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글/ 아나로그디바이스(Analog Devices)

PoE(Power over Ethernet) 기술을 활용하면 기존의 CAT5/5e/6 이더넷 케이블을 통해 데이터 전송과 전원 공급을 할 수 있다. PoE 시스템은 감시 카메라, 홈/빌딩 제어, 디지털 간판, VoIP 전화기, 와이파이 액세스 포인트 같은 애플리케이션에 사용하기에 유용하다는 것이 입증되었다. 이 글에서는 PoE 시스템 설계, 그 중에서도 특히 PD(powered device) 전원 서브시스템 설계에 관해서 자세히 알아본다. 

PoE 시스템

PoE 시스템은 네트워크 스위치나 미드스팬 인젝터 스위치 같은 몇몇 형태의 PSE(power sourcing equipment)와 PD 장비들로 구성된다(그림 1).

그림 1. PSE(위)와 PD(아래) 장비들로 구성되는 PoE 시스템 예시

PoE는 최종 장비에 연결해야 하는 케이블 수를 줄일 수 있다는 점에서 유리하다. 단일 이더넷 케이블을 사용하므로 설치를 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 중앙에서 전원 관리가 가능하다. 다시 말해, PD들을 원격으로 켜고 끌 수 있으며, PSE가 무정전 전원공급장치(UPS) 전원을 사용한다면 AC 전원이 끊기더라도 PD 장비들을 계속해서 작동시킬 수 있다.

물론, 엔드포인트까지 효율적으로 제공할 수 있는 전력의 양과, 전력을 공급하는 네트워크 스위치에서부터 엔드포인트까지의 거리에는 제한이 있다. 표준에서 정의하고 있는 PoE 가능 스위치에서부터 PoE PD까지의 최대 거리는 100미터이다. 하지만 PoE 이더넷 확장기를 사용하면 이 거리를 늘릴 수 있다.

전원은 이더넷 케이블의 트위스티드 데이터 와이어를 사용해서 공급된다. 각각의 이더넷 케이블은 4쌍의 데이터 와이어를 포함한다. 기가비트 이더넷(현재 가장 널리 사용되는 유형)은 4쌍 모두 데이터를 전송한다. 전원은 그림 2에서 보듯이 이들 4쌍의 와이어 중에서 2쌍의 와이어 조합을 사용해서 공급할 수 있다. 두 가지 조합 방식 중 하나를 Alternative A라고 하고, 나머지 하나를 Alternative B라고 한다.

IEEE 표준을 충족하려면, PD는 Alternative A와 Alternative B를 모두 지원해야 하고, PSE는 Alternative A나 Alternative B를 지원하거나, 또는 둘 다 지원할 수 있다.

그림 2. Alternative A와 Alternative B 전원 연결 방식을 보여주는 PoE 에코시스템

IEEE 표준은 엔드포인트에 공급할 수 있는 전력량을 규정하고 있다.

• IEEE802.3af는 2003년에 승인된 첫번째 표준으로서, 이더넷 케이블에서 2쌍의 와이어를 사용해 15.4W/포트를 출력하도록 규정했다. 이는 100미터 거리에서 PD가 12.95W의 전원을 공급받을 수 있다는 것을 뜻한다.

• 2009년에는 IEEE가 PoE+ 표준(802.3at)을 승인했다. 이 표준을 통해 PD는 100미터 거리에서 25.5W의 전원을 공급받을 수 있다. 이 표준은 하위 호환이 가능하므로, 이전 표준 기반의 PD들이 새로운 표준의 PSE와 함께 작동할 수 있다.

• 2018년 9월에 승인된 IEEE 802.3bt는 100미터 거리에서 PD에 71W를 공급한다. 이 표준에 따라 PSE는 단일 이더넷 케이블을 이용해 100W를 출력할 수 있게 되었고, 그럼으로써 PoE 시장을 LED 조명이나 대형 디스플레이 분야까지 확대하게 되었다.

표 1은 PSE가 공급하고 PD가 공급받을 수 있는 전압 범위를 보여준다.

PoE 시스템 설계: PD 전원 서브시스템

통상적인 PD 전원 서브시스템은 그림 3과 같은 모습이다.

그림 3. PoE PD 전원 서브시스템 (위: 비절연형, 아래: 절연형) 

PD 전원 서브시스템은 이더넷 케이블로부터 전원을 받아들이는 PD 인터페이스 컨트롤러와 이것을 회로 기능에 필요로 하는 전원 레일로 하향 조정하는 DC-DC 컨버터로 구성된다. 표 2는 PD가 PoE 커넥터로부터 인출할 수 있는 최대 전력량을 보여준다. PD는 PD 인터페이스 컨트롤러의 분류에 따라 자신의 클래스를 확인하고 해당 클래스에 따른 적정 전력량을 수신해야 한다. PD 클래스 분류에 관한 자세한 내용은 IEEE802.3bt 표준에서 확인할 수 있다. 

적합한 전원 솔루션을 선택하기 전에, 다음의 체크 리스트들을 확인하는 것은 자신이 설계하고자 하는 PD의 요건을 파악하는 데 도움이 된다:

• PD에 얼마나 많은 전력이 필요한가?

PD가 필요로 하는 최대 전력에 근거해서 그에 부합하는 적정 클래스를 선택한다. 이때, PD 전력보다 지나치게 높은 클래스를 선택하지 않는 것이 좋다. 한 가지 이유는 전력량이 높아질수록 전원 솔루션에 지불해야 할 비용이 늘어나기 때문이고, 또 다른 이유는 동일한 PoE 네트워크에 연결된 다른 PD들에 PSE가 할당할 수 있는 전력량이 줄어들기 때문이다.

• 절연이 필요한가?

PD와 PSE는, 프레임 접지(사용할 경우)를 포함한 모든 접근 가능한 외부 도체들과, PD나 PSE에 사용되지 않는 것을 포함한 모든 MDI(media-dependent interface) 리드들 사이에 절연을 제공한다. 사용자는 서로 다른 전기 절연 특성이 필요한 두 가지 배전 환경을 고려해야 한다. 

o A 환경: LAN 또는 LAN 세그먼트와 모든 연결된 장비가 전적으로 단일 저전압 배전 시스템과 단일 빌딩 이내로 국한되는 경우이다. A 환경용 다중포트 네트워크 인터페이스 디바이스(NID)는 링크 세그먼트들 사이에 전기 절연을 필요로 하지 않는다. 

o B 환경: LAN이 개별 배전 시스템 사이의 경계나 단일 빌딩의 경계를 넘어가는 경우이다. 이러한 환경에서는 여러 PSE와 PD를 갖춘 장비, 또는 PSE와 PD 모두가 각각 관련 MAU/PHY(medium attachment unit/physical layer)의 절연 요구 사항을 충족하거나 능가해야 한다. 

예를 들어, PD가 단일 디바이스이고 어떠한 외부 커넥터가 없고 플라스틱 케이스 안에 들어 있다면(예: 보안 카메라, PoE-LED 전구, 저가형 IP 전화기 등) 절연이 필요하지 않다. 이 경우에는 비절연형 전원 솔루션을 선택함으로써 설계를 간소화하고 비용을 낮출 수 있다.

• PD를 벽면 전원도 이용할 수 있도록 설계해야 하는가?

예를 들어 아직 PoE가 가능하지 않은 건물에서 IP 전화기를 사용하기 위해 AC 전원 어댑터 입력이 필요할 수 있다. 그러므로 PoE가 가능하지 않은 곳에서 PD를 사용해야 하는 경우에는 벽면 전원과의 인터페이스 기능을 지원하는 PD 인터페이스를 선택해야 한다.

• 관계 당국의 규제를 준수하기 위해 PD가 저전력 대기 모드를 지원할 필요가 있는가?

IP 전화기 같은 장비가 휴지 시간(업무 시간 중 사용되지 않을 때)과 슬립 시간(업무 시간이 아닐 때)에 되도록 더 적은 전력을 소모하도록 하는 것과 같이, 녹색 전력 기능에 대한 규제가 갈수록 엄격해지고 있다. 규제를 준수하고 보다 친환경적인 세상을 만드는 데 기여하기 위해서 MPS(maintain power signature) 및 저전력 슬립 모드 같은 기능을 포함하는 PD 인터페이스 컨트롤러를 선택한다.

• 고효율이 중요한가?

효율이 높으면 전력 손실을 줄임으로써, PD의 방열 요건을 완화할 수 있다. 열 발산이 낮아지면 동작 온도를 낮출 수 있으며, 이는 신뢰성 향상으로 이어진다. PD가 작동하기 위해서 가령 60W 정도의 높은 전력이 필요하다고 가정할 때, 효율이 80%인 PD라면 60W/80% = 75W의 입력 전력이 필요할 것이다. 이는 PD가 커넥터로부터 인출할 수 있는 최대 전력인 71W(클래스 8)를 초과하므로 PoE 활용이 불가능하다. 효율이 90%인 PD라면 60W/90% = 67W의 입력 전력을 필요로 하므로, 클래스 8(71W) 요건을 여유 있게 충족할 수 있다. 이러한 경우, 고효율은 필수다. 아울러, 설계하는 PD의 클래스를 되도록 낮게 하는 것이 항상 바람직하다. 그렇게 함으로써 시스템에서 남는 PoE 전력을 더 많은 PD 디바이스들로 할당할 수 있다. 고효율은 경계선 상에 있는 PD를 보다 낮은 전력 클래스에 포함될 수 있게 한다.

PD 인터페이스 컨트롤러 선택

PD 인터페이스 컨트롤러를 선택할 때는 다음과 사항들을 고려해야 한다.

• IEEE 802.3af/at/bt 호환

• 타입 1~4 PSE 클래스 지시기 또는 외부 벽면 전원 지시기 출력

• 간소화된 벽면 전원 인터페이스

• 멀티 이벤트 클래스 0~8

• 지능형 MPS

• 슬립 모드 및 초저전력 슬립 모드

이는 앞서 언급한 대부분의 PD 요구 사항을 충족하는 특성들이다. 나머지 요건들은 DC-DC 컨트롤러를 사용해서 충족할 수 있다. 표 3은 권장할 만한 몇몇 PD 인터페이스 컨트롤러 제품들과 이들 제품의 주요 특징을 보여준다.

비절연형 DC-DC 컨버터 선택

PD가 절연이 필요 없다면, DC-DC 컨버터로는 고전압 벅 컨버터가 적합할 것이다. 효율, 총 솔루션 크기, 비용을 중요하게 고려해야 한다. 이러한 요건들을 고려하면 동기 정류, 넓은 입력 전압 범위, 높은 집적 수준을 특징으로 하는 부품들을 사용해야 한다. 그림 4는 효율과 크기 요구 사항을 충족하는 비절연형 DC-DC 컨버터 솔루션의 예를 보여준다. 이것은 클래스 3 PD이다. MAX5969B는 PD 인터페이스이고, MAX17503은 DC-DC 벅 컨버터(비절연형)이다. 출력은 5V/2.5A이고, 피크 효율은 92%이다.

그림 4. MAX5969B와 MAX17503을 사용한 클래스 3 PD(비절연형)

그림 5는 또 다른 비절연형 DC-DC 컨버터의 예로서, 5V/300mA인 MAXM15064 µSLIC 전원 모듈을 사용한 클래스 1 솔루션이다. MAXM15064는 매우 작은 크기의 µSLIC 10핀 2.6mm x 3.0mm x 1.5mm 패키지로 제공된다.

그림 5. MAX5969B와 소형 µSLIC 전원 모듈 MAXM15064를 사용한 클래스 1 PD(비절연형)

절연형 DC-DC 컨버터 선택

PD에 절연이 필요한 경우에는 약 40W의 전력(클래스 5 이하)을 제공할 수 있는 플라이백 컨버터가 적합할 것이다. 필요한 부품 수를 최소화하는 제품을 사용함으로써 보드 공간을 절약하고 비용을 낮출 수 있다. 예를 들어 출력 전압 레귤레이션을 위한 피드백에 옵토커플러가 필요 없는 절연형 플라이백 컨트롤러를 사용함으로써 많은 외부 부품을 없앨 수 있고, 그럼으로써 그만큼의 보드 공간을 절약하고 비용을 낮출 수 있다. 또한 옵토커플러는 시간이 지나면서 성능 저하를 일으키므로, 옵토커플러를 사용하지 않는 것은 신뢰성을 높이는 결과를 가져온다.

그림 6은 절연형 DC-DC 컨버터 솔루션의 예시다. 이는 클래스 2 PD이고, 5V/1A 출력을 낼 수 있으며, 12V~57V 벽면 전원 입력 전압으로 동작할 수 있다. 이 솔루션은 PD 인터페이스로서 MAX5969B와, 옵토커플러를 필요로 하지 않는 플라이백 DC-DC 컨버터로서 MAX17690을 사용한 것이다.

그림 6. MAX5969B와 옵토커플러를 필요로 하지 않는 MAX17690을 사용한 클래스 2 PD(절연형) 

플라이백 DC-DC 컨버터의 효율을 더 향상시키기 위해 출력 정류 다이오드를 동기 정류로 교체할 수 있다. 그림 7의 회로는 이러한 예를 보여준다.

그림 7. MAX5969B와 MAX17690 조합에, 효율을 극대화하기 위한 옵션으로 

출력 동기 FET 드라이버인 MAX17606을 사용하는 클래스 2 PD(절연형) 

40W 이상의 출력 전력을 위해서는, 플라이백 컨버터도 잘 작동하기는 하지만, 더 높은 효율을 달성하기 위해 능동형 클램프-포워드 컨버터를 사용할 것을 권장한다. 높은 출력 전력에서는 PD에서 발열을 줄이기 위해 효율이 매우 중요하다. 능동형 클램프-포워드 컨버터는 그 소프트 스위칭 에지 덕분에 낮은 전자기 간섭(EMI) 특징을 갖는다. 그림 8은 능동형 클램프-포워드 DC-DC 컨버터를 예시한 것이다. 이 컨버터는 91.5%의 피크 효율로 700mA, 57V의 절연형 출력 전압(총 40W)을 제공한다.

그림 8. MAX5969B와 MAX17599 능동형 클램프-포워드 DC-DC를 사용해 

고효율을 달성하고 EMI를 낮추는 클래스 5 PD(절연형)

맺음말

갈수록 더 많은 디바이스들이 네트워크로 연결됨에 따라, 커넥티버티와 전원 모두를 제공하는 단일 이더넷 케이블 상에서 이들을 구동하는 것은 편리한 옵션이 된다. 뿐만 아니라 중앙에서 관리가 가능한 스위치를 통해 전원을 공급하므로, 디바이스를 원격으로 켜고 끌 수 있으며 로컬 전원이 중단되더라도 계속해서 작동할 수 있는 점과 같은 다른 장점도 가진다.

가장 최신 표준인 IEEE 802.3bt 표준은 더 다양한 유형의 디바이스들에게 PoE를 통해 전원을 공급할 수 있게 해준다. 공급할 수 있는 전력량이 증가함에 따라, 복잡한 전원 시스템 설계를 지원하기 위해 더 높은 효율과 더 넓은 입력 전압 범위가 필요해졌다. 시스템에 사용하도록 잘 레귤레이트된 전압을 제공하기 위해서는 PD 컨트롤러와 DC-DC 컨버터를 신중하게 선택하는 것이 중요하다.

참고문헌

• PoE Chipsets Market Size Worth $1.22 Billion by 2025 | CAGR. 12.6%. Grand View Research, Inc. 14 Aug. 2018, www.prnewswire.com/news-releases/poe-chipsets-market-size-worth-1-22-billion-by-2025-cagr-12-6-grand-view-research-inc--843035168.html.

• https.//www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/power-over-ethernet-solution-market-84424663.html?gclid=EAIaIQobChMI86airsDm3wIV8iCtBh2-vg5rEAAYASAAEgK3y_D_BwE

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