이더넷을 통한 전력 공급(PoE) 소개

단일 Cat3 또는 Cat5 케이블을 통해 전력과 통신을 결합하면 엔지니어가 별도 시스템을 채택하여 설치할 때에 비해 유지 보수 부담이 적은 이더넷 네트워크를 빠르고 경제적으로 구성할 수 있습니다. 이 기술이 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 표준에 빠르게 포함되어 공인된 것은 놀랄 일도 아닙니다. “이더넷을 통한 전력 공급”(PoE)이라고 불리는 이 기술의 주요 이점은 데이터 소켓이 있는 곳이라면 어디서나 전력을 이용할 수 있다는 사실과 단순성에 있습니다.

이 기사에서는 표준을 간략하게 살펴보고, 구성 부품, 구동 장치, 전원 공급 장비, “미드스팬” 및 “엔드스팬” 이더넷 스위치와 스플리터, 간단한 시스템을 설명하며 PoE와 고전력 PoE+를 소개합니다.

초기 PoE

PoE는 처음에 VoIP(Voice over Internet Protocol) 전화를 구동하는 문제에 대한 해결책으로 등장했습니다. 기존 전화는 음성 통화를 전달하는 동선으로 직접 전력을 공급했습니다. 하지만 점점 인기가 높아지면서 VoIP 전화는 기존 회로에 연결되는 대신 자사 광역 네트워크(LAN)의 이더넷 케이블을 통해 통화하고 있습니다. 이더넷 케이블은 전력을 전달하지 않으므로 어댑터를 통해 VoIP 전화를 주 공급 장치에 연결해야 했습니다. 이 방법은 명쾌한 솔루션이 아니며 건물에서 전력이 끊기면 전화를 사용하지 못했습니다.

2000년에 통신 장비 벤더인 Cisco는 이더넷 케이블을 통해 48V_DC 전력을 공급하여 VoIP 전화를 구동할 수 있는 독점 기술을 도입함으로써 기존 전화 시스템을 모방한 최초의 회사가 되었습니다(그림 1). 하지만 PoE는 2001년과 2002년에 다른 제조업체, 특히 무선 액세스 포인트 제조업체에서 이 기술을 활용하면서 실제로 급성장할 수 있었습니다.

그림 1: PoE를 통합한 Cisco VoIP 전화(Cisco 제공)

오래전인 1983년에 "이더넷 표준"(IEEE 802.3) 설정을 담당했던 IEEE가 이 기술에 관심을 보였습니다. IEEE는 제조업체에서 "PoE 지원" 제품을 만드는 데 이 기술로 PoE 표준 버전을 구축하는 것이 중요하다고 믿었습니다. IEEE 802.3 이더넷 위원회의 실무 분과 위원회에 “802.3af” 작업이 할당되었습니다. 2003년 6월에 실무 분과 위원회는 IEEE 802.3af PoE 표준을 비준했습니다. 2009년에는 더 많은 전력을 처리할 수 있는 유사한 기술을 정의한 두 번째 표준 IEEE 802.3at가 비준되었습니다.

표준으로 정의된 내용

IEEE 802.3af에서는 최대 15.4W의 DC 전력(최소 44V_DC 및 350mA)을 각 장치에 공급하도록 설계된 PoE 기술을 자세히 정의합니다. 케이블에서 발생하는 손실로 인해 장비를 구동하는 데 사용할 수 있는 보장 전력은 12.95W에 불과합니다.

이 기술에서는 단일 표준 RJ45 커넥터 및 Cat5(또는 Cat3) 케이블을 사용하며 수십 와트의 전력을 처리할 수 있습니다. 통신용으로 설치한 이더넷 네트워크를 전력 공급에도 사용할 수 있으므로 재료, 노동, 설치 시간 및 지속적인 유지 보수 비용을 절약할 수 있습니다.

일반 10Mbps ~ 100Mbps 물리층(이 기술을 IEEE 표준에서는 “대체 B”라고 함)에는 Cat5 배선의 네 쌍 중 두 쌍만 필요하므로 이더넷 케이블의 사용되지 않는 컨덕터를 통해 전력을 송신할 수 있습니다. 각 쌍에 공통 모드 전압을 적용하여 케이블의 데이터 컨덕터를 통해 전력을 송신할 수도 있습니다. 이더넷에서는 차등 신호를 사용하므로 이렇게 해도 케이블의 데이터 전송(이 기술을 표준에서는 “대체 A”라고 함)을 방해하지 않습니다.

IEEE 802.3af에서는 전력 공급 장비(PSE)와 구동 장치(PD)라는 두 가지 유형의 PoE 장치를 정의합니다. PSE는 자체적인 기존 전원 공급 장치의 전력을 소비하고 이더넷 케이블 네트워크를 통해 PD에 송신되는 전력을 관리하므로, 내장된 전원 공급 장치 없이 RJ45 커넥터를 통해 필요한 전력을 수급할 수 있습니다. PoE는 최대 100m 일반 이더넷 케이블 배선을 통해 PD를 구동할 수 있습니다. PD는 원래 VoIP 전화, 무선 액세스 포인트, 보안 카메라, 판매 시점 관리(POS) 단자, 온도 제어 시스템, 기내 엔터테인먼트 시스템 등과 같은 장치입니다.

IEEE PoE 표준은 예비 쌍 및 공통 모드 데이터 쌍 전력 송신을 위한 기존 방법을 표준화할 뿐만 아니라 PSE와 PD 사이에서 신호를 제공합니다. PSE에서 이 신호를 사용하여 규격 장치를 감지할 수 있으므로 네트워크에 연결된 PoE 이외 장치가 손상되는 것을 방지할 수 있습니다. PSE와 PD는 필요하거나 사용 가능한 전력량을 ‘협상’합니다. PD를 감지하기 위해 PSE에서는 컨덕터 전반에 2.8V ~ 10V 사이의 DC 전압을 적용합니다. 그런 다음 PSE는 루프 전류를 측정하여 연결된 PD가 있는지 확인합니다. PD는 120nF의 병렬 커패시터를 통해 19kΩ ~ 27kΩ 사이의 저항 부하를 신호로 제공해야 합니다.

그림 2에서는 PD를 구동하는 PSE의 회로도를 보여줍니다.

그림 2: 일반 PoE 응용 제품(Texas Instruments 제공)

표준의 향상

PoE는 약 13W의 전력을 PD에 공급할 수 있지만 일부 장치는 더 높은 전력을 활용할 수 있습니다(예: 팬, 틸트, 줌(PTZ) 기능이 있는 카메라). 이러한 제품에 대응하기 위해 2009년에 두 번째 표준인 IEEE 802.3at를 도입했습니다. “PoE+”라고도 하는 이 기술은 최대 25.5W DC를 PD에 공급할 수 있습니다. PoE는 44V ~ 57V_DC를 공급하는 데 비해 PSE는 50V ~ 57V_DC를 공급합니다. PoE+는 전류를 이전 기술의 350mA에 비해 600mA로 높였습니다.

PoE+에서는 내부 전선이 8개인 Cat5 케이블만 사용하므로(Cat3의 경우 4개) 임피던스가 발생할 가능성이 작아지고 내전력이 감소합니다. 또한 PoE+는 네트워크 관리자에게 새로운 원격 전력 진단, 상태 보고, PD 전력 관리(내장형 장치의 원격 껐다 켜기 기능 포함)와 같은 향상된 기능을 제공합니다.

마지막으로 PoE+는 작동 전력 할당, 최적화된 전력 분배, 우수한 전원 공급 장치 사용률을 제공하여 시스템 효율을 높이고 비용을 절감합니다.

표 1에서는 PoE(IEEE 802.3af)와 PoE+(IEEE 802.3at)를 비교합니다.

표 1: PoE 및 PoE+ 비교

엔드스팬 및 미드스팬

PSE를 엔드스팬(이더넷 PoE 지원 스위치) 또는 미드스팬(네트워크에 이미 배치된 무동력 이더넷 스위치와 함께 사용되는 전력 허브)으로 구현할 수 있습니다. PD는 엔드스팬 또는 미드스팬에서 균일하게 전력을 수신할 수 있습니다.

엔드스팬은 장치에 전력을 직접 적용합니다. 사양에 따라 엔드스팬은 케이블에서 예비 쌍 또는 데이터 쌍을 사용할 수 있으며, 기기비트 이더넷 전송에도 사용될 수 있습니다. 엔드스팬은 PoE 지원 스위치가 필요하므로 새 장비가 필요한 신규 설치에 지정하는 경향이 있습니다.

미드스팬은 기존 이더넷 스위치와 PD 사이에 배치된 중간 구동 패치 패널 또는 ‘인젝터’를 사용합니다. 미드스팬은 일반적으로 스위치와 인접해 있고 PSE로 간주되며 원격 장치에 방해되지 않고 케이블을 연결할 수 있습니다. 이 사양에서 미드스팬은 예비 부품만 케이블에 사용할 수 있습니다. 따라서 기가비트 이더넷 연결과 같은 데이터 회선을 통해 전력을 전송하는 데 사용할 수 없습니다.

기존 이더넷 네트워크에 즉시 추가할 수 있는 다양한 미드스팬 인젝터가 있습니다. Laird Technologies는 이 응용 분야를 위한 POE-48I 전원 공급 장치를 공급합니다. 이 전원 공급 장치는 입력 측에서 자동으로 범위가 조정되며 정격 전압 출력을 제공합니다. 이 장치는 IEEE 802.3af 표준을 준수하는 모든 장비에서 작동합니다. POE-48I은 단일 포트를 포함하고 최대 24W 전력에 대해 500mA에서 48V를 제공할 수 있습니다.

Microsemi Analog Mixed Signal Group은 고전력 IEEE 802.3at 표준을 준수하는 단일 포트 미드스팬 인젝터인 PowerDsine 9001GR을 제공합니다. 55V에서 최대 30W를 생성하여 9001GR은 PTZ 카메라, 비디오폰을 비롯한 새로운 응용 분야에 대한 원격 구동을 지원합니다. 이 장치는 하위 버전인 IEEE 802.3af와 호환되며 기존 10/100Base-T 네트워크 장치 및 새로운 무선 1000Base-T 장치(예: WiMAX 및 IEEE 802.11n 무선 액세스 포인트)를 구동할 수 있습니다. 그림 3은 일반 응용 제품을 보여줍니다.

그림 3: PowerDsine 9001GR 미드스팬 이더넷 스위치용 응용 제품의 예

또한 다양한 다중 포트 미드스팬을 사용할 수 있습니다. Phihong은 8포트, 16포트 및 24포트 미드스팬을 공급합니다. POE370U는 IEEE802.3af를 준수하는 24포트 미드스팬 인젝터입니다. 각 포트에서는 추가적인 전력 관리 없이 15.4W를 공급합니다. 이 장치는 감지, 분리 및 과부하 보호 기능을 제공하며 1U 랙 실장 키트와 함께 공급될 수 있습니다.

또한 미드스팬 제조업체는 ‘스플리터’를 제공할 수 있습니다. 스플리터는 데이터와 전력의 두 출력으로 분할되는 PoE 입력을 사용하는 장치입니다. DC 케이블과 같은 기존 방식을 사용하여 전력을 말단 장치로 리디렉션할 수 있습니다. 스플리터는 규격 PSE와 비규격 PD 사이에서 중개 장치 역할을 합니다.

Laird Technology는 IEEE 802.3af 라우터 또는 전원 공급 장치에서 PoE 전력을 수용할 수 있는 POE-12S-AFI 활성 PoE 스플리터를 공급합니다. 이 장치는 과부하 및 단락 보호 기능을 통합하여 단락이 감지될 경우 PoE 시스템 손상 없이 즉시 전력을 차단합니다.

엔드스팬 또는 미드스팬 PoE 네트워크 선택

엔드스팬은 구현하는 데 더 큰 비용이 들고 IEEE 표준에 정의된 PD에서만 작동하지만, 이 기술을 선택하는 것이 좋은 몇 가지 이유가 있습니다. 예를 들어 엔지니어는 이전 스위치를 모두 교체하거나 다시 설치하려는 경우에 엔드스팬 스위치를 선택하는 경향이 있습니다.

엔드스팬을 선택하는 다른 이유는 기존 이더넷 스위치를 미드스팬 PoE 허브와 연결할 때의 추가 작업과 어수선하고 불편한 추가 패치 코드를 방지하기 위한 것입니다. 또한 두 개의 장치로 인해 잠재적 장애 지점이 두 배로 증가하고 네트워크상의 장비마다 별도의 IP 주소를 주장하는 회사에서 근무하는 관리자의 경우 생활이 더 복잡해집니다.

엔드스팬 스위치를 선택하는 엔지니어는 많은 엔드스팬 장치가 최대 200W의 전력만 제공할 수 있으므로 24포트 스위치의 경우 포트당 최대 8.3W만 공급할 수 있다는 사실을 알아야 합니다. 이는 PoE 표준에서 지정된 15.4W 최대 전력보다 작습니다.

상대적으로 새로운 이더넷 스위치를 이미 배치한 엔지니어는 PoE 기능을 얻기 위해 스위치를 교체하기에는 비용이 많이 들기 때문에 미드스팬 스위치를 선호합니다. 하지만 엔지니어는 스위치 제조업체가 네트워크에서 미드스팬 제품을 지원하는 것을 만족해하고 미드스팬을 수용할 충분한 공간이 있는지 확인해야 합니다.

전기적 측면에서 네트워크 엔지니어가 특정 PD에 24V, 12V, 5V와 같은 비표준 전압을 사용하고 각 포트에서 사용 가능한 전력량을 최대화하고자 할 때 미드스팬 스위치를 선호합니다. 또한 미드스팬 스위치는 자체 전원이 있는 많은 기존 장치와 PoE 장치로 구성된 네트워크에 유용한 옵션입니다.

미드스팬 스위치는 보증 기간이 2년으로 엔드스팬(보증 기간 1년)에 비해 더 긴 편이고 표준 응용 제품과 독점 응용 제품 모두에서 작동할 수 있습니다.

그림 4는 엔드스팬 스위치와 미드스팬 스위치를 사용하여 구성된 네트워크를 보여줍니다.

그림 4: 엔드스팬 스위치와 미드스팬 스위치를 사용하는 네트워크의 구성도

일반적으로 PSE는 전원 공급 장치, 이더넷 네트워크 및 전원 공급 장치 간의 통신 인터페이스로 분할되는 이산 소자 회로망을 통합합니다. 하지만 쉬운 구현을 위해 실리콘 벤더들은 PoE+ 설치 작업을 최적화할 수 있는 다양한 통합 PSE 컨트롤러를 출시했습니다.

이러한 컨트롤러는 인터페이스 회로망을 선형 조정기와 결합하거나 공급 전압을 이더넷 케이블에 적합한 50V ~ 57V_DC로 변환하는 전원 공급 장치로 전환하여 PoE 및 PoE+ 장비에 필요한 외부 부품의 복잡성과 수를 줄입니다. 부품에 대한 자세한 내용은 TechZone 기사 “Power-over-Ethernet Adapts to Meet Higher Demand(더 높은 요구 사항을 충족하는 이더넷을 통한 전력 공급(PoE))”를 참조하십시오.

다음 표준 - IEEE 802.3bt

요약하면 20세기 초에 개발된 PoE는 상업용 응용 분야와 산업용 응용 분야에서 특히 인기를 얻었습니다. 이 기술은 특히 새로 설치할 경우 상대적으로 쉽게 구현할 수 있고 미드스팬 스위치의 도입으로 기존 네트워크에 PoE를 추가하는 문제를 개선했습니다. PoE+(IEEE 802.3at)의 도입으로 PD에 사용 가능한 전력이 증가하여 이전에는 전력 소비가 너무 커서 이전 기술로 작동하는 데 어려움이 있었던 새로운 응용 분야로 확장되고 있습니다.

IEEE 802.3at가 비준된 2009년 이후 더 높은 전력이 필요한 새로운 PD를 추가하려는 엔지니어가 증가함에 따라 PoE 기술은 계속해서 진화하고 있습니다. IEEE 802.3at를 보완하려는 노력으로 60W ~ 95W를 공급할 수 있는 많은 독점 PoE 프로토콜이 다음과 같은 다양한 이름으로 출시되었습니다.

• UPoE(Cisco)
• LTPoE(Linear Tech/Analog Devices)
• PoH(MicroSemi/Microchip)
• PoE++(산업)
• 4PPoE(산업)

이러한 기술은 최신 표준을 준수하지 않아서 상호 운용할 수 없으므로 비호환 하드웨어에 해로울 수 있습니다. 하지만 고전력 버전 표준을 개발하기 위한 선례를 만들었습니다.

2018년 말에 PSE 측에서 90W를 전송하면서 71.3W 전력을 PD에 제공하도록 허용하는 PoE에 대한 새로운 IEEE 802.3bt 표준이 비준되었습니다.

표 2에서는 모든 표준에 대한 PSE 전력 송신 기능과 PD 전력 수신 기능을 요약하여 보여줍니다.

표 2: 모든 표준에 대한 PoE 전력 성능(Microchip 제공)

참고 1: 케이블 길이가 2m ~ 5m 사이인 경우 PD 입력에 대한 전력 성능이 최대 60W 및 90W로 확장될 수 있습니다.

이더넷 케이블을 통해 더 많은 전력을 송신하는 기능 이외에 새로운 PoE IEEE 802.3bt 표준은 이전 IEEE 802.3af 및 IEEE 802.3at 표준과 비교해 더 다양한 새로운 특징/개선점을 정의합니다. 특징/개선점은 다음과 같습니다.

• 두 PD 구조 지원: 단일 서명 PD 및 이중 서명 PD
• 네 쌍의 이더넷 케이블을 통해 작동
• 자동 등급(자동 등급) 기능
• 알려진 케이블 길이에서 전력 성능 향상
• 낮은 대기 전력 지원(짧은 MPS)
• 2.5G-BaseT, 5G-BaseT, 10G-BaseT 지원
• IEEE 802.3at/af와 하위 호환성

새로운 IEEE 802.3bt 표준에 대한 자세한 내용은 AE Ethernet Alliance 웹 사이트에서 확인할 수 있습니다.