為工業(yè)以太網(wǎng)器件供電需要解決工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)應(yīng)用的幾個(gè)特定問題。
標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)之間最大的區(qū)別在于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)為星形拓?fù)洌I(yè)以太網(wǎng)則包含線形、樹形和環(huán)形等多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖 1：兩種類型的以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
除拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以外，工廠自動化設(shè)備的工作電壓為24伏，而電信設(shè)備的供電電壓為48伏。雖然這兩種不同的版本已存在很長時(shí)間，但首個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)供電解決方案最近才新鮮出爐，那就是：EtherCAT P。本篇博文將在討論1000BASE-T和/或環(huán)形拓?fù)浠騿坞p絞線的替代產(chǎn)品之前，先介紹一下何為EtherCAT P。
介紹EtherCAT P：用于電源和EtherCAT的一根電纜
隨著全球范圍內(nèi)越來越多的工廠采用以太網(wǎng)進(jìn)行連接，人們也就愈發(fā)需要優(yōu)化過程邊緣的配電。一個(gè)自然而然的選擇方案便是重新使用以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)為以太網(wǎng)連接設(shè)備供電。PoE技術(shù)的優(yōu)勢在于它使用相同的電線進(jìn)行電力和數(shù)據(jù)傳輸，從而節(jié)省了安裝和總接線成本，如圖2中工廠自動化系統(tǒng)示例所示。為此，PoE電源通過將48伏連接到一對以太網(wǎng)變壓器的中心抽頭以及與另一對相類似的返回路徑的方式，耦合到數(shù)據(jù)線中。然后，電源會在具有類似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)備上去解耦。
圖 2：利用EtherCAT P可以減少電纜數(shù)量，同時(shí)將高端感測技術(shù)引入可移動機(jī)器人頭部
但是對于采用線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)來說，以太網(wǎng)通信的25MHz工作頻率可用于電源輸出，因此可以在發(fā)射端耦合輸出。在這種情況下，發(fā)射器將會受到來自接收器通道通信標(biāo)準(zhǔn)的噪聲的干擾。
為此，EtherCAT P（對EtherCAT的擴(kuò)展）采用了一個(gè)簡單的電感電容(LC)濾波器，以確保在進(jìn)入電源樹之前能夠阻止100BASE-T發(fā)出的25MHz信號。
PoE與EtherCAT P之間的另一不同之處在于，PoE只提供一個(gè)48V電源電壓，而EtherCAT P提供兩個(gè)獨(dú)立而又彼此分離的24V電壓軌，如表1所示。就功率而言，PoE可以提供71瓦的功率（對于803.2bt Type 4來說)，而EtherCAT P每個(gè)電壓軌可提供24V x 3A ≥72W的功率。
這兩種技術(shù)之間的重大區(qū)別在于，使用PoE時(shí)，你需要兩個(gè)半導(dǎo)體在供電設(shè)備(PSE)和受電設(shè)備(PD)之間進(jìn)行識別。PD內(nèi)的芯片還需要負(fù)責(zé)設(shè)置最大功率限制。這就帶來了兩大優(yōu)勢：全功率僅在建立有效連接時(shí)才可用，并且支持PoE的設(shè)備可以連接至非PoE設(shè)備，而不會對其造成損壞。
采用EtherCAT P時(shí)，你只需標(biāo)準(zhǔn)的無源組件即可將功率耦合，而無需使用額外的半導(dǎo)體。這就意味著數(shù)據(jù)線上始終存在24伏電源。但最大功率必須限制在PSE內(nèi)部。
表1：兩種以太網(wǎng)技術(shù)的主要參數(shù)
EtherCAT P單根電纜供電和EtherCAT參考設(shè)計(jì)展示了EtherCAT P PSE在電源輸入耦合-輸出耦合電路中的實(shí)現(xiàn)方式。該參考設(shè)計(jì)符合官方“EtherCAT和EtherCAT P從站實(shí)施指南”中提出的所有要求，其中包括反向極性保護(hù)、流入電流限制、連續(xù)電流限制等功能，所有要求均基于TI的半導(dǎo)體。
對于EtherCAT通信，該參考設(shè)計(jì)可以通過以太網(wǎng)電路連接至支持EtherCAT的通信平臺，如AMIC110工業(yè)通信引擎(ICE)。為展示電力傳輸功能，你可以使用一根EtherCAT P電纜連接兩塊設(shè)計(jì)板。還可以將EtherCAT主站連接至第一個(gè)參考設(shè)計(jì)，將EtherCAT從站連接至第二個(gè)參考設(shè)計(jì)，以獲得完整的EtherCAT P演示系統(tǒng)。為便于評估，還可以將可選的5V/12V降壓模塊安裝到電路板上。