10BASE-T1L單對以太網SPE

印寧華|Indining China|

2024-02-02 12:15:25 957

隨著技術的不斷進步和數字化轉型的深入，邊緣計算需求的顯著增長已成為當下科技發展的一個重要趨勢。特別是在數據速率方面，由于各種高端應用的普及，如安全監控、高清視頻傳輸、實時數據處理等，對更高數據速率的需求日益迫切。

邊緣對更高數據速率的需求顯著增加。受這些系統逐漸減少且用于安全、安保和高質量應用中的影響，攝像頭和視頻系統的采用有所增加。高速數據記錄設備、嵌入式 Web 服務器和監控系統等其他系統需要及時的數據傳輸。此外，網絡中的節點數量不斷增加，因此使用現有生態系統的愿望與日俱增。以太網協議和安全層以及眾所周知的安裝、維護和管理流程降低了網絡的總體擁有成本 (TCO)，提高了投資回報率 (ROI)。

工業應用重點關注 10 Mbps 網速，因為這個速度應該足以達到大多數現有現場總線應用的數據速率和覆蓋范圍。電感及變壓器供應商提供多種電感器系列，廣泛用于 10Base-T1L 應用，包括共模扼流圈 (CMC)、隔離電感器（隔離耦合電感器）和差模電感器 (DMI)。

定義和標準

在工業應用中工業以太網很容易與普通以太網混淆，有時被稱為單對以太網 (SPE)。這種架構源于傳統局域網應用中的標準，其中使用兩對或四對雙絞線以 100 Mbps（兆位/秒）或 1000 Mbps（兆位/秒）的速度傳輸數據。SPE 僅使用一對雙絞線，用于 10 Mbps 至 10 Gbps 的通信速度，每根電纜都遵循專用標準（表 1）。

表 2 顯示了符合 IEEE802.3cg 表 104-1 和 IEEE802.3bu 表 104-1a 的不同功率等級。規定最小功率為 10 級，電源接口處最大電流為 92mA，因此用電設備的最大平均功率為 1.23W。規定最大功率為 15 級，相應的電流為 1579mA，用電設備的最大平均可用功率為 52W。

系統架構

根據應用的功率需求和安全要求，可能有不同的架構。

*種選項是僅將 10Base-T1L 用于控制與傳感或動作元件之間的數據傳輸，因此只需要一個共模扼流圈 (CMC)（圖 1）。

第二種選項包括需要共模扼流圈 (CMC) 和差模電感器 (DMI) 的功率傳輸。差模電感器可以根據所需的功率水平或傳輸的電流進行選擇，這將為 DMI 帶來多種選擇。對于更大的電流，必須使用更大的電感器，在施加更小電流的傳感或動作器件中，更低高度和更小尺寸的電感器可能是最佳選擇（圖 2）。

第三種選項適用于對安全至關重要且需要電流隔離的區域。對于這些環境，除了 CMC 和 DMI 外，還使用了隔離變壓器或耦合電感器，以防止不必要的電流在兩個器件之間流動（圖 3）。

實際上，上述所有選項都需要，圖 4 顯示了一個從頂部開始的實施示例，系統安裝在控制室中。通常不需要隔離，但會使用共模扼流圈，也可能會使用差模電感器。由于會連接到主干服務，有時還會連接到云，因此使用了多種速度級別（高達 1 Gbps）和技術（例如 10Base-T1S、100Base-T1、100Base-TX、1000Base-T）。

下一個級別是連接不同場開關的近場。對于這種應用，將使用長度為幾百米至 1000 米的電纜，必須進行隔離，需要共模濾波器以及用于大功率電源的 DMI。在最后一段，實現了從場開關到傳感器和執行器的連接。要求與上一個級別相似，但負載中使用的 DMI 尺寸可能更小，因為每個器件的功耗通常在 300 mA 范圍內。

電路圖附加組件

有幾個組件對減少可能的靜電放電脈沖的影響非常有用。雙向 TVS 二極管具有低容量的優勢，因此可以用于高速應用。此外，它們速度很快，增加了對高壓事件的響應時間。
電容器用于防止電流流經隔離耦合電感器的一個線圈，從而減少不必要的功率損耗。此外，還增加了額外的隔離，以確保能夠用在安全相關的環境中。

· 功率等級 10-14 的設置

為功率等級 10 至 14 定義的電流將高達約 600 mA，對于這些情況，將應用所謂的 PHY 側注入，這意味著電流注入，因此 DMI 將被置于 PHY 和 CMC 之間，所以 CMC 必須承受電流。

· 功率等級 15 的設置

為功率等級 15 定義的電流比任何其他等級都高，大約為 1500 mA。對于這種情況，如果使用線路側注入，這意味著功率注入，DMI 將被置于 CMC 和連接器之間。在這種情況下，CMC 可以設計得小得多，因為它不需要僅通過信號傳輸的功率即可正常工作。

由IEEE制定的新型單對以太網(SPE)或10BASE-T1L物理層標準，為傳輸設備運行狀況信息實施狀態監測(CbM)應用提供了新的連接解決方案。SPE提供共享電源和高帶寬數據架構，可通過低成本雙線電纜在超過1000米的距離實現10Mbps數據和電源的共享。

ADI公司設計了業界*10BASE-T1L MAC-PHY(ADIN1110)，一款集成MAC的單對以太網收發器，它使用簡單的SPI總線與嵌入式微控制器通信，可降低傳感器的功耗并減少固件開發時間。

圖1.10BASE-T1L單對以太網狀態監測（振動）傳感器原型

在本文中，將了解如何設計一款體型小巧但功能強大的傳感器，如圖1所示。本文將介紹：

如何設計小型共享數據和電源通信接口

如何為傳感器設計超低噪聲電源

微控制器和軟件架構選擇

選擇合適的MEMS振動傳感器

集成數字硬件設計和機械外殼

電腦上的數據采集UI示例

如何設計小型共享數據和電源通信接口

什么是PoDL？

電源和數據通過電感電容網絡分布在單對雙絞線上，具體如圖2所示。高頻數據通過串聯電容與數據線路耦合，同時保護ADIN1100 10BASE-T1L PHY免受直流母線電壓影響，如圖2(a)所示。圖2所示為通過連接至數據線路的耦合電感連接到PSE（供電設備）控制器的電源。如圖2(b)所示，24VDC電源對交流數據總線實施偏置。在圖2(c)中，PSE和PD（受電器件）之間的電流路徑顯示為IPWR，使用CbM傳感器節點上的耦合電感從線路中提取電源。

圖2.共享電源和數據線(PoDL)的基本原理

為防止極性電纜安裝錯誤（例如，將PSE PHY的24VDC錯接到PD PHY的0VDC），建議使用橋式整流二極管。為了確保EMC穩定性，需使用工作電壓大于24VDC的TVS二極管。如果傳感器硬件設計體積較大，還可以使用其他EMC元件（例如在信號線上配置高壓電容）。

使用所有這些元件設計小型PoDL電路可能并不那么簡單，但幸運的是，大多數供應商都針對整流二極管、TVS二極管和無源元件提供具有尺寸優勢的解決方案。通常，必須選擇具有超低電容的元件，盡可能地減少信號失真。建議耦合電感和電容分別為220μH和220nF，但在仿真或測試中可以采用更大的值以留出設計裕量。表1列出了可用于傳感器設計的一系列小尺寸元件。

表1.適用于小型傳感器設計PoDL接口的元件

如何設計小型PoDL電路？

圖2中包含耦合電感和串聯電容，這些是PoDL工作所需的基本元件。此外，還需使用其他元件以確保穩定性和容錯性。

由于PoDL耦合電感屬于非理想元件，因此會發生一定程度的差模至共模轉換。這種共模噪聲會降低信號質量。將共模扼流圈連接到靠近電纜連接器的位置有助于減輕這種非理想特性，并保護設計免受電纜共模噪聲的影響。還需要檢查共模扼流圈載流量和DCR，確保其能夠為傳感器提供足夠的功率。

耦合電感的額定電流需要滿足或超過遠程供電MEMS傳感器節點的總電流要求。LPD5030-224MRB的額定電流至少為240mA，大大超過了10BASE-T1L傳感器節點的要求。由于額定電流要求相對較低，因此可以減小電感尺寸。表2顯示，4.8mm × 4.8mm LPD5030-224MRB是滿足10BASE-T1L鏈路要求的最小元件。

表2.功率電感——對封裝尺寸的限制

如何檢查PoDL電路是否能夠正常工作？

用于10BASE-T1L的IEEE 802.3cg-2019標準中概述了PHY要滿足的電氣規格，包括電壓電平、時序抖動、功率譜密度、回波損耗和信號下降（衰減）。PoDL電路會對通信通道產生影響，其中回波損耗和信號衰減（或下降）是兩個重要因素。

回波損耗可以衡量網絡上因電纜鏈路各處阻抗不匹配而產生的信號反射。回波損耗以分貝為單位，對于10BASE-T1L中采用的高數據速率或長電纜距離(1700m)通信尤為重要。圖3（基于Graber1的工作）顯示了單對以太網(SPE) 10BASE-T1L標準(10SPE)物理層或MDI的LTspice?仿真電路。該仿真電路針對ADI公司的ADIN1110或ADIN1100 10BASE-T1L以太網PHY/MAC-PHY采用100Ω±10%端接電阻。信號耦合電容、功率耦合電感、共模扼流圈和其他EMC保護元件均進行建模仿真。功率耦合電感標稱值為1000μH，相當于兩個220μH的雙繞組電感（880μH加上裕量）。對于某些元件，使用LTspice蒙特卡羅語法添加建議的元件值和容差范圍。圖4顯示了相應的蒙特卡羅仿真波形和使用LTspice添加的限值線。所選元件和容差將滿足回波損耗掩模規格。

圖3.使用LTspice蒙特卡羅函數進行的MDI回波損耗仿真

圖4.蒙特卡羅仿真波形

如何設計超低噪聲電源

有線狀態監測傳感器具有嚴格的抗擾度要求。對于鐵路、自動化和重工業（例如紙漿和紙張加工）的狀態監測，振動傳感器解決方案需要輸出低于1mV的噪聲，以避免在數據采集/控制器處觸發錯誤的振動水平。這意味著電源設計向測量電路（MEMS信號鏈）輸出的噪聲必須非常低（低輸出紋波）。MEMS傳感器的電源設計還必須具備抗干擾能力，不受共享電源和數據線上耦合噪聲的影響（高PSRR）。

要確保MEMS傳感器能夠檢測到極小的振動，需要使用極低噪聲電源。ADXL1002MEMS加速度計的輸出電壓噪聲密度規格為25μg√Hz。在正常工作期間，MEMS電源需要滿足或超過此規格，以避免降低傳感器的性能。

有線CbM傳感器通常由24VDC至30VDC電源供電，需使用具有高輸入范圍和高效率的降壓轉換器，以盡可能地降低功耗并提升傳感器的長期可靠性。由于具有非理想容性負載，降壓轉換器的電壓紋波可能有幾十毫伏，不適合為3V/5V MEMS傳感器供電。使用共模扼流圈或大容量電容可以減小降壓輸出紋波電壓。但在降壓輸出端需要使用一個超低噪聲LDO穩壓器，以確保為MEMS傳感器提供只有微伏級噪聲的電源。