单对以太网供电技术的演进和应用

单对以太网（SPE）是一种新兴的以太网通信标准，与通常使用四对线的传统以太网不同，它只使用一对线进行数据传输。对于那些空间和重量受限的应用，例如汽车、工业和物联网（IoT）设备，这是一项非常实用的技术。如果通过此方式还能实现远端设备的供电，那这个技术简直就是产业的福音。

数据线供电（PoDL）技术通过在SPE系统中数据传输所用的单对双绞线上实现了电力传输，能以12V、24V或48V直流电源等级提供0.5W至50W的电力。该技术诞生之初，是为汽车市场中最常用的传感器、摄像头等设备提供电源，由于能够在单根电缆上提供电力和数据传输功能，可大大简化网络部署，从而降低成本。

另一种名为SPoE的以太网供电技术也适用于单对双绞线电缆，它为大量的工业应用提供了一种新选择。利用SPoE，通过一根绞线就能传输高达52W的功率，传输距离可长达1000米。

单对以太网供电技术的演进

IEEE在2009年发布了标准802.3af，称为以太网供电（PoE）。PoE是一种允许通过以太网电缆将电力与数据一起传输的技术。它消除了对单独电源线的需要，简化了设备安装并降低了成本，主要应用于IP摄像头、VoIP电话和无线接入点等。最初，PoE是专为使用CAT5或CAT6以太网电缆的以太网系统开发的，为此至少需要两对线。也就是说，旧的PoE标准不是为单对线设计的。

因此，IEEE于2016年发布IEEE 802.3bu标准，提出了一种名为“数据线供电（PoDL）”的新PoE解决方案。这一新标准旨在改进刚刚推出的另一个以太网标准1000BASE-T1，该标准通过单根铜双绞线提供千兆速度，而不是以前以太网标准中使用的典型四类线。

与之前针对四类线的802.3 PoE标准不同，PoDL的设计不是为了在所有可能定义的电源类别之间实现互操作性，它只是为了满足汽车市场的需求而构建的。众所周知，汽车行业对重量和电源效率十分敏感，在简化和减轻布线线束重量等方面，PoDL提供了一种非常有效的方法，它能在长达15米的相同数据布线上同时为单对以太网终端设备供电，从而节省额外的成本并提高效率。因此，在汽车中若要借助单双绞线电缆实现数据和电力的传输，数据线供电（PoDL）无疑将是一个合适的解决方案。

SPoE则将其功能扩展到更长距离的应用，有可能跨越长达1000米的电缆长度，因此为众多应用打开了希望之门，特别是那些在传统电力输送方法很难到达或效率十分低下的工业应用。

现在，SPoE可以集成到具有常见工业以太网协议（如以太网/IP、Profinet和EtherCAT）的混合系统中，并同时为终端设备供电。许多工厂已将该技术用于4 mA至20mA供电需求等应用，即使没有现成的布线，在没有电工的帮助下，操作过程也比较简单。

PoDL和SPoE这两种技术非常相似，不过在性能和应用上又各有侧重。SPoE的工作电压为24V或55V，桥接距离可达1000米，而PoDL适用于短距离（15米或40米）系统，工作电压为12V、24V或48V。PoDL主要用于汽车领域和类似应用（如智能建筑），SPoE则主要针对工业环境中的应用（如SPoE摄像头）。

PoDL对汽车行业意味着什么？

对于下一代汽车电子电气架构而言，通信网络正在向全车互联方向发展，其主要特征是从分布式控制向中央集中式控制的转变，整车架构将由中央计算平台、区域控制器以及传感器和执行器等传感器件组成，车内网络将由实时以太网、末端以太网、CAN to ETH和CAN to I/O等实现。毫无疑问，主干网必将使用具备TSN能力的车载以太网。

随着现代车辆配备的传感器数量和种类不断增多，这些广泛分布在车内的传感器中的每一个都需要与其控制单元实现数据连接，因此需要大量的电源供电设备和电缆。在重量上，线束是汽车中仅次于底盘和发动机的第三重的部件，因此，任何减轻其重量、尺寸和成本的尝试都是值得的。使用单对双绞线、既能传输数据又能提供电力的PoDL，为下一代汽车电子电气架构的实现提供了技术保障。

具有数据线供电的单对以太网（SPE）传输标准看起来非常简单，但实现起来并不容易。Texas Instrument公司的TIDA-010262参考设计展示了一个以太网网关的实施方案，该网关充当四个具有数据线供电（PoDL）功能的10BASE-T1L单对以太网（SPE）端口和一个1000BASE-T以太网端口之间的桥梁。四个SPE端口充当电源设备（PSE），为现场器件提供24V电压。该网关由AM6442微处理器控制并采用Linux操作系统，支持灵活且可扩展的开源软件。

图：TIDA-010262（左）和TIDA-010261（右）（图源：Texas Instrument）

TIDA-010262参考设计根据IEEE802.3cg实现了四个10BASE-T1L端口，支持PoDL，包括用于分类的SCCP，支持所有24V电源等级10-12，最高可达12W，电流限制可调。方案中的MSPM0G1107 MCU用于实现四个端口的数字部分，包括状态机处理和SCCP通信。每个端口都包含PSE的模拟部分、以太网PHY和结合电源和数据的耦合网络（CDN）。

图3中右侧的受电设备（PD）TIDA-010261，实现了支持电源等级12的相应PD，SCCP通信由MSP430FR2476处理。与PSE侧类似，CDN用于分离电源和数据，并将其相应地馈送到PD威廉希尔官方网站 和以太网PHY。

SPoE对工业应用意味着什么？

以太网供电（PoE）一直都是独立电网供电的替代方案。借助PoE，当传输距离为100米时，可以向设备提供高达71W的功率。PoE使用Cat 5和更高规格的双绞线电缆，支持许多已布设以太网电缆的应用。

SPoE类似于PoE或PoDL，但针对的是工业市场，通过单对电缆同时传输电力和数据，并以30V或50V直流电源等级提供1.23W至52W的电力。符合SPoE标准的交换机和端点允许远程网络简单快速地添加和升级，无需本地拥有电源设备。

SPoE解决方案同样需要一个供电设备（PSE）控制器和一个受电设备（PD）控制器，前者是一种通过双线电缆传输电能的威廉希尔官方网站 ，后者从双线电缆接收能量。图5中左侧是带有PHY的供电设备（PSE），右侧是受电设备（PD）和另一个PHY。PHY提供数据链路，PSE为PD提供电源。数据链路为电容性解耦（C1–C4），电源为电感性解耦（L1–L4）。

图：SPoE系统的原理图（图源：Würth Elektronik)

PSE控制器通常是为多个通道（电缆）设计的，既可以为点对点连接，也可以进行星形和菊花链连接，这一点对于需要为多个远程器件（即传感器）供电的系统至关重要。Analog Devices公司的SPoE方案，其传输功率高达52W，距离长达1,000米。方案中的LTC4296-1是一款符合IEEE 802.3cg标准的五端口、单对以太网供电（SPoE）供电设备（PSE），专为与24V或54V系统中的802.3cg受电设备 (PD) 的互操作性而设计，可以为五个负载供电，每条供电线可达1,000米。

图：LTC4296-1 SPoE PSE控制器可驱动多达五个通道（图源：Analog Devices）

作为PD控制器的LTC9111，2.3V至60V的宽工作范围与极性校正相结合，使其特别适合楼宇及工厂自动化应用中分布式系统的供电。此外，LTC9111还支持串行通信分类协议（SCCP），通过分类确定电能传输的功率等级。如果运行的电气设备需要24V或55V以外的电压，则需要使用额外的DC-DC转换器。

本文小结

无论终端市场如何，降低组件和组装成本是大多数硬件设计的关键目标。通过数据线传输电力有助于减轻线束的重量和复杂性。这项技术对汽车行业来说并不新鲜，此前同轴电缆已经支持这一技术。有了PoDL，这项技术可以扩展到使用以太网作为物理层的应用。

单对以太网（SPE）技术最初是为汽车应用而开发的，但在工业领域同样重要并获得了广泛应用。SPoE代表着一种简化的以太网供电方式，采用这种解决方案的工业系统更容易安装，价格也更实惠。

到目前为止，市场上PoDL的实施进展相对缓慢，这一结果也容易理解，因为汽车行业通常需要很长的开发周期，以此来确保新车的安全。相比之下，工业市场使用SPoE技术的步伐更快。随着物联网的大规模应用，无电源的终端和应用场景越来越多，SPoE更是一种首选解决方案，同时也为工业以太网应用开辟全新的可能性。