P_PD 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，可能需要不同的架构。
第一种选择是仅将10Base-T1L用于控制和传感或动作元件之间的数据传输，此时只需一个共模扼流圈 (CMC)（如图1）。

第二种选择电力传输，包括共模扼流圈 (CMC) 和差模电感器 (DMI) 。其中差模电感器可根据所需的电力水平和传输的电流进行选择，因此不同的应用会用到不同的型号。对于大电流应用，需使用更大的电感器；而对于小电流的检测或动作设备，应首选高度更低和占用空间更小的电感器（如图2）。

第三种选择针对安全至关重要且需要电流隔离的区域。对于这类工况，除了共模扼流圈 (CMC) 和差模电感器 (DMI) ，还会用到隔离变压器或耦合电感器来防止两个元件之间不必要的电流流动（如图3）。

在实际应用中，可能会用到上述所有选择。图4显示的实施案例中，从顶层安装在控制室的系统开始。这里通常无需隔离，但使用了共模扼流圈和潜在的差模电感器。由于存在骨干网服务连接，以及偶尔的云端连接，因此需用到多种速度级别（最高达1 Gbps）和技术（如10Base-T1S、100Base-T1、100Base-TX和1000Base-T）。
下一层是连接不同现场开关的近场通信。此应用中会用到数百米至1000米长的电缆，需强制实施电隔离，还需对大功率电源实施共模滤波器和差模电感器。
最后一部分是现场开关到传感器和执行器的连接。要求与上一层相似，但负载中使用的差模电感器的尺寸可能更小，因为每个设备的消耗电流通常不超过300 mA。

电路

· 其他元件

为减少不必要的ESD脉冲影响，可能还会用到其他元件，比如双向TVS二极管具有容量低的优点，适合高速应用。此外，由于它们具有响应快的特点，能极大地缩短高压事件响应时间。
电容器可防止电流流过隔离耦合电感的一个线圈，减少不必要的功率损耗。此外，针对安全至关重要的环境应用，还可增加额外的隔离。

· 功率等级10-14的设置

功率等级10至14定义的电流高达600 mA。在这些场景中，需用到所谓的PHY侧注入，即意味着要注入电流，因此应在PHY和共模扼流圈之间放置差模电感器，以确保共模扼流圈能耐受相应的电流。

序号	产品类型	参数值	TDK零件编号
C1, C2	电容器	100nF, 100V	CGA4J2X7R2A104K125AA
D2, D3	TVS二极管	5VDC, 15kV0.65pF	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

功率等级15定义的电流远高于其他等级，高达1500 mA。在这些场景中，若使用线路侧注入（即电源注入），则应在共模扼流圈和连接器之间放置差模电感器。此时可选用尺寸更小的共模扼流圈，因为它只需传输信号无需传输电力。

序号	产品类型	参数值	TDK零件编号
C1, C2	电容器	100nF, 100V	CGA4J2X7R2A104K125AA
D2, D3	TVS二极管	5VDC, 15kV0.65pF	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

产品阵容

表3罗列了TDK的产品阵容。如图3中的电路图所示，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。其中每个功率电感器均为表2中指定的功率等级。此外，APL的功率等级如表3所示。

表3：产品阵容

产品类型	TDK零件编号	LR / LPoDL /μH	IEEE功率等级	APL的功率等级	直流电流Idc1（典型值） /mA	直流阻抗DCR（典型值） /mΩ	额定电流（典型值） /mA	尺寸（长x宽x高） /mm
隔离耦合电感器	ICI70CGI-102N	1000				140	700	7.1 x 6.0 x 4.8
隔离耦合电感器	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
共模扼流圈	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2个时）	15	3, 4	2000	245	2000	15.5 x 15.5 x 14.5