我目前正在设计我们新版本机器人的电子设备。
在当前版本中，所有以太网交换都是通过现成的交换机/设备完成的（只有一个以太网连接到嵌入式计算机（Jetson））。
在新版本中，我需要更多的以太网连接，并将多个设备直接集成在 PCB 上。因此，我希望将所有东西都集成到 PCB 上，以减少布线（以及相关故障）。
我希望获得一些有关最佳建筑的建议。
当前架构：
目前，我们使用冗余媒体转换器，从控制站获取 2 个光纤连接（一次只使用一个，第二个只是具有自动切换功能的备份），并将它们转换为单个 1 Gbps 双绞线接口。
然后，我们将这条 1 Gbps 以太网电缆连接到第一个 5 端口 PoE 交换机（每个端口 1 Gbps），然后再连接到第二个交换机（非 PoE，5 个 1 Gbps 端口）。
这两种交换机都是现成的设备，PCB 上唯一的东西是嵌入式计算机（Jetson SoM）。
请注意，所有连接均为 1Gbps，但电路充满瓶颈
新架构：
这次，我希望所有东西都放在 PCB 上（因为我在 PCB 上添加了几个以太网设备，连接器通常会与其他电线（电源和其他信号）捆绑在一起，有些会获得 PoE，...）。
冗余光纤：
我仍然需要冗余光纤，并且我想将“标称”带宽增加到 10 Gbps（如果一条光纤发生故障，我只需要 5 Gbps，因此两个 5 Gbps 链路之间的流量共享是一种选择）
我需要一些大规模交换（总流量至少 10 Gbps）：
- 10 Gbps 上行链路（至控制站）
- 2.5 Gbps 至嵌入式计算机
- 4 个 1 Gbps 连接
- 13 个 100 Mbps 连接
请注意，几乎所有流量都将往返于控制站或嵌入式计算机（设备之间的流量可能会发生，但<<10 Mbps）。
大约 2/3 的 1 Gbps/100 Mbps 端口将为设备提供 PoE（对于数据对上的 100 Mbps 设备）。
所以我的核心问题是如何最好地构建所有这些以太网电路。
更具体地说：
- 我应该考虑冗余光纤或流量共享吗？
- 冗余/流量共享是否应该发生在专用组件中，或者此功能是否应该进入交换机？
- 是使用一个巨大的交换机（IC）更容易吗？据我目前发现，它会缺少 PHY，所以我必须单独添加它们，还是使用几个带有集成 PHY 的较小的交换机？
- PoE 注入是否应该由单独的 IC 完成，还是我应该尝试找到与 PHY 捆绑在一起的它？（或者甚至是捆绑的交换机+PHY+PoE 注入器？）
PS：在我看来，把这个问题作为一个大问题来回答比把它分成几个小问题（这样会缺乏背景信息）更容易。但如果你不这么认为，我很乐意把这个问题拆分开来。
注意：我并不是在寻求有关特定 IC 的建议，而是寻求如何在几个（通用）IC 之间划分功能。
编辑：回复@Kuba 没有忘记莫妮卡的回答：
- 我确认，组件的成本并不重要（开发时间和可靠性更重要）
- 数量足够少，如果某个部件确实很关键且难以更换，我们可能可以购买足够的库存，以确保在产品的整个生命周期内（至少在下一次重大修订之前）有足够的库存
- 对于 PoE 设备，大多数设备都位于电子设备外壳的外部，有些设备由我们的客户提供（有时我们这边没有集成），并且客户切换设备的风险始终存在。因此，所有 PoE 输出都需要某种形式的过流保护（有或没有协商）。
- 就可靠性而言，我们只有一根电缆出现故障（不确定是旧电缆还是我们购买的更好的电缆），以及由于安装时或维护后接线不良而导致的几处暂时故障（通过测试可以快速发现并且相对容易纠正，但仍然浪费了一些不可忽略的时间）。主要问题是我们有太多电缆（并且大多数外部连接器连接到几个不同的 PCB），因此每次干预都很麻烦（并且人为错误的风险很高）。由于所有 100Mbps 信号都带有 4 条其他电线，因此我希望有一个独特的连接器。
- 总体而言，空间非常宝贵，无法合理扩展，因此添加额外的机架组件是有限的（在当前设计中，我们在需要时添加第二个以太网交换机时已经遇到了麻烦）
- 一种可能的选择（即使我从未见过）是 PCB 可安装的开关（类似于 arduino 屏蔽，带有适用于至少 100Mbps 以太网的连接器，1Gbps 以太网可以直接连接而无需通过 PCB
答案1
是使用一个巨大的交换机（IC）更容易吗？据我目前发现，它会缺少 PHY，所以我必须单独添加它们，还是使用几个带有集成 PHY 的较小的交换机？
这真的很难说。你的产品是小批量、高工程成本的产品，所以选择你认为设计时花费的时间和精力更少的产品。芯片的价格与公司的成本无关。你需要真正价格高昂的芯片才需要担心这一点。
PoE 注入是否应该由单独的 IC 完成，还是我应该尝试找到与 PHY 捆绑在一起的它？（或者甚至是捆绑的交换机+PHY+PoE 注入器？）
宽范围 PoE PSE 需要电源 ASIC 和 MAC 支持。我相信有人可以将它们集成到一个包中，所以如果你能找到它并且它很容易应用 - 为什么不呢。但请注意让自己陷入可用性困境。重新设计较小的功能块要容易得多。
由于您使用的是封闭系统，因此将受保护的电源硬接线到某些以太网线路上可能是可以接受的，如果下游设备可以使用的话。负载足够轻，不会让链路层参与功率协商，这样就可以正常工作。因此，您只需要使用通用芯片进行负载保护，而不需要除磁性之外的任何 PoE 专用设备。
这次，我想要 PCB 上的所有东西
如果您没有进行千兆以太网板级设计的经验，那么这可能不太值得您付出努力。为什么您设计的单个 PCB 会比具有工业网络领域经验的制造商的设备更可靠？即使只是组装高密度 PCB 的原型也要花费相当多的钱。如果您以前没有这样做过，您可能需要至少一两次重新设计。很难将临时电线添加到高速互连中，除非电路的慢速部分需要临时电线。
为了减少布线（以及相关故障）
如果内部布线是故障的根源，那么似乎有些地方出了问题。通常就是“插上东西然后忘掉它”。我会就此停下来，重新评估发生了什么，实际记录的故障率是多少（相对于感知的故障率），等等。
工业以太网可以配备高可靠性、抗震连接器等。据传，我曾在机器机柜内部署过工业以太网，布线非常牢固，因为它经过了我们放置环境的认证，制造商为其产品提供保障。我们遇到的唯一互连故障来自点对点“PLC 式”布线。
这听起来有点像您的项目最终可能会用一堆昂贵的定制工程取代现成的工业跳线。
您的难题肯定没有唯一的正确答案。从硬数据和一些现场故障成本估算开始。审查现有设计，了解在预期环境之外使用电缆和连接器的情况。您是从值得信赖的电缆制造商（例如 L-Com）购买跳线，还是购买普通产品？
在我看来，您对这个项目的总体看法值得怀疑。不一定是错的，只是您提供的信息太少（并且可以在不违反公司政策的情况下提供），无法提供可靠的指导。您可能希望聘请一位在千兆位工业以太网方面有经验的顾问或增值转售商来处理这些事情。