利用数据线供电建立单对以太网系统
日期：2025-09-12
带电源传输的单对以太网
作者： Würth Elektronik Heinz Zenkner博士
在工业应用中，单对以太网已经承诺大大简化工厂的布线。如果连接的设备也通过相同的双线电缆供电，那么正如Würth Elektronik的参考设计所示，这一切都是正确的。
单对以太网（SPE）是一种新兴的以太网通信标准，它只使用一对电线进行数据传输，而传统的以太网通常使用多达四对电线。这使得SPE适用于存在空间和重量限制的应用，如汽车、工业和物联网（IoT）设备。
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另一方面，以太网供电（PoE）是一种通过以太网电缆传输电能和数据的技术。因此，不需要单独的电源线，这简化了安装并降低了成本，特别是对于IP摄像头、VoIP电话和无线接入点等应用。数据线供电（PoDL）通过使电力能够通过SPE系统中用于数据传输的单双绞线电缆提供，将PoE的概念扩展到单对以太网。这允许通过SPE连接的设备通过用于数据传输的同一电缆供电。在文献中，带PoE的单对通常也称为SPoE，在以下解释中使用。
Würth Elektronik的单对以太网（SPE）和数据线供电（PoDL）的参考设计是一个可以通过双线电缆在两点之间传输数据的系统。中央设备通过同时传输数据的两条电线为外围设备供电。
SPoE技术
SPoE在定义和实现上与PoE不同。它包括：
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图1：SPoE系统的基本电路
数据连接是通过单对导线实现的，每端交流耦合，以避免接地回路。PoE系统与数据同时传输电力。图1显示了SPoE系统的基本电路。电路图的左侧是带有PHY（OSI模型中的物理层）的电源设备（PSE）。右侧是受电设备（PD，负载）和另一个PHY。PHY建立数据连接，PSE为PD供电。数据连接与电源电容性解耦（C1-C4），电源与数据电感性解耦（L1-L4）。该接口被称为“媒体相关接口”或“端口接口”（MDI/PI）。
电力输送与数据传输的集成需要一个强大的基于分类的电力输送协议，旨在确保电源设备（PSE）和受电设备（PD）之间的兼容性。该协议在输送电力之前采用了一系列步骤来建立兼容性和安全性，从而降低了短路或断路等潜在危险的风险。
该协议从PSE的检测阶段开始，在该阶段，它识别网络中连接的PD的存在。在此之后，PSE继续对PD进行分类，请求类别和类型等基本信息。此外，该协议还纳入了PD支持的电缆电阻测量（CRM），以进一步评估连接的完整性。
该协议在IEEE 802.3cg（SPoE，2019）中定义，该协议是802.3bu数据线供电（PoDL，2016）标准的扩展。PoDL定义了检测、分类和加电过程的协议，确保在各种网络环境中采用标准化的方法。此外，SPoE将其功能扩展到包括长距离协议，例如10BASE-T1L，有可能跨越长达1公里的电缆长度。这为众多应用打开了大门，特别是在传统电力输送方法可能不切实际或效率低下的情况下。
SPoE的电气要求在以下IEEE标准中定义：
SPoE要求使用IEC 61156中定义的电缆，即“用于数字通信的多芯平衡对/四芯电缆”。标准CAT 6或CAT 7电缆，即使是屏蔽的，也不合适。
IEEE 802.3bu是IEEE在2016年采用的标准，用于通过单对以太网连接为设备供电。电缆因应用而异，A类电缆包括用于永久安装的实心线，B类电缆具有用于柔性应用或振动的绞合导线。
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，并可以为终端设备提供同步电源。图2显示了一个典型的设置。
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图2：向现有IT系统添加SPoE设备
PSE在打开电源之前使用10mA的测试电流测试链路，以检查电压降是否在指定范围内。如果发现PD，则设备类别由所谓的“串行通信分类协议”（SCCP）确定。在确定PD等级后，功率会上升。根据系统的不同，电源电压可以是12V、24V、48V，大电流为2A时的功率等级为0.5W至50W。当不提供全功率时，PSE会在3.3V（睡眠模式）下持续提供低于1mA的电源。
SPoE职能划分
SPoE参考设计RD041的硬件拓扑由两块板组成，PSE电路和PD电路。PSE和PD与PHY的主瞬态保护、共模扼流圈、变压器和二次瞬态保护的接口是相同的。
电源和数据通过电源耦合网络在接口处耦合在一起。
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图3: PSE板的顶部，SPE接口位于左侧，可以通过3针插入式端子或SPE连接器进行连接
传统的IEEE 802.3多对以太网（包括PoE）需要与机箱接地进行电隔离。根据IEEE 802.3bu（PoDL）和IEEE 802.3cg（SPoE）标准，PSE/PD必须提供至少1MΩ 所有可触及的外部导体和接口（MDI）之间的（@5 V±20%）隔离。
根据应用情况，设备必须符合相关标准，如IEC 61010-1（电气测量、控制和实验室设备的安全规定）或IEC 62368-1（音频/视频、信息和通信技术设备的安全要求）。除双绞线以太网MDI外，没有导电引脚的设备可以通过使用不导电的机箱外壳来满足隔离要求。
对于需要与机箱电隔离的SPoE应用，必须使用隔离电源。必须遵守相关的安全标准要求，包括间隙和爬电距离以及保护距离。
SPE传输路径以10 Mbit/s的数据速率运行，振幅约为2.5 VPP，双线线路上的工作电压为20至24 VDC。
参考设计RD041的论文中详细描述了PSE和PD的实现。
图3显示了WE PSE板的顶侧，图4显示了WE-PD板的顶部。
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图4：PD板的顶部，左侧是SPE接口，通过3针端子或SPE连接器进行连接
所提供的参考设计尚未在1000米范围模式下进行测试，因此目前建议仅在电缆长度不超过100米的情况下运行。
www.we-online.com
作者： Würth Elektronik Heinz Zenkner博士
在工业应用中，单对以太网已经承诺大大简化工厂的布线。如果连接的设备也通过相同的双线电缆供电，那么正如Würth Elektronik的参考设计所示，这一切都是正确的。
单对以太网（SPE）是一种新兴的以太网通信标准，它只使用一对电线进行数据传输，而传统的以太网通常使用多达四对电线。这使得SPE适用于存在空间和重量限制的应用，如汽车、工业和物联网（IoT）设备。
另一方面，以太网供电（PoE）是一种通过以太网电缆传输电能和数据的技术。因此，不需要单独的电源线，这简化了安装并降低了成本，特别是对于IP摄像头、VoIP电话和无线接入点等应用。数据线供电（PoDL）通过使电力能够通过SPE系统中用于数据传输的单双绞线电缆提供，将PoE的概念扩展到单对以太网。这允许通过SPE连接的设备通过用于数据传输的同一电缆供电。在文献中，带PoE的单对通常也称为SPoE，在以下解释中使用。
Würth Elektronik的单对以太网（SPE）和数据线供电（PoDL）的参考设计是一个可以通过双线电缆在两点之间传输数据的系统。中央设备通过同时传输数据的两条电线为外围设备供电。
SPoE技术
SPoE在定义和实现上与PoE不同。它包括：
- 2线电路中使用的独特电源耦合技术。
- 通过对称的双绞线同时传输电力和数据。
图1：SPoE系统的基本电路
数据连接是通过单对导线实现的，每端交流耦合，以避免接地回路。PoE系统与数据同时传输电力。图1显示了SPoE系统的基本电路。电路图的左侧是带有PHY（OSI模型中的物理层）的电源设备（PSE）。右侧是受电设备（PD，负载）和另一个PHY。PHY建立数据连接，PSE为PD供电。数据连接与电源电容性解耦（C1-C4），电源与数据电感性解耦（L1-L4）。该接口被称为“媒体相关接口”或“端口接口”（MDI/PI）。
电力输送与数据传输的集成需要一个强大的基于分类的电力输送协议，旨在确保电源设备（PSE）和受电设备（PD）之间的兼容性。该协议在输送电力之前采用了一系列步骤来建立兼容性和安全性，从而降低了短路或断路等潜在危险的风险。
该协议从PSE的检测阶段开始，在该阶段，它识别网络中连接的PD的存在。在此之后，PSE继续对PD进行分类，请求类别和类型等基本信息。此外，该协议还纳入了PD支持的电缆电阻测量（CRM），以进一步评估连接的完整性。
该协议在IEEE 802.3cg（SPoE，2019）中定义，该协议是802.3bu数据线供电（PoDL，2016）标准的扩展。PoDL定义了检测、分类和加电过程的协议，确保在各种网络环境中采用标准化的方法。此外，SPoE将其功能扩展到包括长距离协议，例如10BASE-T1L，有可能跨越长达1公里的电缆长度。这为众多应用打开了大门，特别是在传统电力输送方法可能不切实际或效率低下的情况下。
SPoE的电气要求在以下IEEE标准中定义：
- IEEE 802.3cg（10BASE-T1）：带宽0.1至20 MHz，范围可达1000米。
- IEEE 802.3bw（100BASE-T1）：带宽0.3至66 MHz，范围可达40米。
- IEEE 802.3bp（1000BASE-T1）：带宽1至600 MHz，范围可达40米。
SPoE要求使用IEC 61156中定义的电缆，即“用于数字通信的多芯平衡对/四芯电缆”。标准CAT 6或CAT 7电缆，即使是屏蔽的，也不合适。
IEEE 802.3bu是IEEE在2016年采用的标准，用于通过单对以太网连接为设备供电。电缆因应用而异，A类电缆包括用于永久安装的实心线，B类电缆具有用于柔性应用或振动的绞合导线。
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，并可以为终端设备提供同步电源。图2显示了一个典型的设置。
图2：向现有IT系统添加SPoE设备
PSE在打开电源之前使用10mA的测试电流测试链路，以检查电压降是否在指定范围内。如果发现PD，则设备类别由所谓的“串行通信分类协议”（SCCP）确定。在确定PD等级后，功率会上升。根据系统的不同，电源电压可以是12V、24V、48V，大电流为2A时的功率等级为0.5W至50W。当不提供全功率时，PSE会在3.3V（睡眠模式）下持续提供低于1mA的电源。
SPoE职能划分
SPoE参考设计RD041的硬件拓扑由两块板组成，PSE电路和PD电路。PSE和PD与PHY的主瞬态保护、共模扼流圈、变压器和二次瞬态保护的接口是相同的。
电源和数据通过电源耦合网络在接口处耦合在一起。
图3: PSE板的顶部，SPE接口位于左侧，可以通过3针插入式端子或SPE连接器进行连接
传统的IEEE 802.3多对以太网（包括PoE）需要与机箱接地进行电隔离。根据IEEE 802.3bu（PoDL）和IEEE 802.3cg（SPoE）标准，PSE/PD必须提供至少1MΩ 所有可触及的外部导体和接口（MDI）之间的（@5 V±20%）隔离。
根据应用情况，设备必须符合相关标准，如IEC 61010-1（电气测量、控制和实验室设备的安全规定）或IEC 62368-1（音频/视频、信息和通信技术设备的安全要求）。除双绞线以太网MDI外，没有导电引脚的设备可以通过使用不导电的机箱外壳来满足隔离要求。
对于需要与机箱电隔离的SPoE应用，必须使用隔离电源。必须遵守相关的安全标准要求，包括间隙和爬电距离以及保护距离。
SPE传输路径以10 Mbit/s的数据速率运行，振幅约为2.5 VPP，双线线路上的工作电压为20至24 VDC。
参考设计RD041的论文中详细描述了PSE和PD的实现。
图3显示了WE PSE板的顶侧，图4显示了WE-PD板的顶部。
图4：PD板的顶部，左侧是SPE接口，通过3针端子或SPE连接器进行连接
所提供的参考设计尚未在1000米范围模式下进行测试，因此目前建议仅在电缆长度不超过100米的情况下运行。
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