Pulse Electronics ICM 提供 Gigabit 工業網路的建構模塊

工業網路控制的廠區設備，可將資料與影像傳輸到遠端監測器，並達到無縫的本地與遠端通訊以及資料傳輸。這些網路所依據的乙太網路技術，多年來已從能傳輸 10 Mbps 的 10BASE-T 系統，演進到支援高達 400 Gbps 的有線乙太網路與無線 5G 傳輸網路。此演所仰賴的網路構建模塊，可透過乙太網路線將裝置連接至區域網路 (LAN)、提升訊號傳輸效果並管理資料流動。

設計工程師可以選擇單獨的工業網路裝置，或選擇結合最佳化元件並容易部署的套裝產品。瞭解各種選項是實作可因應未來需求之工業網路的第一步。

工業連接的建構模塊

在工業網路中的各個裝置皆具備實體層 (PHY)，即嵌入在印刷電路板 (PCB) 中的乙太網路晶片。PHY 負責管理裝置的進出通訊。

裝置的對外數據傳輸通常會透過實體媒介進行，例如乙太網路纜線。纜線與 PHY 的組合會決定傳輸速度。大多數新裝置至少都支援 1000BASE-T 乙太網路，表示該裝置能透過多對雙絞線組成的纜線，以高達 1,000 Mbps 或 1 Gb/s 的速率傳輸或接收資料。

整合式連接器模組 (ICM) 位於 PHY 與傳輸媒介之間，可促進兩者之間的有效通訊。ICM 必須提供媒體相依介面 (MDI)，例如標準 RJ45 乙太網路插孔，以供線纜插入。ICM 也必須在系統內確保電磁相容性 (EMC)，方法是讓 PHY 與纜線的阻抗互相匹配並且提供電氣隔離，藉此保護連接，以免受到突波、接地迴路及訊號雜訊的影響。

IMC 內的 1:1 變壓器亦可將操作 PHY 的直流 (DC) 偏壓，與透過乙太網路供電 (PoE) 向連接裝置傳輸資料或電力用的 DC 偏壓分離。

ICM 管理 PoE 的方式，是確保乙太網路線中兩對用於數據傳輸的雙絞線之間，或兩對未使用的雙絞線之間達到 DC 偏壓。PoE 可大幅簡化廠區應用的佈線，但仍需謹慎挑選電纜、ICM 及其他網路建構模塊，以將 EMI 控制在最低限度。

讓 PoE 發揮效用

為了在工業環境中實作 PoE，工程師會使用像是 Pulse Electronics 的 PulseChip LAN Transformer TCxG 系列 (圖 1 ) 中的 LAN 變壓器。這些裝置能夠透過四對雙絞線進行基頻數據傳輸，速率可達 1 Gbps、2.5 Gbps、5 Gbps 或 10 Gbps，同時提供 0 至 90 W 的 DC 電力。

圖 1：PulseChip TCxG 系列 LAN 變壓器搭配磁性扼流圈，可降低訊號雜訊，提供 0 至 90 W 的 DC PoE 電力，並支援高達10 Gbps 的數據傳輸率。(圖片來源：Pulse Electronics)

表面黏著元件 (SMD) 鐵氧體磁芯變壓器可提供 1,500 V_RMS 的電氣隔離，能降低雜訊和 EMI。TCxG 系列符合甚至超越電機電子工程師學會 (IEEE) 802.3 規範中有關乙太網路和 Wi-Fi 通訊裝置電氣要求的相關規定，特別是 1G、2.5G、5G 和 10GBASE-T 乙太網路傳輸以及 IEEE 802.3bt Type 4 Class 6/8 PoE 應用的要求。

TCxG LAN 變壓器的設計可用於標準六焊墊 PCB 佈局，並採用 1812 (4732) 核心尺寸。TCxG00P 系列能以 4.70 ±0.25 mm × 3.20 mm 的覆蓋區管理 60 W 的 PoE 電力。處理 90 W 的 TCxG001P 系列尺寸為 4.60 ±0.25 mm x 3.40 mm，專為配合小型磁芯佈局而設計，但 Pulse Electronics 的工程師建議在變壓器的電纜側預留額外空間，以降低高瓦數運作時的溫升。此變壓器設計可在 -40°C 至 +85°C 的溫度範圍內運作，包括元件自體發熱所引發的溫度。

兩種設計在高達 200 MHz 的頻率下，具有低於 -1 dB 的插入損耗。為了進一步降低訊號損耗，TCxG 系列變壓器在設計上搭配 SMT 磁性扼流圈使用，例如 Pulse Electronics 的 PE-0805GCMC 系列。這些扼流圈有助於過濾訊號中的電子雜訊，並依據數據傳輸率與 LAN 變壓器配對，以確保阻抗匹配。採用較小的 0805 (2012) 核心尺寸，尺寸為 2.00 mm x 1.2 mm，且因為無極性限制其放置位置，因此在 PCB 設計上更為靈活。

TCxG 變壓器及其配對扼流圈採用靈活的模組化設計，且變壓器可支援 PoE，因此非常適合用於人機介面 (HMI)、工業乙太網路 LAN 交換器、路由器與伺服器，以及 5G 和 Wi-Fi 無線存取點 (WAP) 等應用。

在 ICM 中整合連接性

雖然分別挑選 LAN 變壓器和磁性扼流圈可以提供靈活性，但許多應用需要整合式解決方案。ICM 可結合 LAN 變壓器、磁性扼流圈和用於乙太網路纜線插頭的 RJ45 插座，同時維持與常用 PHY 晶片的相容性。

在 Pulse Electronics 的 Pulsejack JXT7 系列乙太網路 ICM (圖 2) 中，這些元件可一同工作，以達成符合 IEEE 802.3an 標準的最高 10 Gbps 數據傳輸率，或符合 IEEE 802.3bz 標準的多速率 2.5 Gbps 和 5 Gbps 操作。亦符合 IEEE 802.3bt 規範，可透過 100 英尺長的非屏蔽雙絞線 (UTP) 纜線，例如 Cat5e 或 Cat6，傳輸最高 140 W 的 DC 電力。

圖 2：Pulsejack JXT7 系列 ICM 結合了 LAN 變壓器、磁性扼流圈及 RJ45 插孔，可支援 1 Gbps 至 10 Gbps 的數據傳輸率及最高 140 W 的 DC PoE，採用堅固的 SMD 設計，非常適合 AP 應用。(圖片來源：Pulse Electronics)

為了因應較高功率位準與高達 1.3 A 電流下的潛在過熱問題，JXT7 ICM 採用的整體尺寸為 34.29 mm 深、16.51 mm 寬、13.33 mm 高，藉此提供較大的腔體設計。此裝置具備充足的 EMI 屏蔽能力，包括頂端和底部的 EMI 指片及額外接地標籤。JXT7 ICM 採用堅固結構，可用於工業及戶外應用，工作溫度介於 -40°C 至 +85°C。

將網路連線提升至新境界

ICM 是將個別裝置連接到工業乙太網路的重要建構模塊，但打造此網路需要可配合裝置數據傳輸率的交換器、路由器和天線。為了維持緊湊型 ICM 和 PoE 技術在廠區提供的空間效率，這些網路裝置必須配合現有的 PCB 佈局。

要達到此效率有個方法就是使用球柵陣列 (BGA)，這種 SMD 可讓網路元件達到高密度封裝。Pulse Electronics 的 1-GB SMD BGA 乙太網路 LAN 模組 (圖 3) 可支援從 10BASE-T 至 1000BASE-T 的乙太網路連接，同時提供高達 70 W 的 DC PoE，且每埠密度低於 140 mm²。

圖 3：Pulse Electronics 的 1-GB SMD BGA 乙太網路 LAN 模組可升級網路交換器以支援更高等級的 PoE，同時支援高達 1 Gbps 的數據傳輸率。(圖片來源：Pulse Electronics)

此裝置可配合較舊元件的覆蓋區，並可支援較低速度或較低瓦數，且可裝在 2xN 連接器後方，具有兩排連接埠，每一排有一至八個連接埠。專為工業環境設計的模組，其額定工作溫度範圍為 -40°C 至 +80°C。

這些高密度模組亦可支援添加 5G 天線以達到無線 RF 通訊。5G 應用的天線解決方案，例如 Pulse Electronics 的方案 (圖 4)，就可內建在裝置的 PCB 或柔性電路板 (FPC) 上，也可以使用五金或磁鐵固定在外部。天線的選擇取決於所需的數據傳輸率與頻寬、與接收器的距離，以及路徑上的障礙物或干擾。

這些天線可支援 5G 傳輸的低頻段及中頻段，頻率介於 617 MHz至 7,125 MHz。在這些頻率下，能以高數據傳輸率與低延遲，將感測器的資料傳輸到智慧裝置。

圖 4：Pulse Electronics 的 5G 天線可透過 Wi-Fi、藍牙及其他 RF 通訊標準支援工業網路，頻率介於 617 MHz 至 7,125 MHz。(圖片來源：Pulse Electronics)

結論

工業網路的運作仰賴多種元件，如 LAN 變壓器、磁性扼流圈、雙絞線電纜、乙太網路插孔、交換器、路由器及天線。當這些元件依設計一同運作時，現今及未來的工業網路就可支援數 Gigabit 的速度，並具備高準確度與低延遲。