10BASE-T1L单对以太网SPE

印宁华|Indining China|

2024-02-02 12:15:25 962

随着技术的不断进步和数字化转型的深入，边缘计算需求的显著增长已成为当下科技发展的一个重要趋势。特别是在数据速率方面，由于各种高端应用的普及，如安全监控、高清视频传输、实时数据处理等，对更高数据速率的需求日益迫切。

边缘对更高数据速率的需求显著增加。受这些系统逐渐减少且用于安全、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。电感及变压器供应商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 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。

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。

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）。

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）。

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）。

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。

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。

· 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。

由IEEE制定的新型单对以太网(SPE)或10BASE-T1L物理层标准，为传输设备运行状况信息实施状态监测(CbM)应用提供了新的连接解决方案。SPE提供共享电源和高带宽数据架构，可通过低成本双线电缆在超过1000米的距离实现10Mbps数据和电源的共享。

ADI公司设计了业界 10BASE-T1L MAC-PHY(ADIN1110)，一款集成MAC的单对以太网收发器，它使用简单的SPI总线与嵌入式微控制器通信，可降低传感器的功耗并减少固件开发时间。

图1.10BASE-T1L单对以太网状态监测（振动）传感器原型

在本文中，将了解如何设计一款体型小巧但功能强大的传感器，如图1所示。本文将介绍：

如何设计小型共享数据和电源通信接口

如何为传感器设计超低噪声电源

微控制器和软件架构选择

选择合适的MEMS振动传感器

集成数字硬件设计和机械外壳

电脑上的数据采集UI示例

如何设计小型共享数据和电源通信接口

什么是PoDL？

电源和数据通过电感电容网络分布在单对双绞线上，具体如图2所示。高频数据通过串联电容与数据线路耦合，同时保护ADIN1100 10BASE-T1L PHY免受直流母线电压影响，如图2(a)所示。图2所示为通过连接至数据线路的耦合电感连接到PSE（供电设备）控制器的电源。如图2(b)所示，24VDC电源对交流数据总线实施偏置。在图2(c)中，PSE和PD（受电器件）之间的电流路径显示为IPWR，使用CbM传感器节点上的耦合电感从线路中提取电源。

图2.共享电源和数据线(PoDL)的基本原理

为防止极性电缆安装错误（例如，将PSE PHY的24VDC错接到PD PHY的0VDC），建议使用桥式整流二极管。为了确保EMC稳定性，需使用工作电压大于24VDC的TVS二极管。如果传感器硬件设计体积较大，还可以使用其他EMC元件（例如在信号线上配置高压电容）。

使用所有这些元件设计小型PoDL电路可能并不那么简单，但幸运的是，大多数供应商都针对整流二极管、TVS二极管和无源元件提供具有尺寸优势的解决方案。通常，必须选择具有超低电容的元件，尽可能地减少信号失真。建议耦合电感和电容分别为220μH和220nF，但在仿真或测试中可以采用更大的值以留出设计裕量。表1列出了可用于传感器设计的一系列小尺寸元件。

表1.适用于小型传感器设计PoDL接口的元件

如何设计小型PoDL电路？

图2中包含耦合电感和串联电容，这些是PoDL工作所需的基本元件。此外，还需使用其他元件以确保稳定性和容错性。

由于PoDL耦合电感属于非理想元件，因此会发生一定程度的差模至共模转换。这种共模噪声会降低信号质量。将共模扼流圈连接到靠近电缆连接器的位置有助于减轻这种非理想特性，并保护设计免受电缆共模噪声的影响。还需要检查共模扼流圈载流量和DCR，确保其能够为传感器提供足够的功率。

耦合电感的额定电流需要满足或超过远程供电MEMS传感器节点的总电流要求。LPD5030-224MRB的额定电流至少为240mA，大大超过了10BASE-T1L传感器节点的要求。由于额定电流要求相对较低，因此可以减小电感尺寸。表2显示，4.8mm × 4.8mm LPD5030-224MRB是满足10BASE-T1L链路要求的最小元件。

表2.功率电感——对封装尺寸的限制

如何检查PoDL电路是否能够正常工作？

用于10BASE-T1L的IEEE 802.3cg-2019标准中概述了PHY要满足的电气规格，包括电压电平、时序抖动、功率谱密度、回波损耗和信号下降（衰减）。PoDL电路会对通信通道产生影响，其中回波损耗和信号衰减（或下降）是两个重要因素。

回波损耗可以衡量网络上因电缆链路各处阻抗不匹配而产生的信号反射。回波损耗以分贝为单位，对于10BASE-T1L中采用的高数据速率或长电缆距离(1700m)通信尤为重要。图3（基于Graber1的工作）显示了单对以太网(SPE) 10BASE-T1L标准(10SPE)物理层或MDI的LTspice?仿真电路。该仿真电路针对ADI公司的ADIN1110或ADIN1100 10BASE-T1L以太网PHY/MAC-PHY采用100Ω±10%端接电阻。信号耦合电容、功率耦合电感、共模扼流圈和其他EMC保护元件均进行建模仿真。功率耦合电感标称值为1000μH，相当于两个220μH的双绕组电感（880μH加上裕量）。对于某些元件，使用LTspice蒙特卡罗语法添加建议的元件值和容差范围。图4显示了相应的蒙特卡罗仿真波形和使用LTspice添加的限值线。所选元件和容差将满足回波损耗掩模规格。

图3.使用LTspice蒙特卡罗函数进行的MDI回波损耗仿真

图4.蒙特卡罗仿真波形

如何设计超低噪声电源

有线状态监测传感器具有严格的抗扰度要求。对于铁路、自动化和重工业（例如纸浆和纸张加工）的状态监测，振动传感器解决方案需要输出低于1mV的噪声，以避免在数据采集/控制器处触发错误的振动水平。这意味着电源设计向测量电路（MEMS信号链）输出的噪声必须非常低（低输出纹波）。MEMS传感器的电源设计还必须具备抗干扰能力，不受共享电源和数据线上耦合噪声的影响（高PSRR）。

要确保MEMS传感器能够检测到极小的振动，需要使用极低噪声电源。ADXL1002MEMS加速度计的输出电压噪声密度规格为25μg√Hz。在正常工作期间，MEMS电源需要满足或超过此规格，以避免降低传感器的性能。

有线CbM传感器通常由24VDC至30VDC电源供电，需使用具有高输入范围和高效率的降压转换器，以尽可能地降低功耗并提升传感器的长期可靠性。由于具有非理想容性负载，降压转换器的电压纹波可能有几十毫伏，不适合为3V/5V MEMS传感器供电。使用共模扼流圈或大容量电容可以减小降压输出纹波电压。但在降压输出端需要使用一个超低噪声LDO稳压器，以确保为MEMS传感器提供只有微伏级噪声的电源。