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글/ 토마스 브랜드(Thomas Brand) FAE, 아나로그디바이스(Analog Devices)

공정 자동화 시스템에서는 온도, 압력, 유량, 습도 같은 주요 파라미터들을 모니터링하고 측정해야 한다. 인더스트리 4.0 시대에 이더넷은 통신 표준으로서 널리 사용되고 있다. 이더넷은 유선 기술이고 일반적으로 트랜스미터와 센서는 전원을 공급받아야 한다는 점에서 다음과 같은 질문이 제기된다: “이더넷 케이블을 통해서 데이터 전송과 전원 공급을 둘 다 할 수는 없을까?”

이 글에서는 이더넷 디바이스가 케이블을 통해서 어떻게 데이터 전송과 전원 공급을 동시에 할 수 있는지 설명한다. PoE(Power over Ethernet) 시스템은 현재 산업 분야에 널리 사용되고 있으며, 앞으로 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

PoE 표준

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IEEE 802.3af PoE 표준에서는 Cat-5 케이블을 통한 전원 공급 방법에 관해서 정의하고 있다. 기존에 PoE 표준은 수 와트로 제한되었으나, 새로운 PoE 기술은 더 높은 전원 공급이 가능해졌다. 예를 들어 PoE+는 포트당 최대 25W의 전원 공급이 가능하며, PoE++는 케이블의 모든 와이어를 사용해서 70W ~ 100W까지 가능하다. PoE 표준과 더불어, 아나로그디바이스(Analog Devices)는 ‘LTPoE++’라고 하는 고유의 표준 규격을 개발했다. LTPoE++는 90W PD(powered device) 전원 공급이 가능하다(표 1).

표 1: 아나로그디바이스(ADI)의 새로운 PoE 표준

LTPoE++는 다른 솔루션들에 비해 PoE 시스템의 복잡성을 낮춘다. LTPoE++는 플러그-앤-플레이 기능을 지원하고, 구현하기가 쉬우며, 안전하고도 견고한 전원 공급이 가능하다. 뿐만 아니라 IEEE의 PoE 표준과 상호운용 및 역호환도 보장한다. 다만 시스템 손실과 케이블 손실 때문에 실제 사용 가능한 전력은 지정된 PD 전력보다 낮을 수 있다. 이는 PoE+와 PoE++도 마찬가지다.

PoE 아키텍처

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이더넷 케이블을 통해 전원을 공급하기 위해서는 2가지 디바이스가 필요하다. 전원을 공급받는 디바이스(powered device, PD)와 전원을 공급하는 디바이스(power sourcing equipment, PSE)가 그것이다.

그림 1: PoE 시스템의 블록 다이어그램

PSE는 전원장치처럼 전원을 공급하는 일을 하고, PD는 전원을 공급받아 사용한다(부하). PSE는 호환되지 않는 디바이스와 연결될 때 손상을 방지하기 위해서 파워업 시에 상호 검증 절차(signature process)를 포함한다. 이 절차는 먼저 PD의 인증 저항값을 검사한다. 이 값이 적절해야(25kΩ) PD가 전원을 공급받을 수 있다. PSE가 PD를 인식한 다음에는 연결된 디바이스의 전력 요건을 확인한다. 이를 위해 PSE는 지정된 전압을 인가하여 결과 전류를 측정한다. 이 전류 레벨에 따라서 PD에 전력 등급을 부여한다.

 모든 것이 적절하면 최대의 전압과 전류가 공급된다. PD로 전원이 공급되었으면 PD가 -48V의 PoE 전압을 단말기에 적합한 공급 전압으로 변환한다. 통상적인 PD 설계에는 추가적인 DC-DC 컨버터(다이오드 브리지 컨트롤러)가 사용된다. 지원하고자 하는 장치의 전력 요건에 따라서 이 컨버터가 전력을 조절한다. 최신 IC들은 저전력 등급용으로 인터페이스와 DC-DC 컨버터를 단일 소자에 통합함으로써 설계를 간소화한다.

PD는 IEEE 802.3 PoE 표준에 따라서 어떠한 극성의 DC 동작 전압이든 이더넷 입력을 통해서 수용할 수 있어야 하므로, PD 입력 전위에 2개의 다이오드 브리지를 필요로 한다. 따라서 PD는 사용되는 와이어 쌍에 상관없이 역 극성으로 동작한다.

손쉬워진 PD 구현

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ADI의 LT4276은 LTPoE++, PoE+, PoE 표준을 충족하며 절연형 스위칭 레귤레이터를 통합한 PD 컨트롤러이다. 포워드 토폴로지와 플라이백 토폴로지 모두 동작이 가능하며, 2W ~ 90W까지의 전력 등급에 맞춰 동작할 수 있다. 전력 등급이 더 낮고 전력 MOSFET을 통합한 기존의 PD 컨트롤러들과 달리, LT4276은 외부 MOSFET을 구동할 수 있는 옵션을 제공한다. 이로써 손실을 낮추고 효율을 높일 수 있다.

IEEE 802.3 이더넷 표준에서는 디바이스 하우징의 접지 배선에 대해서 전기 절연을 하도록 정의하고 있으므로, LTC4290 / LTC4271 절연형 컨트롤러 칩셋은 PSE로 사용하기에 적합하다. LTC4271은 비절연 측에서 PSE 호스트로 디지털 인터페이스를 제공하고, LTC4290은 절연 측에서 이더넷 인터페이스를 제공한다. 이들 두 디바이스는 간단한 이더넷 트랜스미터를 사용해 연결된다. 이 견고한 PSE 칩셋 설계를 사용함으로써, 사용자는 추가 부품을 사용할 필요 없이 절연형 전원을 손쉽게 구현할 수 있다.

PD 측에서는 풀브리지 정류기의 2개 다이오드를 아이디얼 다이오드로 대체하면 전반적인 PoE 시스템의 전력을 높이고 효율을 높일 수가 있다. 따라서 MOSFET을 통상적인 다이오드처럼 사용하고 제어할 수 있다. 이렇게 하면 낮은 채널 저항(RDS(ON)) 때문에 포워드 전압을 크게 낮출 수 있다. LT4321 아이디얼 다이오드 브리지 컨트롤러와 LT4295 PD 컨트롤러를 결합해서 4개의 MOSFET을 풀브리지 구성으로 제어할 수 있다(그림 3).

그림 2: PoE 회로 구성의 예

그림 3: 기존의 다이오드 정류 vs 다이오드 브리지 컨트롤러를 사용한 구동

PoE를 사용함으로써 이더넷 디바이스가 RJ45 케이블을 통해서 데이터를 전송하면서 동시에 전원을 공급할 수 있다. ADI가 개발한 고유의 표준 규격인 LTPoE++는 최대 90W의 전력을 지원한다. LTPoE++는 전원장치 설계를 간소화하는 견고한 고전력 PoE 솔루션을 제공한다.

ADI의 크로노스(Chronous) 포트폴리오는 혁신적인 산업용 이더넷 제품들을 제공한다. 여기에는 실시간 이더넷 스위치, PHY, 프로토콜 처리 제품, 다양한 네트워크 인터페이스 제품이 포함된다. ADI는 최근 크로노스 포트폴리오에 2개의 견고한 산업용 이더넷 PHY 제품인 ADIN1300(10Mbps~1Gbps)과 ADIN1200(10Mbps~100Mbps)을 추가했다. ADI의 PoE 기술과 이들 새로운 PHY 제품이 결합함으로써, 크로노스 제품군은 데이터와 전원을 동시에 공급하기 위한 동급 최고의 시스템 레벨 솔루션을 제공한다.

저자 소개
토마스 브랜드(Thomas Brand)는 2015년에 석사 논문을 쓰면서 아나로그디바이스(Analog Devices)와 인연을 맺었다. 졸업 후에 ADI에서 수습 기간을 마치고, 2017년에 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)가 되었다. 현재는 중부 유럽의 주요 산업용 고객들을 지원하는 업무를 맡고 있으며, 산업용 이더넷을 전문 분야로 하고 있다. 모스바흐 산학협력 대학에서 전기공학을 전공했으며, 콘스탄츠 응용과학 대학에서 국제 무역 석사학위를 취득했다. 문의: thomas.brand@analog.com