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2018年11月06日 | 技术文章：如何利用以太网为工业市场供电
2018-11-06
本文作者：德州仪器 Matt Chevrier
为工业以太网器件供电需要解决工业以太网和工业应用的几个特定问题。
标准以太网与工业以太网之间最大的区别在于拓扑结构，如图1所示。标准以太网为星形拓扑，而工业以太网则包含线形、树形和环形等多种不同的拓扑结构。
标准以太网拓扑结构 工业以太网拓扑结构
图 1：两种类型的以太网拓扑结构
除拓扑结构以外，工厂自动化设备的工作电压为24伏，而电信设备的供电电压为48伏。虽然这两种不同的版本已存在很长时间，但首个工业以太网供电解决方案最近才新鲜出炉，那就是：EtherCAT P。本篇博文将在讨论1000BASE-T和/或环形拓扑或单双绞线的替代产品之前，先介绍一下何为EtherCAT P。
介绍EtherCAT P：用于电源和EtherCAT的一根电缆
随着全球范围内越来越多的工厂采用以太网进行连接，人们也就愈发需要优化过程边缘的配电。一个自然而然的选择方案便是重新使用以太网供电(PoE)技术为以太网连接设备供电。PoE技术的优势在于它使用相同的电线进行电力和数据传输，从而节省了安装和总接线成本，如图2中工厂自动化系统示例所示。为此，PoE电源通过将48伏连接到一对以太网变压器的中心抽头以及与另一对相类似的返回路径的方式，耦合到数据线中。然后，电源会在具有类似拓扑结构的设备上去解耦。
图 2：利用EtherCAT P可以减少电缆数量，同时将高端感测技术引入可移动机器人头部
但是对于采用线形拓扑结构的工业以太网来说，以太网通信的25MHz工作频率可用于电源输出，因此可以在发射端耦合输出。在这种情况下，发射器将会受到来自接收器通道通信标准的噪声的干扰。
为此，EtherCAT P（对EtherCAT的扩展）采用了一个简单的电感电容(LC)滤波器，以确保在进入电源树之前能够阻止100BASE-T发出的25MHz信号。
PoE与EtherCAT P之间的另一不同之处在于，PoE只提供一个48V电源电压，而EtherCAT P提供两个独立而又彼此分离的24V电压轨，如表1所示。就功率而言，PoE可以提供71瓦的功率（对于803.2bt Type 4来说)，而EtherCAT P每个电压轨可提供24V x 3A ≥72W的功率。
这两种技术之间的重大区别在于，使用PoE时，你需要两个半导体在供电设备(PSE)和受电设备(PD)之间进行识别。PD内的芯片还需要负责设置最大功率限制。这就带来了两大优势：全功率仅在建立有效连接时才可用，并且支持PoE的设备可以连接至非PoE设备，而不会对其造成损坏。
采用EtherCAT P时，你只需标准的无源组件即可将功率耦合，而无需使用额外的半导体。这就意味着数据线上始终存在24伏电源。但最大功率必须限制在PSE内部。
PoE | EtherCAT P | |
电源电压 | 48伏 | 2*24（Us和Up，彼此相隔离） |
PD上可用的功率 | 803.2bt Type 4的功率高达71W | 2x72w(2x24V,3A) |
电源前的识别 | 是 | 否 |
拓扑结构 | 点对点 | 星形、线形和树形 |
表1：两种以太网技术的主要参数
EtherCAT P单根电缆供电和EtherCAT参考设计展示了EtherCAT P PSE在电源输入耦合-输出耦合电路中的实现方式。该参考设计符合官方“EtherCAT和EtherCAT P从站实施指南”中提出的所有要求，其中包括反向极性保护、流入电流限制、连续电流限制等功能，所有要求均基于TI的半导体。
对于EtherCAT通信，该参考设计可以通过以太网电路连接至支持EtherCAT的通信平台，如AMIC110工业通信引擎(ICE)。为展示电力传输功能，你可以使用一根EtherCAT P电缆连接两块设计板。还可以将EtherCAT主站连接至第一个参考设计，将EtherCAT从站连接至第二个参考设计，以获得完整的EtherCAT P演示系统。为便于评估，还可以将可选的5V/12V降压模块安装到电路板上。
史海拾趣
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