Повышаем уровень передаваемой мощности в однопарной сети Ethernet

3 сентября

телекоммуникацииучёт ресурсовмедицинаавтоматизацияинтернет вещейTE Connectivityстатьяпассивные ЭК и электромеханикаEthernetInternet-of-ThingsПромавтоматикаSingle-Pair EthernetSPEFast EthernetGigabit Ethernet

Вийнанд ван Гилс, Петер Ягер, Михаэль Хильнер (TE Connectivity)

Статья является третьей частью серии публикаций, описывающих решения компании TE Connectivity для высокоскоростных соединений. Она посвящена гибридным разъемам для однопарного Ethernet, позволяющим работать с более высокими уровнями мощности, чем при PoDL, и свести к минимуму уровень возможных помех.

В статье приведено описание гибридных разъемов, ориентированных на использование в приложениях однопарного Ethernet (Single-Pair Ethernet, SPE). Описываемые разъемы поддерживают скорость передачи данных до 1 Гбит/с/600 МГц и ток до 8 А. С целью обеспечения целостности сигнала и минимизации возможных помех между парами контактов питания и передачи данных в разъемах добавлен специальный экран. Корпус разъема соответствует типоразмеру M8, что выдвигает дополнительные требования к его структуре с точки зрения противодействия влиянию высших гармоник на качество сигнала, например, при работе с импульсными источниками питания. Возможность работы с более высокими значениями тока и наличие экрана значительно расширяет возможности применения предлагаемых разъемов в различных топологиях, по сравнению с PoDL.

Общие сведения

Однопарный Ethernet (SPE) обеспечивает передачу данных со скоростью до 1 Гбит/с всего по одной витой паре. Благодаря сокращению количества проводов (к примеру, в Fast Ethernet и Gigabit Ethernet их использовалось 4 или 8), SPE позволяет использовать в приложениях разъемы меньших размеров и, тем самым, снизить затраты на производство и подключение конечных устройств. Снижение затрат на разъемы и количество проводов в кабеле в свою очередь позволило организовывать подключение Ethernet прямо на уровне датчиков, тем самым обеспечив их прямое взаимодействие с облачными или локальными серверами.

Предполагается, что использование SPE значительно расширит возможности промышленного интернета вещей (Industrial Internet of Things, IIoT). В частности, это касается систем мониторинга состояния, в которых информация, полученная с датчиков и обработанная на серверах, используется для составления прогнозов по проведению профилактического обслуживания или ремонта оборудования. Уже сейчас в таких системах можно наблюдать использование звездообразной топологии, при которой питание для модулей ввода-вывода и датчиков на нижнем уровне передается по тому же кабелю, который используется для передачи данных. Для сегментов сети протяженностью до 40 м, скоростью передачи до 1 Гбит/с и ориентированных на приложения Factory Automation с током до 1,36 А технология Power over Data Line (PoDL) [1] является, пожалуй, наиболее подходящим вариантом. Однако, когда речь заходит о более высоких значениях тока, что не является редкостью в IIoT, необходимо использовать несколько иной подход к организации сети.

Одним из вариантов является использование кабелей и специальных SPE-разъемов для промышленных сред с двумя парами контактов, одна из которых ориентирована на передачу данных со скоростью до 1 Гбит/с/600 МГц (согласно IEEE 802.3bp [2]), а другая ответственна за подачу питания при токе величиной до 8 А. Именно такой тип разъемов, а также разъем без дополнительных контактов питания был стандартизирован в IEC 63171-6 [3] 20 января 2020 года (рисунок 1). На рисунке а) представлен разъем со степенью защиты IP20 для SPE, питание подается согласно PoDL, максимальный ток 1,36 A; на рисунке б) – гибридный разъем со степенью защиты IP67 для SPE с отдельными контактами питания, максимальный ток до 8 A.

Рис. 1. Разъемы для SPE, соответствующие стандарту IEC 63171-6

Рис. 1. Разъемы для SPE, соответствующие стандарту IEC 63171-6

На рисунке 2 более подробно показана структура гибридного разъема, на которой отчетливо виден металлический экран, разделяющий пары контактов и служащий для снижения уровня помех во время передачи сигнала. Данные разъемы, как уже упоминалось ранее, выполнены в корпусе, соответствующем типоразмеру M8, что выдвигает дополнительные требования с точки зрения противодействия влиянию высших гармоник на качество сигнала. Стоит также отметить, что для использования таких разъемов необходимо наличие соответствующего кабеля, содержащего в себе отдельные пары проводов SPE и питания, причем пара SPE также должна соответствовать IEC 61156-12 и должна быть отделена от проводов питания экраном. Подразумевается, что провода силовой пары кабеля должны иметь сечение, соответствующее 18AWG.

Рис. 2. Структура гибридного разъема со степенью защиты IP67 и экраном между парой сигнальных контактов и контактами питания: (а) общая структура разъема, (б) поперечный разрез

Рис. 2. Структура гибридного разъема со степенью защиты IP67 и экраном между парой сигнальных контактов и контактами питания: (а) общая структура разъема, (б) поперечный разрез

Что лучше: PoDL или отдельные контакты питания?

Технология PoDL представляет собой компактный способ организации подключения устройств, стандартизированный IEEE802.3bu и требующий для передачи данных и питания всего двух проводов. Данная технология открывает широкий простор для реализации приложений с компактными и легкими разъемами для подключения к сети. На данный момент PoDL поддерживает только топологию «точка-точка», при которой с одной стороны находится питающее устройство или инжектор (Power Sourcing Equipment – PSE), а с другой – устройство, запитываемое через Ethernet (Powered Device – PD), причем подача или отключение питания в сети никак не должно влиять на процесс передачи данных. Типовая схема подключения микросхемы физического уровня (PHY) к сети PoDL показана на рисунке 3. Как видно из рисунка, для корректного подключения микросхемы к SPE необходимо наличие  в схеме синфазного дросселя (common mode choke, CMC), а также специальных терминаторов (common mode terminations, CMT) для подавления синфазного шума и блокирующих конденсаторов (DC block capacitors). Кроме того, чтобы минимизировать воздействие на процесс передачи данных, соединение PHY-микросхемы и SPE должно производиться через фильтр нижних частот или последовательно подключенные катушки индуктивности.

Рис. 3. Общая схема подключения SPE в PoDL

Рис. 3. Общая схема подключения SPE в PoDL

Однако существуют ситуации, когда необходимо отклониться от правил, определяемых PoDL. Причиной такого отклонения, например, может стать потребность в передаче более высокого значения мощности для питания электродвигателя. Кроме того, при построении сети питания может потребоваться более высокий уровень гибкости и возможность распределения мощности между несколькими PD. Еще одной причиной отказа от PoDL может стать необходимость наличия развязки или экрана между сигнальной линией и линией питания: это позволяет уменьшить количество компонентов, используемых для фильтрации сигналов.

Именно с учетом всех вышеописанных требований и был разработан гибридный тип разъемов с отдельными парами контактов для подачи питания и передачи данных. Причем одним из ключевых требований к новому формату было сохранение компактного форм-фактора, соответствующего типоразмеру M8. Максимальное значение тока в новом типе разъемов может достигать значения 8 А.  Далее в статье будут более подробно описаны характеристики и возможности использования гибридного типа разъемов в различных топологиях.

Передача мощности

При использовании PoDL максимальный уровень мощности, передаваемой на подключенное к сети устройство, составляет 50 Вт при максимальном значении тока 1,36 А, при этом уровень напряжения (DC) на стороне PSE должен составлять 60 В, что соответствует 48 В (DC) на PD. Так как гибридный разъем способен работать с более высокими значениями тока, мощность, подаваемая на PD-устройство, также увеличивается. Конечно, как и с PoDL, при расчете максимальной мощности следует учитывать уровни падения напряжения и потери в кабеле, но для того, чтобы получить общее представление о возможном порядке передаваемой мощности, достаточно проанализировать типовую схему для передачи [4], показанную на рисунке 4.

Рис. 4. Типовая схема для передачи мощности в нагрузку

Рис. 4. Типовая схема для передачи мощности в нагрузку

В левой части схемы, изображенной на рисунке 4, показан источник питания (PSE), изображенный в виде источника напряжения с включенным последовательно внутренним сопротивлением. Желтым выделены провода, используемые для передачи мощности на питаемое устройство (PD), выступающее в роли нагрузки и требующее для работы наличия определенного уровня напряжения. Взяв за основу предложенную схему, мы можем определить предполагаемые уровни мощности и тока, передаваемые по кабелю заданной длины. Если мы возьмем провод с сечением, соответствующем 18AWG, и для упрощения расчетов удалим из схемы сопротивление источника, то мы получим следующие результаты (рисунок 5):

Рис. 5. Зависимость напряжения на нагрузке от передаваемой мощности и тока цепи при использовании медного провода сечением 18AWG

Рис. 5. Зависимость напряжения на нагрузке от передаваемой мощности и тока цепи при использовании медного провода сечением 18AWG

На графиках, расположенных в левой части рисунка 5, показана зависимость напряжения на нагрузке от уровня передаваемой мощности: при увеличении мощности напряжение на нагрузке падает, что связано с увеличением значения тока в питающей паре контактов. Максимальное значение мощности соответствует примерно 50% от уровня максимального напряжения на нагрузке. Однако передача в сеть максимально допустимого значения мощности редко используется на практике из-за возможных проблем со стабильностью работы PD.

Если учесть тот факт, что большинство электронных устройств допускают снижение уровня напряжения до значения на 10% ниже номинального (черный кружок на графике), и предполагая, что падение напряжения на кабеле составляет 10%, можно принять КПД приведенной выше схемы на уровне около 80%. Следует также учесть, что для PoDL-систем падение напряжения может достигать 20%. Графики на рисунке 5 приведены для кабелей длиной 20 и 40 м, и, как и ожидалось, длина кабеля достаточно сильно влияет на уровень максимальной передаваемой мощности. Так, для кабеля длиной 40 м при напряжении источника 60 В максимальная передаваемая мощность может достигать 200 Вт, в то время как для кабеля длиной 20 метров это значение составляет чуть меньше 400 Вт.

Гальваническая развязка

При использовании PoDL питание и поток данных передается по одной и той же паре проводов. Преимуществом такого подхода является использование для подключения устройств простого двухжильного кабеля, однако его недостатками является ограничение тока на уровне 1,5 А и довольно значительное повышение требований к цепям шумоподавления и скорости изменения уровня передаваемой мощности, связанное с необходимостью минимизации помех в процессе передачи данных. Наиболее распространенным источником шума при использовании PoDL являются пульсации напряжения, исходящие от импульсных источников питания или исполнительных механизмов, поэтому при использовании данной технологии необходимо обращать пристальное внимание на цепи фильтрации. Однако большинство проблем с шумом можно решить если экранировать линию питания от линии передачи данных при помощи гальванической развязки.

Прежде чем приступить к экранированию, нужно определить природу шума, с которым мы боремся. Одной из причин шумов в сигнальной линии могут являться пульсации напряжения от импульсных источников питания, величина которых в большинстве случаев колеблется от 0,25 В до 1 В. Однако куда более неприятным источником шумов является наличие в схеме различного рода приводов, например, двигателей постоянного тока, которые часто порождают короткие по времени всплески напряжения, что, в свою очередь, становится причиной возникновения шума в широкой полосе частот. Чтобы оценить уровень шума в цепи, лучше всего воспользоваться стандартом IEC 61000-4-4, в котором подробно описана технология проведения испытаний на определение устойчивости схемы к электрическим быстрым переходным процессам.  В данном стандарте, в частности, определена идеальная форма одиночного импульса при нагрузке 50 Ом (рисунок 6). Анализ спектра данного импульса показывает, что основные шумы приходятся на нижний диапазон частот (МГц). Это в свою очередь означает, что при построении схем фильтрации основной упор следует делать именно на борьбу с низкочастотными шумами.

Рис. 6. Идеальная форма одиночного импульса, определенная в IEC 61000-4-4: (a) форма импульса во временной области, (б) частотный спектр импульса

Рис. 6. Идеальная форма одиночного импульса, определенная в IEC 61000-4-4: (a) форма импульса во временной области, (б) частотный спектр импульса

После того как мы определились с частотой шума, необходимо выяснить, какой уровень шума не создаст помех для работы микросхем SPE PHY. Для этого мы можем руководствоваться стандартами IEEE 802.3bu и IEEE 802.3bp. Первый стандарт описывает технологию PoDL, а также приводит требования, согласно которым допустимый размах пульсаций напряжения в диапазоне частот от 1 кГц до 10 МГц составляет 0,1 В. IEEE 802.3bp свою очередь определяет стандарт физического уровня 1000BASE-T1 и приводит рекомендации по подавлению посторонних перекрестных помех. На рисунке 7 приведена схема для тестирования PHY-микросхем, описанная в стандарте IEEE 802.3bp. Источник помех на схеме создает гауссовский шум магнитудой -100 дБм/Гц для сегмента сети длиной до 40м.

Вышеупомянутые требования вполне могут использоваться при моделировании и анализе устойчивости к внешним помехам линии SPE с установленным на конце гибридным разъемом.

Рис. 7. Схема для тестирования PHY-микросхем на возможность противодействия перекрестным помехам согласно IEEE802.3bp

Рис. 7. Схема для тестирования PHY-микросхем на возможность противодействия перекрестным помехам согласно IEEE802.3bp

Распределение мощности

Еще одним преимуществом, которое дает использование разъемов с разделением силовой и сигнальной пар контактов, является гибкость в реализации схем распределения мощности. На текущий момент при использовании технологии PoDL доступно использование только топологии типа «точка-точка». И несмотря на то, что исследование возможности использования в PoDL соединения нескольких PD с помощью одного PSE ведется уже сейчас, PoDL в основном рассчитано на применение в приложениях стандарта 10BASE-T1. Отдельная же линия питания в гибридных разъемах уже сейчас позволяет без проблем подключать несколько PD-устройств, причем мы по-прежнему можем использовать PoDL на сигнальных контактах. В случае совместного использования PoDL и отдельных контактов питания сеть может быть разделена на сегмент, который отвечает за распределение мощности между исполнительных механизмами, часто являющимися основным источником шума, и сегмент PoDL, который бы отвечал за питание только микросхем SPE PHY. Примеры возможных топологий использования раздельных контактов и PoDL приведены на рисунке 8: при необходимости передачи высокого значения мощности на одно PD-устройство лучше всего использовать топологию «точка-точка» (рисунок 8а); при наличии нескольких узлов возможно питание от одной общей шины (рисунок 8б) или использование коммутатора в случае, если подключаемые устройства будут  создавать большое количество шума (рисунок 8в) ; если же мощности одного PSE недостаточно, в схему всегда можно добавить еще один (рисунок 8г)

Рис. 8. Примеры использования гибридного разъема в разных топологиях: (а) точка-точка, (б) питание от общей шины, (в) использование коммутатора, (г) питание от общей шины с дополнительным PSE

Рис. 8. Примеры использования гибридного разъема в разных топологиях: (а) точка-точка, (б) питание от общей шины, (в) использование коммутатора, (г) питание от общей шины с дополнительным PSE

Заключение

В статье приведено описание новых гибридных разъемов для использования в SPE-приложениях. По сравнению с традиционными разъемами, в основе структуры которых лежит технология PoDL, предлагаемое решение содержит в себе дополнительные контакты питания, но сохраняет при этом компактные размеры, соответствующие формату M8. И хотя недостатком применения гибридных разъемов является несколько больший вес и диаметр подключаемого кабеля (из-за необходимости наличия в нем дополнительных проводов), эти недостатки с лихвой перекрываются возможностью работы с более высокими уровнями тока, чем  в PoDL и, как следствие, возможностью передачи более высоких значений мощности на подключаемое устройство, что в свою очередь обеспечивает большую гибкость при построении сети и возможность использования различных топологий. Кроме того, разделение контактов позволяет значительно снизить уровень электромагнитных помех, влияющих на передачу данных, что делает данные разъемы особенно привлекательными с точки зрения применения в сетях, в которых присутствуют разного рода исполнительные механизмы, а SPE-датчики устанавливаются прямо на оборудование.

Литература

  1. «3bu – IEEE Standard for Ethernet—Amendment 8: Physical Layer and ManagementParameters for Power over Data Lines (PoDL) of Single Balanced Twisted-Pair Ethernet», 2016.
  2. «IEEE 802.3bp – IEEE Standard for Ethernet Amendment 4: Physical Layer Specifications andManagement Parameters for 1 Gb/s Operation over a Single Twisted-Pair Copper Cable», 2016.
  3. «IEC 63171-6: Connectors for electrical and electronic equipment – Part 6: Detail specification for2-way and 4-way (data/power), shielded, free and fixed connectors for power and data transmissionwith frequencies up to 600 MHz», 2020.
  4. Yair Darshan, «IEEE P802.3bu», сентябрь

Оригинал статьи

Перевел Святослав Зубарев по заказу АО Компэл

 

•••

Наши информационные каналы

О компании TE Connectivity

Продукция TE Connectivity, широко известная на российском рынке под брендом Tyco Electronics, насчитывает более полумиллиона наименований, включающих не только электрические соединители и терминалы, но также реле, изделия для ВОЛС, устройства защиты электрических и сигнальных цепей, сенсорные экраны. Изделия компании используются в производстве потребительской электроники, в электроэнергетике, в медицинской, автомобильной и аэрокосмической электронике, в телекоммуникационной индустрии. На сег ...читать далее

Товары
Наименование
0024B8424-9 (TE)
0026G8424-9 (TE)
2364151-1 (TE)
1-2364150-1 (TE)
2368258-1 (TE)
T4040110044-000 (TE)
TB1141D4722-001 (TE)
TB1147D4722-005 (TE)
D369-MP99-NP1 (TE)
D369-MR99-NS1 (TE)