近年來，工業物聯網(IIoT)及資料型應用蓬勃發展，將感測器、致動器及控制器裝置的密度及性能需求推至新高，而採用搭載單對乙太網路(SPE)的10Base-T1L有助於滿足IIoT的資料和電力傳輸需求。
工業控制及網路應用以往總仰賴4mA~20mA及現場匯流排連接，並以專有技術因應需要更高速率或更專業化性能的使用情境。然而，近年來工業物聯網(IIoT)及資料型應用蓬勃發展，將感測器、致動器及控制器裝置的密度及性能需求推至新高。
IIoT應用的新功能及使用案例大幅受到現場匯流排網路的10Mbps速度限制，持續成長的需求促使市場採用其他工業網路技術，以滿足所需。搭載單對乙太網路(SPE)的10Base-T1L是一項前景看好的替代性技術，適合需要較高資料傳輸速率的許多4mA~20mA和現場匯流排系統。該技術同時具備供電功能及其他各項誘人的特點。當然，新技術也意味著將對共模濾波器(Common-mode Choke, CMC)、隔離電感器及差模電感器(Differential Mode Inductor, DMI)等常見元件有不同的需求。
本文將探討10Base-T1L及SPE在工業應用中的應用，以及這種組合如何大幅提升工業網路性能，並釋放最新的IIoT技術的潛力。此外，文中也將討論針對10Base-T1L及SPE實作的參考設計及元件要求。
乙太網路與10Base-T1L
SPE是於IEEE 802.3定義的有線通訊標準，其有效地將基礎乙太網路標準轉換為適合單組雙絞線路對的標準。資料線供電(PoDL)是在與通訊所用的同一條線路中傳輸電源的標準，目的是減少電源及通訊所需的布線。在工業應用中，10Base-T1L在1,000公尺範圍內的傳輸速率高達10Mbps，在汽車或航空應用的傳輸距離則可達15公尺。10Base-T1L由IEEE 802.3cg所定義，具備自0.1到20MHz的頻寬性能。
起初，PoDL是針對汽車及類似應用進行優化，一般乙太網路應用則採用乙太網路供電(PoE)。依據IEEE 802.3第104條款規定，PoDL已拓展至10Base-T1S/T1L，並涵蓋SPoE功率等級10到15，主要用於建築自動化及工業網路系統。SPoE功率等級是為OT網路(例如IIoT網路)所定義，SPoE分別針對使用20、24或30VDC的長、中、短纜線定義了10、11及12三個等級。13、14及15級則是分別針對使用50、55或58VDC的長、中及短纜線所定義。SPoE不像PoDL有規定或非規定之等級，因此SPoE可以提供1.23W至52W的功率(表1)。
表1 適用10Base-T1L和SPoE的IEEE 802.3cg功率等級 (資料來源：EPCOS/TDK)
本質上，工業乙太網路及商業乙太網路的通訊協定是相同的，不過，負責承載各協定通訊的硬體卻完全不同。工業乙太網路的硬體更為堅固耐用，較適合用於需要考量可靠度、耐化學性、耐火、高/低作業溫度範圍等因素的極端環境。在許多情況下，商業乙太網路的硬體使用壽命有限，可能會因為工業環境的特性而提前故障，因此不適用於工業乙太網路應用。
此外，諸如10Base-T1L之類的技術專為汽車、工業及建築自動化應用而設計，相較於商業乙太網路，能支援更適合這些環境使用案例的各種硬體選擇。安裝商業乙太網路時，在整個設施的IT網路硬體之間使用高速乙太網路纜線可能有益；工業應用則更可能受益於使用PoDL/SPoE的精巧型SPE，這種方式可以將纜線體積縮小，與現有老舊配線基礎設施的相容性也較高，不需要增加過多不必要的布線。幸運的是，10Base-T1L SPoE系統可提供IT/OT連接和電源給從裝置到雲端的感測器、引動器或控制硬體。
10Base-T1L SPoE實作
實作10Base-T1L SPoE至少需要使用一個共模濾波器(CMC)，但根據應用不同，可能還需要差模電感器(DMI)及電氣隔離變壓器。如果應用的資料傳輸僅限於控制收發器及終端裝置兩端，便需要在雙絞線路對及PHY/LPF控制器之間使用CMC。
如果需要在同一條雙絞線路對上傳輸電源及資料，則還需要使用DMI將電源設備(PSE)(VCC及GND單端線路)與雙絞線路對連接(最好在CMC之前)。最後，在可能涉及關鍵安全問題的情況下，通常需要電氣隔離。為此，需要在控制和終端裝置硬體的PHY/LPF與下游電路之間增加一個隔離變壓器。
圖1 10Base-T1L SPoE區塊圖，顯示若有需要，在工業SPE應用中如何放置差模電感器(DMI)、共模濾波器(CMC)和電氣隔離變壓器 (圖片來源：EPCOS/TDK)
圖1顯示在第10至14級應用中，DMI和CMC元件在與802.3cg標準相容的電路中，最佳的擺放位置。此處的電源和資料藉由媒體相依介面(MDI)，透過電源耦合網路(PCN)耦合在一起。直流電源透過DMI耦合至SPoE線路，如圖2所示。在L2的CMC於MDI提供共模阻隔(Common Mode Blocking)。重要的是，所選擇的DMI(L1)和CMC(L2)值需要滿足IEEE 802.3cg所列最大功率等級的反射損耗(Return Loss)、模式轉換(Mode Conversion)和衰減規範(Droop Specifications)。
圖2 LTC4296-1 802.3cg，第10至14級的參考設計，搭配推薦的SPoE電感器和各種功率等級的電源＋資料共模濾波器 (圖片來源：Analog Devices)
業者指出，圖2的方法適用於10~14級10Base-T1L SPoE應用，建議使用PHY端PCN拓撲方式，並在CMC(L2)的PHY端透過DMI(L1)注入電源。這種做法能使電源及資料通過CMC傳輸。對於15級，建議透過DMI將電源注入線路端，並針對電力和資料路徑分別使用獨立的CMC。廠商如EPCOS/TDK提供相關元件，例如EPCOS/TDK的工業單一電源乙太網路(SPE)電感器便適合前述應用，適用於SPoE PSE控制器應用。這些工業用SPE電感器係根據工業用SPE應用的正確電流、電壓及電感規範進行設計，並且符合ROHS指令，操作溫度範圍為-40°C至+125°C。EPCOS/TDK特別為工業用SPE/SPoE應用而製造提供RCM70CGI-471 CMC、ICI70CGI隔離電感器及PID SMD電源電感器。
10Base-T1L支援IIoT發展
工業自動化持續發展，將需要更高功率和內部網路及雲端相容性的高資料速率裝置納入其中。面對許多新興的IIoT裝置，工業乙太網路方案也需要能夠提供足以滿足裝置需求的資料和電力傳輸性能。10Base-T1L支援更高的資料傳輸速率、資料線供電及其他功能，具備優於傳統及其他商業乙太網路方案的性能，因此成為取代傳統4mA~20mA及現場匯流排連接的理想選擇。
(本文作者為貿澤電子特約作家)