CN115460025A - 单对以太网供电通信电路及模块 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种单对以太网供电通信电路及模块，所述电路包括单对以太网接口、物理层芯片、用于防护信号线的第一共模电感，以及用于防护电源的第二共模电感，其中，第一共模电感，设置于单对以太网接口的差分对端与物理层芯片之间，第二共模电感，设置于所述第一共模电感与用电设备模块之间，本公开的电路与现有技术相比，在成本、尺寸空间、重量、可靠性、EMC、功耗等方面表现更优，提高项目研发生产效率。

Description

单对以太网供电通信电路及模块

技术领域

本公开涉及通讯技术领域，尤其涉及一种单对以太网供电通信电路及模块。

背景技术

目前，行业内车联网技术中的以太网通信都是采用传统的消费类以太网通信供电方式。而且通信传输速率基本都从百兆切换到千兆传输，POE供电已经需要采用802.3at(POE+，Power over Ethernet Plus，增强型以太网供电)30W功率供电，或者采用更大功率的802.3bt POE协议供电。随着设备通信速率和供电功率的需求提高，产品设计在成本、尺寸空间、重量、可靠性、EMC、功耗等方面面临更严苛的挑战。

现有技术中，采用POE百兆通信的EMC(Electromagnetic MagneticCompatibility，电磁兼容性)设计相对比较容易实现，气体放电管、压敏电阻、PTC电阻(Positive Temperature Coefficient，指正温度系数很大的半导体材料或元器件)、瞬态二极管、共模电感等防护器件虽然体积较大或者需要插件过孔，但百兆供电通信仅需要对4根网线设计布局走线，且百兆通信速率对寄生等效阻容感容忍度较大，所以，相对千兆电磁兼容比较容易实现。但现有的传统方法实现千兆以太网需要4对线支撑1000BASE-T全双工通信，大功率POE千兆供电传输是对这8根网线进行设计处理，板级空间受限，布局密度较大，对防护器件的选型和布局走线要求较高，对器件和走线等效阻容感比较敏感，需要保证大功率POE供电和千兆通信正常运行的同时做好EMC设计。而痛点在于采用上述防护器件设计高等级的EMC可能影响户外高速率千兆传输性能，难以兼顾实现，所以部分产品放弃了对接口处千兆以太网8根信号线作高等级防雷器件布局走线。由于目前行业内没有统一规范的EMC设计等级要求，所以参考ITE(Information Technology Equipment，信息技术设备)的EMC实验方法，在保证正常通信的前提下，大多只能妥协选取贴近实际应用场景的最低等级的EMC测试等级。

以上可以看出，车联网通信现有的设计方法存在如下缺陷：

(1)不同于消费类应用场景，C-V2X(蜂窝车联网)至少是工业级或车规级可靠应用要求，传统的RJ45以太网设计方法可靠性不高；

(2)实现百兆传输需要4根线，千兆传输需要8根线，占空间、器件多、高可靠性和高EMC性能的设计难度复杂度大；

(3)只能采用RJ45连接器，路侧单元又有防水防尘要求，则外壳防水连接器及线缆选型设计受限、占空间体积、成本及重量增加、灵活度差；

(4)产品级生产组装效率低、工序多、耗时长。

因此，需要一种单对以太网供电通信电路及模块。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开的实施例提供了一种单对以太网供电通信电路及模块。

第一方面，本公开的实施例提供了一种单对以太网供电通信电路，包括：

单对以太网接口、物理层芯片、用于防护信号线的第一共模电感，以及用于防护电源的第二共模电感，其中，

第一共模电感，设置于单对以太网接口的差分对端与物理层芯片之间，

第二共模电感，设置于所述第一共模电感与用电设备模块之间。

在一种可能的实施方式中，所述用电设备模块对下一级开关电源通过数据线供电。

在一种可能的实施方式中，所述单对以太网接口通过单对屏蔽双绞线与供电端连接。

在一种可能的实施方式中，所述供电端包括依次连接的第一共模电感、第二共模电感和供电设备，其中，所述供电设备通过数据线供电。

在一种可能的实施方式中，所述单对屏蔽双绞线上配置有连接器套件，其设置于单对屏蔽双绞线与供电端之间，或者单对屏蔽双绞线与受电端之间，其中，所述连接器套件包括插座和插头。

在一种可能的实施方式中，所述插座通过防水垫圈锁螺丝固定于单对以太网接口外壳，插座中的芯线引入单对以太网接口外壳壳内电路板上，或者插座直接焊接在单对以太网接口外壳壳内电路板上；

所述插头从外到内包括可旋转金属件、防水胶圈、防呆绝缘凸体和芯线，其中，插头通过螺纹或者旋接卡扣来连接插座，插头与插座接合后紧密接触内部防水胶圈，实现防尘防水。

在一种可能的实施方式中，所述插头的尾部通过防水胶圈锁紧线缆。

在一种可能的实施方式中，所述芯线和防呆绝缘凸体嵌套一体成型。

在一种可能的实施方式中，所述电路还包括：三极气体放电管，其设置于单对以太网接口的差分对端与PE地之间；

在所述电路中，通过以下方式采用地平面作为电流回路：

在单对以太网接口的金属外壳与PE地之间、单对以太网接口的金属外壳与内部受保护地之间和内部受保护地与PE地之间分别设置并联放电防护器件，

单对以太网接口的金属外壳的两个插件引脚连接孤立的内层铜皮，铺铜布局在单对以太网接口与第一共模电感之间的板级内层隔层，作为信号线差分等长100Ω阻抗匹配的阻抗参考地。

第二方面，本公开的实施例提供了一种单对以太网供电通信模块，包括如上述的单对以太网供电通信电路。

本公开实施例提供的上述技术方案与现有技术相比至少具有如下优点的部分或全部：

本公开实施例所述的单对以太网供电通信电路，可以取代目前C-V2X行业内通过RJ45连接器和8芯网线传输千兆数据和POE供电的传统方式，且本公开的电路与现有技术相比，在成本、尺寸空间、重量、可靠性、EMC、功耗等方面表现更优，提高项目研发生产效率。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出了根据本公开实施例的基于IEEE802.3bu供电协议的PSE供电和PD受电框图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的单对以太网供电通信电路应用于路测单元中的结构示意图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的SPE防水连接器的结构示意图；

图4示意性示出了现有技术中RJ45防水连接器的结构示意图；

图5示意性示出了现有技术中基于IEEE802.3at供电协议的PSE供电和PD受电框图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的CMCC共模电感的结构示意图；

图7示意性示出了现有技术中LAN FILTER四组三线网口滤波器的结构示意图；

图8示意性示出了根据本公开实施例的SPE板级垂直插座的金属外壳的两个金属引脚的接地示意图，

其中，在图3中，1-可旋转金属件，2-防呆绝缘凸体，3-黑色防水胶圈，4-双绞无氧铜芯。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

参见图1，本公开的实施例提供了一种单对以太网供电通信电路，包括：

单对以太网接口(SPE CON)、物理层芯片(PHY)、用于防护信号线的第一共模电感(SPE CMCC)，以及用于防护电源的第二共模电感(PWR CMCC)，其中，

第一共模电感，设置于单对以太网接口的差分对端与物理层芯片之间，

第二共模电感，设置于所述第一共模电感与用电设备模块之间。

在图1中，所述单对以太网接口通过单对屏蔽双绞线与供电端连接。所述供电端包括依次连接的第一共模电感、第二共模电感和供电设备，其中，所述供电设备通过数据线供电，形成基于IEEE802.3bu供电协议的PSE供电(Power Sourcing Equipment，供电设备)和PD受电框图，并且千兆以太网采用PoDL供电(数据线供电)。在实际应用中，所述并联放电防护器件为1M电阻与4KV 1nF电容的并联电路。受电端可以是RSU(Road Side Unit，路侧单元)系统。

图2中的SPE(Single Pair Ethernet，单对以太网)CABLE(线缆)采用单对屏蔽双绞线，千兆非屏蔽传输距离15米，千兆屏蔽双绞线可达40米，满足安装于道路架杆的路侧单元的最长线缆距离，最长15米也足够满足需求，轻量化、体积小，防水连接器和线缆选型设计灵活；行业现有设计采用4对8芯网线，分屏蔽和非屏蔽两大类。

图2中的SPE CABLE可以搭配一种单对屏蔽防水双绞线连接器套件，其设置于单对屏蔽双绞线与供电端之间，或者单对屏蔽双绞线与受电端之间，其中，所述连接器套件包括插座和插头，其中，所述连接器套件包括插座和插头。其中，所述插座通过防水垫圈锁螺丝固定于单对以太网接口外壳，插座中的芯线引入单对以太网接口外壳壳内电路板上，或者因插座体积重量小，插座直接焊接在单对以太网接口外壳壳内电路板上，参见图3，所述插头从外到内包括可旋转金属件、防水胶圈、防呆绝缘凸体和芯线，其中，插头通过螺纹或者旋接卡扣来连接插座，插头与插座接合后紧密接触内部防水胶圈，实现IP67防尘防水，即具有6级防尘和7级防水能力，所述芯线和防呆绝缘凸体可以嵌套一体成型，以增加连接器套件可靠性，另外，所述插头的尾部可以通过防水胶圈锁紧线缆。

参见图4中行业现有设计采用的RJ45防水连接器套件，相比图2中的连接器套件，只能配套8芯RJ45水晶头使用，体积重量大，选型设计单一受限。虽然图2中的防水连接器套件仅示例了两股线芯的实现方式，实际上线芯的个数不限于两股，可以根据实际应用的变化而变化。

行业现有设计千兆以太网采用POE供电((Power Over Ethernet，以太网供电)，如图5展示的基于IEEE802.3at供电协议的PSE供电(Power Sourcing Equipment，供电设备)和PD受电(Power Device，受电端设备)框图；图1中，PoDL仅通过SPE单对以太网线缆传输40米距离的情况下仍可提供最大60W的供电功率，且在PSE侧有48V、24V、12V等不同的电压等级选择。PSE可认为交换机，用于给路侧单元受电设备供电。图5中，PSE供电通过网线的1、2、3、6线芯或者4、5、7、8线芯供电，到达路侧输入接口后，再通过网口滤波器(LAN filter)进行电源和信号的剥离，通过POE模块转换成系统需要的12V直流电源给到系统下一级DCDC(直流变直流)开关电源。

本公开采用的SPE差分双绞信号线相比多股线芯网线EMI(ElectromagneticInterference，电磁干扰)干扰更小，采用屏蔽线束增加共模回流路径，降低因工程布线导致的对称偏差带来的共模电流辐射干扰影响，从而更能提高EMC性能和传输距离。为加强EMC性能，信号通路仅需一个小封装的信号CMCC共模电感，PoDL供电也需要一个满足电源功率的电源CMCC共模电感，总体大小还是远小于行业现有设计所用的四组三线网口滤波器大小。CMCC原理图如图6所示，LAN FILTER网口滤波器如图7所示。总体上本公开接口处的器件选型余地及布线空间更大，对于EMC防护器件选型和布局设计的灵活度更高，解决了千兆以太网行业现有设计所遇到的一些EMC设计痛点。

本公开采用单对屏蔽SPE线缆供电传输，传输线到印刷电路板板级设计需要对屏蔽层合理设计，以达到更佳的EMC效果。所以本公开采用2PIN的带两个金属外壳引脚的板级垂直插座。本公开对SPE板级垂直插座的金属外壳的这两个金属引脚处理如图8所示：金属外壳的两个插件引脚连接近似孤立的内层铜皮，以避免直连内部受保护GND，网络名命名为GND_LAN，铺铜布局在板级内层隔层，作为此部分千兆以太网信号线差分等长100Ω阻抗匹配的隔层参考GND，隔层参考的好处是差分走线线宽可以相应加宽，以承受下一级防护前更多的浪涌耦合残余电流，避免因走线太细过流烧断；同时为应对高压区雷击浪涌，GND_LAN和PE之间通过1MΩ大封装电阻并联1nF 4kV大封装电容单点连接PE螺丝孔；为保证GND_LAN和内部受保护GND之间的电气连接和雷击浪涌防护，GND_LAN和内部受保护GND之间也通过放置这样一组电阻电容连接。1nF 4KV电容耐压可应对等级4共模4KV浪涌测试，电容通交流阻直流，从EMS考虑，可以阻隔外界低频高压、ESD等干扰，从EMI考虑，PE良好接大地的情况下还可以避免高频信号辐射出去，相比GND_LAN直连PE的做法EMC效果更好。1M电阻可以对电容上积累的电荷进行泄放，保护PCBA，有效应对高等级ESD、EFT、Surge等EMS试验；PIN1和PIN2为SPE接口金属外壳的两个插件引脚，这两组电阻电容可以布局在SPE接口两侧，就近连接PE和内部受保护GND。

本公开提供的单对以太网供电通信电路，取代目前C-V2X行业内通过RJ45连接器和8芯网线传输千兆数据和POE供电的传统方式，而且本公开设计的电路在成本、尺寸空间、重量、可靠性、EMC、功耗等方面表现更优，提高项目研发生产效率。

本公开的实施例还提供了一种单对以太网供电通信模块，包括如上述的单对以太网供电通信电路。

所述单对以太网供电通信模块可以为路测单元、车载单元、移动边缘计算单元中的任意一种。

本公开采用车载以太网物理层标准全双工1000BASE-T1(以太网技术，在现有的网络上满足对带宽急剧膨胀的需求)应用于C-V2X(蜂窝车联网)行业的RSU(路侧单元)；行业现有设计采用1000BASE-TX或者1000BASE-T，其中全双工1000BASE-T居多；1000BASE-T1不仅能提高传输速率，还能满足可靠性、EMC、低功耗和同步实时性等方面的要求。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种单对以太网供电通信电路，其特征在于，包括：单对以太网接口、物理层芯片、用于防护信号线的第一共模电感，以及用于防护电源的第二共模电感，其中，

第一共模电感，设置于所述单对以太网接口的差分对端与所述物理层芯片之间，

第二共模电感，设置于所述第一共模电感与用电设备模块之间。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述用电设备模块对下一级开关电源通过数据线供电。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述单对以太网接口通过单对屏蔽双绞线与供电端连接。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述供电端包括依次连接的第一共模电感、第二共模电感和供电设备，其中，所述供电设备通过数据线供电。

5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述单对屏蔽双绞线上配置有连接器套件，其设置于单对屏蔽双绞线与供电端之间，或者单对屏蔽双绞线与受电端之间，其中，所述连接器套件包括插座和插头。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述插座通过防水垫圈锁螺丝固定于单对以太网接口外壳，插座中的芯线引入单对以太网接口外壳壳内电路板上，或者插座直接焊接在单对以太网接口外壳壳内电路板上；

所述插头从外到内包括可旋转金属件、防水胶圈、防呆绝缘凸体和芯线，其中，插头通过螺纹或者旋接卡扣来连接插座，插头与插座接合后紧密接触内部防水胶圈，实现防尘防水。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述插头的尾部通过防水胶圈锁紧线缆。

8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述芯线和防呆绝缘凸体嵌套一体成型。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：三极气体放电管，其设置于单对以太网接口的差分对端与PE地之间；

在所述电路中，通过以下方式采用地平面作为电流回路：

在单对以太网接口的金属外壳与PE地之间、单对以太网接口的金属外壳与内部受保护地之间和内部受保护地与PE地之间分别设置并联放电防护器件，

单对以太网接口的金属外壳的两个插件引脚连接孤立的内层铜皮，铺铜布局在单对以太网接口与第一共模电感之间的板级内层隔层，作为信号线差分等长100Ω阻抗匹配的阻抗参考地。

10.一种单对以太网供电通信模块，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的单对以太网供电通信电路。

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