單對(duì)以太網(wǎng)供電技術(shù)的演進(jìn)和應(yīng)用

單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）是一種新興的以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，與通常使用四對(duì)線的傳統(tǒng)以太網(wǎng)不同，它只使用一對(duì)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于那些空間和重量受限的應(yīng)用，例如汽車、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備，這是一項(xiàng)非常實(shí)用的技術(shù)。如果通過(guò)此方式還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端設(shè)備的供電，那這個(gè)技術(shù)簡(jiǎn)直就是產(chǎn)業(yè)的福音。

數(shù)據(jù)線供電（PoDL）技術(shù)通過(guò)在SPE系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸所用的單對(duì)雙絞線上實(shí)現(xiàn)了電力傳輸，能以12V、24V或48V直流電源等級(jí)提供0.5W至50W的電力。該技術(shù)誕生之初，是為汽車市場(chǎng)中最常用的傳感器、攝像頭等設(shè)備提供電源，由于能夠在單根電纜上提供電力和數(shù)據(jù)傳輸功能，可大大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)部署，從而降低成本。

另一種名為SPoE的以太網(wǎng)供電技術(shù)也適用于單對(duì)雙絞線電纜，它為大量的工業(yè)應(yīng)用提供了一種新選擇。利用SPoE，通過(guò)一根絞線就能傳輸高達(dá)52W的功率，傳輸距離可長(zhǎng)達(dá)1000米。

單對(duì)以太網(wǎng)供電技術(shù)的演進(jìn)

IEEE在2009年發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)802.3af，稱為以太網(wǎng)供電（PoE）。PoE是一種允許通過(guò)以太網(wǎng)電纜將電力與數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)募夹g(shù)。它消除了對(duì)單獨(dú)電源線的需要，簡(jiǎn)化了設(shè)備安裝并降低了成本，主要應(yīng)用于IP攝像頭、VoIP電話和無(wú)線接入點(diǎn)等。最初，PoE是專為使用CAT5或CAT6以太網(wǎng)電纜的以太網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，為此至少需要兩對(duì)線。也就是說(shuō)，舊的PoE標(biāo)準(zhǔn)不是為單對(duì)線設(shè)計(jì)的。

因此，IEEE于2016年發(fā)布IEEE 802.3bu標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種名為“數(shù)據(jù)線供電（PoDL）”的新PoE解決方案。這一新標(biāo)準(zhǔn)旨在改進(jìn)剛剛推出的另一個(gè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)1000BASE-T1，該標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)單根銅雙絞線提供千兆速度，而不是以前以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中使用的典型四類線。

與之前針對(duì)四類線的802.3 PoE標(biāo)準(zhǔn)不同，PoDL的設(shè)計(jì)不是為了在所有可能定義的電源類別之間實(shí)現(xiàn)互操作性，它只是為了滿足汽車市場(chǎng)的需求而構(gòu)建的。眾所周知，汽車行業(yè)對(duì)重量和電源效率十分敏感，在簡(jiǎn)化和減輕布線線束重量等方面，PoDL提供了一種非常有效的方法，它能在長(zhǎng)達(dá)15米的相同數(shù)據(jù)布線上同時(shí)為單對(duì)以太網(wǎng)終端設(shè)備供電，從而節(jié)省額外的成本并提高效率。因此，在汽車中若要借助單雙絞線電纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和電力的傳輸，數(shù)據(jù)線供電（PoDL）無(wú)疑將是一個(gè)合適的解決方案。

SPoE則將其功能擴(kuò)展到更長(zhǎng)距離的應(yīng)用，有可能跨越長(zhǎng)達(dá)1000米的電纜長(zhǎng)度，因此為眾多應(yīng)用打開(kāi)了希望之門，特別是那些在傳統(tǒng)電力輸送方法很難到達(dá)或效率十分低下的工業(yè)應(yīng)用。

現(xiàn)在，SPoE可以集成到具有常見(jiàn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（如以太網(wǎng)/IP、Profinet和EtherCAT）的混合系統(tǒng)中，并同時(shí)為終端設(shè)備供電。許多工廠已將該技術(shù)用于4 mA至20mA供電需求等應(yīng)用，即使沒(méi)有現(xiàn)成的布線，在沒(méi)有電工的幫助下，操作過(guò)程也比較簡(jiǎn)單。

PoDL和SPoE這兩種技術(shù)非常相似，不過(guò)在性能和應(yīng)用上又各有側(cè)重。SPoE的工作電壓為24V或55V，橋接距離可達(dá)1000米，而PoDL適用于短距離（15米或40米）系統(tǒng)，工作電壓為12V、24V或48V。PoDL主要用于汽車領(lǐng)域和類似應(yīng)用（如智能建筑），SPoE則主要針對(duì)工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用（如SPoE攝像頭）。

PoDL對(duì)汽車行業(yè)意味著什么？

對(duì)于下一代汽車電子電氣架構(gòu)而言，通信網(wǎng)絡(luò)正在向全車互聯(lián)方向發(fā)展，其主要特征是從分布式控制向中央集中式控制的轉(zhuǎn)變，整車架構(gòu)將由中央計(jì)算平臺(tái)、區(qū)域控制器以及傳感器和執(zhí)行器等傳感器件組成，車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)將由實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、末端以太網(wǎng)、CAN to ETH和CAN to I/O等實(shí)現(xiàn)。毫無(wú)疑問(wèn)，主干網(wǎng)必將使用具備TSN能力的車載以太網(wǎng)。

隨著現(xiàn)代車輛配備的傳感器數(shù)量和種類不斷增多，這些廣泛分布在車內(nèi)的傳感器中的每一個(gè)都需要與其控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，因此需要大量的電源供電設(shè)備和電纜。在重量上，線束是汽車中僅次于底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)的第三重的部件，因此，任何減輕其重量、尺寸和成本的嘗試都是值得的。使用單對(duì)雙絞線、既能傳輸數(shù)據(jù)又能提供電力的PoDL，為下一代汽車電子電氣架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保障。

具有數(shù)據(jù)線供電的單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）傳輸標(biāo)準(zhǔn)看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。Texas Instrument公司的TIDA-010262參考設(shè)計(jì)展示了一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的實(shí)施方案，該網(wǎng)關(guān)充當(dāng)四個(gè)具有數(shù)據(jù)線供電（PoDL）功能的10BASE-T1L單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）端口和一個(gè)1000BASE-T以太網(wǎng)端口之間的橋梁。四個(gè)SPE端口充當(dāng)電源設(shè)備（PSE），為現(xiàn)場(chǎng)器件提供24V電壓。該網(wǎng)關(guān)由AM6442微處理器控制并采用Linux操作系統(tǒng)，支持靈活且可擴(kuò)展的開(kāi)源軟件。

圖：TIDA-010262（左）和TIDA-010261（右）（圖源：Texas Instrument）

TIDA-010262參考設(shè)計(jì)根據(jù)IEEE802.3cg實(shí)現(xiàn)了四個(gè)10BASE-T1L端口，支持PoDL，包括用于分類的SCCP，支持所有24V電源等級(jí)10-12，最高可達(dá)12W，電流限制可調(diào)。方案中的MSPM0G1107 MCU用于實(shí)現(xiàn)四個(gè)端口的數(shù)字部分，包括狀態(tài)機(jī)處理和SCCP通信。每個(gè)端口都包含PSE的模擬部分、以太網(wǎng)PHY和結(jié)合電源和數(shù)據(jù)的耦合網(wǎng)絡(luò)（CDN）。

圖3中右側(cè)的受電設(shè)備（PD）TIDA-010261，實(shí)現(xiàn)了支持電源等級(jí)12的相應(yīng)PD，SCCP通信由MSP430FR2476處理。與PSE側(cè)類似，CDN用于分離電源和數(shù)據(jù)，并將其相應(yīng)地饋送到PD電路和以太網(wǎng)PHY。

SPoE對(duì)工業(yè)應(yīng)用意味著什么？

以太網(wǎng)供電（PoE）一直都是獨(dú)立電網(wǎng)供電的替代方案。借助PoE，當(dāng)傳輸距離為100米時(shí)，可以向設(shè)備提供高達(dá)71W的功率。PoE使用Cat 5和更高規(guī)格的雙絞線電纜，支持許多已布設(shè)以太網(wǎng)電纜的應(yīng)用。

SPoE類似于PoE或PoDL，但針對(duì)的是工業(yè)市場(chǎng)，通過(guò)單對(duì)電纜同時(shí)傳輸電力和數(shù)據(jù)，并以30V或50V直流電源等級(jí)提供1.23W至52W的電力。符合SPoE標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)和端點(diǎn)允許遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單快速地添加和升級(jí)，無(wú)需本地?fù)碛须娫丛O(shè)備。

SPoE解決方案同樣需要一個(gè)供電設(shè)備（PSE）控制器和一個(gè)受電設(shè)備（PD）控制器，前者是一種通過(guò)雙線電纜傳輸電能的電路，后者從雙線電纜接收能量。圖5中左側(cè)是帶有PHY的供電設(shè)備（PSE），右側(cè)是受電設(shè)備（PD）和另一個(gè)PHY。PHY提供數(shù)據(jù)鏈路，PSE為PD提供電源。數(shù)據(jù)鏈路為電容性解耦（C1–C4），電源為電感性解耦（L1–L4）。

圖：SPoE系統(tǒng)的原理圖（圖源：Würth Elektronik)

PSE控制器通常是為多個(gè)通道（電纜）設(shè)計(jì)的，既可以為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，也可以進(jìn)行星形和菊花鏈連接，這一點(diǎn)對(duì)于需要為多個(gè)遠(yuǎn)程器件（即傳感器）供電的系統(tǒng)至關(guān)重要。Analog Devices公司的SPoE方案，其傳輸功率高達(dá)52W，距離長(zhǎng)達(dá)1,000米。方案中的LTC4296-1是一款符合IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的五端口、單對(duì)以太網(wǎng)供電（SPoE）供電設(shè)備（PSE），專為與24V或54V系統(tǒng)中的802.3cg受電設(shè)備 (PD) 的互操作性而設(shè)計(jì)，可以為五個(gè)負(fù)載供電，每條供電線可達(dá)1,000米。

圖：LTC4296-1 SPoE PSE控制器可驅(qū)動(dòng)多達(dá)五個(gè)通道（圖源：Analog Devices）

作為PD控制器的LTC9111，2.3V至60V的寬工作范圍與極性校正相結(jié)合，使其特別適合樓宇及工廠自動(dòng)化應(yīng)用中分布式系統(tǒng)的供電。此外，LTC9111還支持串行通信分類協(xié)議（SCCP），通過(guò)分類確定電能傳輸?shù)墓β实燃?jí)。如果運(yùn)行的電氣設(shè)備需要24V或55V以外的電壓，則需要使用額外的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

本文小結(jié)

無(wú)論終端市場(chǎng)如何，降低組件和組裝成本是大多數(shù)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)。通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸電力有助于減輕線束的重量和復(fù)雜性。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)并不新鮮，此前同軸電纜已經(jīng)支持這一技術(shù)。有了PoDL，這項(xiàng)技術(shù)可以擴(kuò)展到使用以太網(wǎng)作為物理層的應(yīng)用。

單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）技術(shù)最初是為汽車應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，但在工業(yè)領(lǐng)域同樣重要并獲得了廣泛應(yīng)用。SPoE代表著一種簡(jiǎn)化的以太網(wǎng)供電方式，采用這種解決方案的工業(yè)系統(tǒng)更容易安裝，價(jià)格也更實(shí)惠。

到目前為止，市場(chǎng)上PoDL的實(shí)施進(jìn)展相對(duì)緩慢，這一結(jié)果也容易理解，因?yàn)槠囆袠I(yè)通常需要很長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期，以此來(lái)確保新車的安全。相比之下，工業(yè)市場(chǎng)使用SPoE技術(shù)的步伐更快。隨著物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用，無(wú)電源的終端和應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多，SPoE更是一種首選解決方案，同時(shí)也為工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)辟全新的可能性。