Pulse Electronics 的 ICM 已成为千兆工业网络的基石

工业网络可控制工厂车间设备，将数据和图像传输到异地监视器，并实现本地和远程无缝通信和数据传输。多年来，这种网络所采用的以太网技术已经从能够传输 10 Mbps 的 10BASE-T 系统发展到可支持高达 400 Gbps 的有线以太网和无线 5G 传输网络。这一进步依赖网络构件，它们通过以太网电缆将设备连接到局域网 (LAN)，以改善信号传输并管理数据流。

设计人员可以选择单个工业网络设备，亦可选择将最优组件组合到于易部署的套件中的产品。了解各种选项是实施面向未来的工业网络的第一步。

实现工业互联的构件

在工业网络中的，每台设备都包含一个物理层 (PHY)，即嵌入其印刷电路板 (PCB) 中的以太网芯片。PHY 管理设备的双向通信。

离开设备的数据通常由物理介质传输，如以太网电缆。电缆和 PHY 共同决定了数据传输速度。大多数新设备至少支持 1000BASE-T 以太网，这意味着设备可以通过由多对双绞线组成的数据线路，以高达 1,000 Mbps （或 1 Gb/s）的速度传输或接收数据。

集成连接器模块 (ICM) 位于 PHY 和传输介质之间，可实现两者之间的有效通信。ICM 必须提供介质相关接口 (MDI)，如用于插入供电缆的标准 RJ45 以太网插孔。ICM 还必须通过匹配 PHY 和电缆的阻抗，并提供电隔离以保护连接不受浪涌、接地环路和信号噪声的影响，最终确保系统内的电磁兼容性 (EMC)。

IMC 的内置 1:1 变压器还将用于操作 PHY 的直流 (DC) 偏置与用于通过以太网供电 (PoE) 技术向所连接设备传输数据或供电的直流偏压相隔离。

ICM 通过确保以太网电缆中用于传输数据的两个双绞线之间或两个未使用的双绞线之间的直流偏置来管理 PoE。PoE 可显著简化工厂车间应用的布线，但必须谨慎选择电缆、ICM 和其他网络构件，以确保尽量减少 EMI。

发挥 PoE 的作用

要在工业环境中实现 PoE，工程师需要使用像 Pulse Electronics 的 PulseChip LAN 变压器 TCxG 系列这样的 LAN 变压器 （图 1）。这些设备可通过四对双绞线以 1 Gbps、2.5 Gbps、5 Gbps 或 10 Gbps 的基带速率传输数据以及 0 至 90 W 的直流电。

图 1：PulseChip TCxG 系列 LAN 变压器与磁性扼流圈配对，可降低信号噪声，并提供 0 W 至 90 W 直流 PoE 以及高达 10 Gbps 的数据速率。(图片来源：Pulse Electronics）

表面贴装器件 (SMD) 铁芯变压器具有 1,500 V_RMS 的电隔离能力，以降低噪音和 EMI。TCxG 系列符合或超过电气和电子工程师协会 (IEEE) 802.3 规范中有关以太网和 Wi-Fi 通信设备的电气要求，特别是 1G、2.5G、5G 和 10GBASE-T 以太网传输要求以及 IEEE 802.3bt 4 类 6/8 PoE 应用要求。

TCxG 系列网络变压器采用 1812 (4732) 规格磁芯，其设计兼容标准六焊盘 PCB 布局。TCxG00P 系列在 4.70 ±0.25 mm x 3.20 mm 封装内实现了 60 W PoE 管理能力。TCxG001P 系列变压器可传输 90 W 功率，采用专为适应小磁芯布局而设计的 4.60 ±0.25 mm x 3.40 mm 封装，但 Pulse Electronics 工程师建议为变压器的电缆侧留出多余的空间，以减少高功率下的温升。该变压器的工作温度为 -40°C 至 +85°C，包括组件自发热引起的温升。

这两种设计在频率高达 200 MHz 时的插入损耗均小于 -1 dB。为进一步降低信号损耗，TCxG 系列变压器专用于搭配 SMT 磁扼流圈使用，如 Pulse Electronics 的 PE-0805GCMC 系列。这些有助于过滤信号中的电子噪声的扼流圈，按数据速率与 LAN 变压器搭配使用，以确保阻抗匹配。这些扼流圈适合较小的 0805 (2012) 磁芯 (2.00 mm x 1.2 mm)，由于没有极性限制，因此可在 PCB 设计中灵活放置。

TCxG 变压器及其配对的扼流圈采用了灵活的模块化设计，加之支持 PoE 供电功能，使其成为人机界面 (HMI)、工业以太网 LAN 交换机、路由器和服务器以及 5G 和 Wi-Fi 无线接入点 (WAP) 等应用的理想之选。

将连通性与 ICM 相结合

虽然单独指定 LAN 变压器和磁扼流圈具有灵活性，但许多应用需要的是集成解决方案。ICM 将带磁扼流圈的 LAN 变压器和用于以太网电缆插头的 RJ45 插座整合在一起，同时保持与常用 PHY 芯片的兼容性。

在 Pulse Electronics 的 Pulsejack JXT7 系列以太网 ICM 中（图 2），这些组件协同工作，可实现 IEEE 802.3an 规定的高达 10 Gbps 的数据速率，或 IEEE 802.3bz 规定的 2.5 Gbps 和 5 Gbps 多速率运行。该系列还能通过 100 英尺长的非屏蔽双绞线 (UTP) 线缆（如 Cat5e 或 Cat6 电缆），提供 IEEE 802.3bt 规定的高达 140 W 的直流电源。

图 2：Pulsejack JXT7 系列 ICM 结合了 LAN 变压器、磁扼流圈和 RJ45 插座，支持 1 Gbps 至 10 Gbps 的数据传输速率和高达 140 W 的直流 PoE，采用坚固耐用的 SMD 封装，是 WAP 的理想之选。(图片来源：Pulse Electronics）

JXT7 ICM 的总体尺寸为深 34.29 mm、宽 16.51 mm、高 13.33 mm，采用了较大的腔体设计，可以应对在功率水平较高、电流高达 1.3 A 条件下可能出现的过热现象。该系列具有完备的电磁屏蔽设计，包含顶部与底部 EMI 弹片，以及额外接地片。JXT7 ICM 坚固耐用，适用于 -40°C 至 +85°C 温度范围内的工业和户外应用。

将网络建设提升到新水平

ICM 是将单个设备连接到工业以太网网络的关键构件，但构建该网络需要能与设备传输数据速率相匹配的交换机、路由器和天线。为了保持紧凑型 ICM 和 PoE 技术所实现的工厂车间空间的利用率，这些网络设备需要适应现有的 PCB 布局。

使用球栅阵列 (BGA) 就是实现这种利用率的方法之一，这种 SMD 器件可以做到高密度封装网络元件。Pulse Electronics 的 1-GB SMD BGA 以太网 LAN 模块（图 3）可支持从 10BASE-T 到 1000BASE-T 的以太网连接，同时以低于每端口 140 mm² 的密度提供高达 70 W 的直流 PoE。

图 3：Pulse Electronics 的 1-GB SMD BGA 以太网 LAN 模块可升级网络交换机，以支持更高级的 PoE，同时支持高达 1 Gbps 的数据传输速率。(图片来源：Pulse Electronics）

这些单元可安装在支持较小数据速率或较低功率的旧组件的位置，并可安装在 2xN 连接器后方空间中，这种连接器具有两排端口，每排包含一到八个端口。专用于工业环境的模块额定工作温度为 -40°C 至 +80°C。

这些高密度模块还支持增加用于无线视频通信的 5G 天线。如 Pulse Electronics 的天线（图 4）等 5G 应用天线解决方案，可以安装在 PCB 或柔性电路板 (FPC) 上的设备内部，也可以通过硬件或磁铁安装在外部。天线的选型取决于所需的数据传输速率和带宽、到接收器的距离以及数据传输途中的障碍物或干扰因素。

这些天线支持 617 MHz 至 7,125 MHz 之间的中低频段 5G 传输。在该频段内下，能以高数据速率和低延迟从传感器向智能设备传输数据。

图 4：Pulse Electronics 的 5G 天线支持通过 Wi-Fi、蓝牙和其他射频通信标准进行通信的工业网络，其工作频率范围为 617 MHz 至 7,125 MHz。(图片来源：Pulse Electronics）

结语

工业网络依赖多种组件，如局域网变压器、磁扼流圈、双绞线、以太网插孔、交换机、路由器和天线。当这些组件按照设计协同工作时，当今和未来的工业网络就能以高精度和低延迟支持数千兆的速度。