Pulse ElectronicsのICMはギガビット産業用ネットワークのビルディングブロックを提供

産業用ネットワークは、工場内の機器を制御し、データや画像をオフサイトのモニタに送信して、ローカルとリモートのシームレスな通信とデータ転送を可能にします。これらのネットワークの基礎となるEthernet技術は、10Mbpsの伝送が可能な10BASE-Tシステムから、有線Ethernetとワイヤレス5G伝送の両方で最大400Gbpsをサポートするネットワークへと年々進化しています。この進化は、Ethernetケーブルを介してデバイスをローカルエリアネットワーク（LAN）に接続し、信号伝送を改善し、データの流れを管理するネットワークビルディングブロックに依存しています。

設計者は、個別の産業用ネットワーク機器や、導入しやすいパッケージに最適なコンポーネントを組み合わせた製品を選択できます。選択肢を理解することは、将来を見据えた産業用ネットワークを導入するための第1歩です。

産業コネクティビティのビルディングブロック

産業用ネットワークの各デバイスには物理層（PHY）があり、プリント回路基板（PCB）にEthernetチップが搭載されています。PHYは、デバイス内外の通信を管理します。

デバイスから出るデータは通常、Ethernetケーブルなどの物理媒体上を移動します。ケーブルとPHYの組み合わせが伝送速度を決定します。ほとんどの新しいデバイスは、少なくとも1000BASE-T Ethernetをサポートしています。これは、デバイスが複数のツイストペア線で構成されるケーブルを介して、最大1,000Mbpsまたは1Gb/秒でデータを送受信できることを意味します。

統合コネクタモジュール（ICM）は、PHYと伝送メディアの間に位置し、両者間の効果的な通信を可能にします。ICMは、ケーブルを差し込むための標準的なRJ45 Ethernetジャックのようなメディア依存インターフェース（MDI）を供給しなければなりません。ICMはまた、PHYとケーブルのインピーダンスを一致させ、サージ、グランドループ、信号ノイズから接続を保護するガルバニック絶縁を提供することにより、システム内の電磁両立性（EMC）を保証しなければなりません。

また、IMC内の1:1トランスは、PHYを動作させる直流（DC）バイアスを、パワーオーバーEthernet（PoE）経由で接続されたデバイスに データまたは電力を伝送するために使用されるDCバイアスから分離します。

ICMは、データ伝送に使用される2つのツイストペア間、またはEthernetケーブル内の未使用の2つのツイストペア間にDCバイアスを確保することでPoEを管理します。PoEは工場現場アプリケーションの配線を大幅に簡素化できますが、EMIを最小限に抑えるためには、ケーブル、ICM、その他のネットワークビルディングブロックを慎重に選択する必要があります。

PoEの実装

産業環境でPoEを実装するために、エンジニアはPulse ElectronicsのPulseChip TCxGシリーズ（図1）などのLANトランスを使用できます。これらのデバイスは、4対のツイストペア線を通じて、1Gbps、2.5Gbps、5Gbps、または10Gbpsでのデータのベースバンド伝送と、0～90WのDC電力伝送を可能にします。

図1：PulseChip TCxGシリーズ LANトランスは、磁気チョークと組み合わせて信号ノイズを低減し、最大10Gbpsのデータとともに0W～90WのDC電力を伝送します。（画像提供：Pulse Electronics）

面実装デバイス（SMD）のフェライトコアトランスは、1,500V_RMSのガルバニック絶縁を提供し、ノイズとEMIを低減します。TCxGシリーズは、EthernetおよびWi-Fi通信デバイスの電気的要件を規定するElectrical and Electronics Engineers（IEEE）802.3仕様の関連項目、具体的には1G/2.5G/5G/10GBASE-T Ethernet伝送要件およびタイプ4クラス6/8 PoEアプリケーション向けIEEE 802.3bt要件を満たすか、それらの要件を上回ります。

TCxG LANトランスは、1812（4732）コアサイズの標準的な6パッドPCBレイアウトに適合するように設計されています。TCxG00Pシリーズは、4.70 ±0.25mm x 3.20mmのフットプリントで60WのPoEを管理します。90Wに対応するTCxG001Pシリーズは、4.60 ±0.25mm x 3.40mmのサイズで、小さなコアレイアウトに合うように特別に設計されていますが、Pulse Electronicsのエンジニアは、高いワット数での温度上昇を抑えるため、トランスのケーブル側に十分なスペースを持たせることを推奨しています。トランスは、コンポーネントの自己発熱による温度上昇を含め、-40°Cから+85°Cの温度で動作するように設計されています。

どちらの設計も、200MHzまでの周波数で挿入損失が-1dB未満です。信号損失をさらに低減するために、TCxGシリーズのトランスは、Pulse ElectronicsのPE-0805GCMCシリーズなどのSMT磁気チョークと組み合わせるように設計されています。これらのチョークは信号から電子ノイズを除去する役割を果たし、LANトランスとデータレートに応じて組み合わせることでインピーダンス整合を確保します。2.00mm x 1.2mmと小さめの0805（2012）コアサイズに適合し、極性による配置の制約がないため、PCB設計に柔軟性をもたらします。

TCxGトランスと組み合わせたチョークの柔軟なモジュール設計、およびトランスのPoE伝送能力により、ヒューマンマシンインターフェース（HMI）、産業用Ethernet LANスイッチ、ルータ、サーバ、5GおよびWi-Fiワイヤレスアクセスポイント（WAP）などのアプリケーションに最適です。

ICMとのコネクティビティの統合

LANトランスと磁気チョークを別々に指定することで柔軟性が得られますが、多くのアプリケーションでは統合ソリューションが求められます。ICMは、一般的なPHYチップとの互換性を維持しながら、LANトランスを、磁気チョーク、およびEthernetケーブルプラグ用RJ45ソケットと組み合わせます。

Pulse ElectronicsのPulsejack JXT7シリーズ Ethernet ICM（図2）では、これらのコンポーネントが連携して、IEEE 802.3anに準拠した最大10Gbpsのデータレートを実現し、IEEE 802.3bzに準拠した2.5Gbpsおよび5Gbpsのマルチレート動作を実現します。また、IEEE 802.3btに準拠し、Cat5eやCat6など、100フィートの非シールドツイストペア（UTP）ケーブルを介して最大140WのDC電力を供給することも可能です。

図2：Pulsejack JXT7シリーズのICMは、LANトランス、磁気チョーク、RJ45ジャックを組み合わせ、WAPに最適な堅牢なSMDで1Gbps～10Gbpsのデータレートと最大140WのDC PoEをサポートします。（画像提供：Pulse Electronics）

このような高い電力レベルと最大1.3Aの電流で起こりうる過熱に対処するため、JXT7 ICMは、全体の寸法が奥行き34.29mm x 幅16.51mm x 高さ13.33mmと、より大きなキャビティ設計となっています。上部と下部のEMIフィンガーと追加の接地タグを含む、十分なEMIシールドを備えています。JXT7 ICMは、-40°C～+85°Cの産業用および屋外用アプリケーションに対応する堅牢な構造を実現しています。

ネットワーキングを次のレベルへ

ICMは、個々のデバイスを産業用Ethernetネットワークに接続するための重要なビルディングブロックですが、そのネットワークを構築するには、デバイスのデータレートに対応できるスイッチ、ルータ、アンテナが必要です。コンパクトなICMとPoE技術によって提供される工場現場でのスペース効率を維持するために、これらのネットワーク機器は既存のPCBレイアウトに適合する必要があります。

この効率を実現する方法の1つが、ネットワークコンポーネントの高密度実装を可能にするSMDボールグリッドアレイ（BGA）の使用です。Pulse Electronicsの1-GB SMD BGA Ethernet LANモジュール（図3）は、ポートあたり140mm²未満の密度で最大70WのDC PoEを伝送しながら、10BASE-Tから1000BASE-TまでのEthernet接続をサポートします。

図3：Pulse Electronicsの1-GB SMD BGA Ethernet LANモジュールは、ネットワークスイッチをアップグレードして、最大1Gbpsのデータレートをサポートしながら、より高いレベルのPoEをサポートすることができます。（画像提供：Pulse Electronics）

低速または低ワット数に対応する旧型コンポーネントのフットプリントに収まるこのユニットは、2列のポートを持ち、1列あたり1～8個のポートを持つ2xNコネクタの後ろに収まります。産業環境用に設計されたモジュールは、-40°C～+80°Cの動作温度に対応しています。

これらの高密度モジュールは、ワイヤレスRF通信用の5Gアンテナの追加にも対応できます。5Gアプリケーション向けアンテナソリューション（例：Pulse Electronics製、図4）は、PCBまたはフレキシブル回路基板（FPC）上のデバイスに内蔵することも、ハードウェアまたは磁石を使って外部に取り付けることもできます。アンテナの選択は、希望するデータ伝送速度と帯域幅、レシーバまでの距離、経路上の障害物や干渉によって決まります。

これらのアンテナは、617MHzから7,125MHzの周波数で5G伝送の低・中帯域をサポートします。これらの周波数では、センサからスマートデバイスへ、高データレートかつ低遅延でデータを伝送可能です。

図4：Pulse Electronicsの5Gアンテナは、617MHzから7,125MHzの周波数で、Wi-Fi、Bluetooth、その他のRF通信規格を介した産業用ネットワークをサポートします。（画像提供：Pulse Electronics）

まとめ

産業用ネットワークは、LANトランス、磁気チョーク、ツイストペアケーブル、Ethernetジャック、スイッチ、ルータ、アンテナなど、さまざまなコンポーネントに依存しています。これらのコンポーネントが設計通りに連携すれば、現在および将来の産業用ネットワークは、高精度かつ低遅延でマルチギガビットの速度を実現します。