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设计单对以太网应用的基本元器件

作者： Pete Bartolik 2024-07-02

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工程

电路保护

滤波

电源管理

无源器件

电源与电路保护

随着制造商和解决方案提供商寻求将越来越多的机器和传感器连接到互联网，以实现更高的自动化，并进行实时监控和数据收集，全球工业物联网 (IIoT) 市场预计将以两位数的年增长率增长，市场规模预计到 2029 年将达到 596 亿美元。单对以太网 (SPE) 技术为产品设计人员带来了新的机遇，能够让他们挖掘像传感器、执行器、摄像头、显示器、控制器、网关和交换机之类应用的需求。

为 10 Mb/s SPE 制定 IEEE 802.3cg 标准的工作组主要致力于解决工业网络边缘的“以太网空白”问题。由于非以太网现场总线通常具有更经济、安装更简单、对噪音更不敏感、更容易通过网络传输电力等优势，因此在自动化网络连接中占据了主导地位。

与使用四对双绞线的传统以太网不同，SPE 使用单对双绞线，在使用 10Base-T1L 的工业应用中以 10 Mbps 的速度传输数据，传输距离长达 1,000 米。SPE 可与单对以太网供电 (SPoE) 技术相结合，同时为 IIoT 设备供电并在 IIoT 设备之间传输数据。

SPE 和 SPoE 为工业自动化带来了通用物理层 (PHY)、标准化网络接口卡 (NIC) 的优势，并为开发设备的供应商提供了更大的灵活性，使其能够通过以太网进行交互和通信。更长距离的数据和电力传输能力使得设备之间的通信变得更加容易，同时也减轻了传感器和其他设备对电池的需要。

SPE 为解决方案设计人员和客户带来了各种优势，包括减轻布线重量和降低布线成本、与现有以太网基础设施兼容以及在扩展行业标准技术方面具有更大的灵活性。设计 SPE 应用所面临的挑战包括克服电磁干扰、信号完整性、电力传输和热管理问题。

SPE 应用所需的元器件

设计 10Base-T1L SPE 应用需要多种元器件，包括共模扼流圈 (CMC)、差模电感器 (DMI) 和隔离耦合电感器，以确保电源和数据的完整性、隔离和噪声过滤。TDK 是首家能够提供工业 SPE 所需的所有电感器的供应商，可实现带电或不带电传输。

如果计划仅在控制和传感或作用元件之间使用 10Base-T1L 进行数据传输，设计人员只需使用能滤除噪声的 CMC 即可。TDK 的 RCM70CGI-471（图 1）可抑制线路上耦合的非对称干扰，而数据信号不受影响。其工作温度范围为 -40 至 +125°C，额定电压为 80 VDC。

图 1：TDK 用于干扰抑制的 RCM70CGI 共模扼流圈。（图片来源：TDK）

对于数据线供电 (PoDL) 应用，设计人员还需要使用差模电感器，如 TDK 的 PID75-650M（图 2），以降低阻抗并确保功率传输的完整性。其额定电感值为 2 x 65 μH，直流电阻低，工作温度高达 +150°C。

图 2：TDK 的 PID75-650M 差模电感器可降低阻抗并确保功率传输完整性。（图片来源：TKD）

在安全要求很高且需要电隔离的情况下，设计人员需要使用隔离耦合电感器对 CMC 和 DMI 进行补充，以防止器件之间出现不需要的电流。TDK 的 ICI70CGI-222 （图 3）额定电感为 2.2 mH，杂散电容小于 20 pF，电压强度高达 2250 VDC。

图 3：ICI70CGI 隔离电感器。（图片来源：TDK）

结语

TDK 的工业 SPE 电感器能够让产品设计人员为工厂自动化、楼宇自动化、交通、能源和医疗保健领域的应用设计 SPE 器件。凭借对包括 IEEE 802.3cg、IEEE 802.3bu 和 IEEE 802.3bw 在内的通信协议的支持，SPE 应用可以扩展以太网基础设施，并实现更大的灵活性、更低的布线成本和更轻的重量。