隨著技術(shù)的不斷進步和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入，邊緣計算需求的顯著增長已成為當下科技發(fā)展的一個重要趨勢。特別是在數(shù)據(jù)速率方面，由于各種高端應(yīng)用的普及，如安全監(jiān)控、高清視頻傳輸、實時數(shù)據(jù)處理等，對更高數(shù)據(jù)速率的需求日益迫切。
邊緣對更高數(shù)據(jù)速率的需求顯著增加。受這些系統(tǒng)逐漸減少且用于安全、安保和高質(zhì)量應(yīng)用中的影響，攝像頭和視頻系統(tǒng)的采用有所增加。高速數(shù)據(jù)記錄設(shè)備、嵌入式 Web 服務(wù)器和監(jiān)控系統(tǒng)等其他系統(tǒng)需要及時的數(shù)據(jù)傳輸。此外，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量不斷增加，因此使用現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)的愿望與日俱增。以太網(wǎng)協(xié)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(wǎng)絡(luò)的總體擁有成本 (TCO)，提高了投資回報率 (ROI)。
工業(yè)應(yīng)用重點關(guān)注 10 Mbps 網(wǎng)速，因為這個速度應(yīng)該足以達到大多數(shù)現(xiàn)有現(xiàn)場總線應(yīng)用的數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍。電感及變壓器供應(yīng)商提供多種電感器系列，廣泛用于 10Base-T1L 應(yīng)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(yè)應(yīng)用中工業(yè)以太網(wǎng)很容易與普通以太網(wǎng)混淆，有時被稱為單對以太網(wǎng) (SPE)。這種架構(gòu)源于傳統(tǒng)局域網(wǎng)應(yīng)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(shù)據(jù)。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(guī)定最小功率為 10 級，電源接口處最大電流為 92mA，因此用電設(shè)備的最大平均功率為 1.23W。規(guī)定最大功率為 15 級，相應(yīng)的電流為 1579mA，用電設(shè)備的最大平均可用功率為 52W。
系統(tǒng)架構(gòu)
根據(jù)應(yīng)用的功率需求和安全要求，可能有不同的架構(gòu)。
*種選項是僅將 10Base-T1L 用于控制與傳感或動作元件之間的數(shù)據(jù)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(jù)所需的功率水平或傳輸?shù)碾娏鬟M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(guān)重要且需要電流隔離的區(qū)域。對于這些環(huán)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(tǒng)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(wù)，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(shù)（例如 10Base-T1S、100Base-T1、100Base-TX、1000Base-T）。
下一個級別是連接不同場開關(guān)的近場。對于這種應(yīng)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(xiàn)了從場開關(guān)到傳感器和執(zhí)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(nèi)。
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(yōu)勢，因此可以用于高速應(yīng)用。此外，它們速度很快，增加了對高壓事件的響應(yīng)時間。
電容器用于防止電流流經(jīng)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(guān)的環(huán)境中。
· 功率等級 10-14 的設(shè)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(yīng)用所謂的 PHY 側(cè)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(shè)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(cè)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(shè)計得小得多，因為它不需要僅通過信號傳輸?shù)墓β始纯烧９ぷ鳌?
由IEEE制定的新型單對以太網(wǎng)(SPE)或10BASE-T1L物理層標準，為傳輸設(shè)備運行狀況信息實施狀態(tài)監(jiān)測(CbM)應(yīng)用提供了新的連接解決方案。SPE提供共享電源和高帶寬數(shù)據(jù)架構(gòu)，可通過低成本雙線電纜在超過1000米的距離實現(xiàn)10Mbps數(shù)據(jù)和電源的共享。
ADI公司設(shè)計了業(yè)界*10BASE-T1L MAC-PHY(ADIN1110)，一款集成MAC的單對以太網(wǎng)收發(fā)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(fā)時間。
圖1.10BASE-T1L單對以太網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測（振動）傳感器原型
在本文中，將了解如何設(shè)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(shè)計小型共享數(shù)據(jù)和電源通信接口
如何為傳感器設(shè)計超低噪聲電源
微控制器和軟件架構(gòu)選擇
選擇合適的MEMS振動傳感器
集成數(shù)字硬件設(shè)計和機械外殼
電腦上的數(shù)據(jù)采集UI示例
如何設(shè)計小型共享數(shù)據(jù)和電源通信接口
什么是PoDL？
電源和數(shù)據(jù)通過電感電容網(wǎng)絡(luò)分布在單對雙絞線上，具體如圖2所示。高頻數(shù)據(jù)通過串聯(lián)電容與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線路的耦合電感連接到PSE（供電設(shè)備）控制器的電源。如圖2(b)所示，24VDC電源對交流數(shù)據(jù)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(jié)點上的耦合電感從線路中提取電源。
圖2.共享電源和數(shù)據(jù)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(wěn)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(shè)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(shè)計小型PoDL電路可能并不那么簡單，但幸運的是，大多數(shù)供應(yīng)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(yōu)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(shè)計裕量。表1列出了可用于傳感器設(shè)計的一系列小尺寸元件。
表1.適用于小型傳感器設(shè)計PoDL接口的元件
如何設(shè)計小型PoDL電路？
圖2中包含耦合電感和串聯(lián)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(wěn)定性和容錯性。
由于PoDL耦合電感屬于非理想元件，因此會發(fā)生一定程度的差模至共模轉(zhuǎn)換。這種共模噪聲會降低信號質(zhì)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(shè)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(jié)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(jié)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(guī)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)上因電纜鏈路各處阻抗不匹配而產(chǎn)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(shù)據(jù)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(wǎng)(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(wǎng)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(yīng)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(guī)格。
圖3.使用LTspice蒙特卡羅函數(shù)進行的MDI回波損耗仿真
圖4.蒙特卡羅仿真波形
如何設(shè)計超低噪聲電源
有線狀態(tài)監(jiān)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(yè)（例如紙漿和紙張加工）的狀態(tài)監(jiān)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(shù)據(jù)采集/控制器處觸發(fā)錯誤的振動水平。這意味著電源設(shè)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(shè)計還必須具備抗干擾能力，不受共享電源和數(shù)據(jù)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(guī)格為25μg√Hz。在正常工作期間，MEMS電源需要滿足或超過此規(guī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wěn)壓器，以確保為MEMS傳感器提供只有微伏級噪聲的電源。
為10BASE-T1L傳感器原型供電
圖5顯示了數(shù)字有線MEMS傳感器的一種電源設(shè)計。其中的LT8618專為工業(yè)傳感器設(shè)計，具有以下特性：
寬輸入范圍高達60V
低輸出電流100mA
效率高達90%
微型2mm × 2mm LQFN封裝
圖5.數(shù)字有線MEMS傳感器的電源設(shè)計
圖5顯示LT8618具有24VDC輸入，可調(diào)節(jié)至3.7V后輸入LT3042，從而為MEMS傳感器電路提供3.3V電源。
LT3042是一款高性能、超低噪聲LDO穩(wěn)壓器，具有以下特性：
0.8μV rms時提供超低有效值噪聲（10Hz至100kHz）
超高PSRR（1MHz時為79dB）
微型3mm × 3mm DFN封裝
