규격 IEEE 802.3bt 솔루션을 사용하여 고전력 이더넷을 통한 전력 공급(PoE) 설계

2003년에 이더넷을 통한 전력 공급(PoE)이 도입된 이후 전력 공급 기능이 기존 15.4W에서 30W로 크게 향상되었지만 설계자는 여전히 각자의 응용 분야에서 더 많은 것을 필요로 합니다. PoE 사양을 새롭게 수정한 IEEE 802.3bt는 전원에서 최대 60W(일부 응용 분야의 경우 최대 90W)를 지원하여 이러한 요구를 해결합니다.

이 수정 조항은 2018년 하반기에 비준되었습니다. 이제 설계 엔지니어는 최초의 상용 통합 전원 공급 장비(PSE) 컨트롤러 및 구동 장치(PD) 인터페이스를 사용하여 “고전력 PoE”를 활용할 수 있습니다.

이 기사에서는 IEEE 802.3bt와 이전 버전 PoE의 차이점에 대해 설명한 후 Microsemi, Texas Instruments(TI), Linear Technology, Nexperia의 통합 PSE 컨트롤러 및 PD 인터페이스를 소개합니다. 그런 다음 이러한 장치를 적용하여 시스템을 구축하는 가장 효과적인 방법을 소개하고 회로 보호, 설계 및 레이아웃 요구 사항 등 중요 고려 사항에 대해 살펴봅니다.

IEEE 802.3bt란?

기존 표준(IEEE 802.3af)에서는 IP 전화, Wi-Fi 액세스 포인트 등과 같은 응용 분야에서 최대 15.4W 전원이면 충분하다고 규정했지만 이는 IP 비디오 폰, 팬-틸트-줌 카메라(PTZ) 등의 최신 응용 분야에 충분하지 않습니다. 이 사양의 2009 수정 조항(IEEE 802.3at)에서는 30W 전원을 지정하여 이 문제를 해결했습니다. 최근 몇 년 동안 판매 시점 관리(POS) 단자, IEEE 802.11ac 액세스 포인트, 네트워크 LED 조명 등의 이더넷 연결 응용 분야를 지원하기 위한 전력 수요가 많이 증가했습니다.

증가하는 전력 요구를 해결하기 위해 이전 PoE 및 PoE+ 사양에 대한 새로운 IEEE 802.3bt(고전력 PoE) 수정 조항에서는 PSE 최소 출력 전력 및 PD 최소 입력 전력을 높였습니다. 주요 변경 사항으로는 Cat5e 이더넷 케이블에서 총 연선 4개를 통해 전력을 공급할 수 있습니다. PoE 및 PoE+에서는 “대체 A” 응용 분야의 데이터 회선 또는 “대체 B” 응용 분야의 예비 회선에 연선 두 개만 사용했습니다. (DigiKey 라이브러리 기사 “이더넷을 통한 전력 공급(PoE) 소개” 참조)

또한 새로운 사양은 “유형 3” 및 “유형 4” PSE 및 PD(각각 60W 및 90W 처리 가능) 도입과 출력 및 입력 전력을 위한 추가 클래스(5-8) 도입을 촉진했습니다(표 1). 이 수정 조항은 전력을 포트당 최대 100W로 제한하는 ISO/IEC 60950의 제한된 전원 및 안전초저전압(SELV) 요구 사항을 준수하도록 설계되었습니다.

표 1: 고전력 PoE(IEEE 802.3bt)와 PoE(IEEE 802.3af) 및 PoE+(IEEE 802.3at) 비교. IEEE 802.3bt에서는 전력을 높이고 새로운 PSE 및 PD 유형과 새로운 등급을 도입했습니다. (표 출처: Microsemi)

IEEE 802.3bt에 대한 수정 조항

고전력 PoE에서는 사용 가능한 전력을 높이는 것 외에도 다른 사양을 도입했습니다. 주요 개선 사항은 다음과 같습니다.

• 자동 등급 기능
• 낮은 대기 전력 지원
• 채널(케이블) 길이가 알려진 경우 확장된 전력 용량

자동 분류(또는 “자동 등급”)는 고전력 PoE에 고유하고 새로운(선택 사항) 분류 메커니즘으로, PD에서 효과적인 최대 전력 소비를 PSE에 알림으로써 PSE가 해당 레벨(채널 손실에 대비한 예비 전력과 '안전' 여유치 추가)에 맞게 전력 예산을 설정하여 시스템 효율성을 높일 수 있도록 지원합니다.

엄격한 대기 요구 사항에 따라 응용 제품을 구동하기 위해 고전력 PoE에서는 PSE 전력 유지를 보장하는 데 사용하는 최소 펄스 전류 기간을 대폭 변경했습니다. 이전에는 유형 1 및 2 PD에서 “MPS”(Maintain Power Signature)를 사용했습니다. MPS는 325ms마다 최소 75ms 동안 유지되는 10mA 펄스 전류와 26.3kΩ 미만의 AC 임피던스, 0.05μF 정전 용량으로 구성됩니다. IEEE 802.3bt 사양 변경(유형 3 및 4 PSE에 적용)으로 인해 펄스 기간이 유형 1 및 유형 2 PSE의 약 10%로 감소했습니다.

다른 중요한 변경으로는 확장 전력 특징이 있습니다. PD는 케이블 저항을 측정하고 PD가 사양에 명시된 최소 입력 전력을 수신하는 데 필요한 예비 전력과 전력 손실을 계산합니다. 최악의 경우 이 값은 이전 수정 조항에 지정된 예비 전력과 동일하지만 실제 응용 분야에서는 일반적으로 더 낮으므로 에너지를 절약할 수 있습니다.

고전력 PoE 시작

추가 PSE 출력 전력의 4개 등급(클래스 5-8)과 해당 PD 입력 전력 및 새로운 두 가지 유형(유형 3 및 4)의 PSE 및 PD를 도입하여 기술에 대한 시작 순서가 더 복잡해졌습니다. 이는 개발자가 고전력 PoE 시스템을 설계하고 PSE 컨트롤러를 선택하는 데 영향을 줄 수 있습니다.

일반적으로 IEEE 802.3af 또는 IEEE 802.3at 규정을 준수하는 장치를 유형 1(클래스 0-3) 또는 유형 2(클래스 4) 장치라고 하고, IEEE 802.3bt 규정을 준수하는 장치를 유형 3(클래스 5, 6) 또는 유형 4(클래스 7, 8) 장치라고 합니다. 고전력 PoE는 PSE가 케이블을 통해 PD에 안전하게 전력을 공급하고 PD가 케이블에서 분리된 경우 전력을 차단하는 방법을 정의합니다.

또한 IEEE 802.3bt는 유형 또는 등급과 상관없이 PSE와 PD 간의 호환성을 보장하기 위해 유입 전류 및 시간 제한을 규정합니다. 유입 제한은 400mA ~ 450mA(클래스 0-4), 400mA ~ 900mA(클래스 5-6), 800mA ~ 900mA(클래스 7-8)입니다. PSE 유입 제한은 전원을 켠 후 최대 75ms 동안 적용됩니다. 그 이후에 유형 2, 3 또는 4 PSE는 분류에 따라 더 높은 출력 전류를 지원합니다.

고전력 PoE 시작 공정에서는 맨 먼저 PSE가 전원을 끄고 케이블에 연결된 것이 있는지 확인합니다. 그런 다음 PSE는 PD를 분류한 후 PD에 필요한 전력을 공급합니다. 이때 PD를 완벽하게 공급하기에 적절한 용량이 없는 경우 PSE의 최대 전력을 공급합니다. 또한 유형 3 및 4 PSE에서 PD의 각 연선에 동일한 분류 서명이 있는지 확인하는 데 사용되는 4가지 작동 상태가 있습니다.

이는 선택적 기능이므로 일부 고전력 PoE 준수 PSE 및 PD에서는 자동 등급을 지원하지 않습니다. 따라서 이 기능이 개발자 시스템의 사양에 포함되는지는 규격서를 확인해야 합니다. Microsemi의 PD70210ILD-TR 프런트 엔드 PD 인터페이스 컨트롤러는 "향상된 분류 블록"을 통해 수행되는 제품입니다. 또한 PD70210ILD-TR은 4쌍의 케이블 중 실제로 전력을 수신하는 케이블을 식별하고 적절한 플래그를 생성합니다(그림 1).

그림 1: Microsemi의 PD70210ILD-TR 프런트 엔드 PD 인터페이스 컨트롤러에는 고전력 PoE에 도입된 새로운 등급 및 PD 유형을 쉽게 분류할 수 있도록 향상된 분류 블록이 포함되어 있습니다. 또한 이 칩은 케이블의 4가지 연선 중 SUPP_S1 및 SUPP_S2 핀을 통해 실제로 전력을 수신하는 연선을 식별합니다. (이미지 출처: Microsemi)

자동 등급을 구현하는 PSE는 먼저 잠깐의 지연 시간 후 등급 전류가 클래스 0 전류 레벨에 속하는지 확인하여 PD가 기능을 지원하는지를 파악합니다. 이 기능을 지원하는 경우 PSE는 전원을 켜는 즉시 자동 등급을 측정할 수 있습니다. 이때 다음 1.35초 ~ 3.65초 동안 최대 전력을 끌어내는 데 필요한 PD를 사용합니다. 시작된 후 PD는 PSE에 연결 상태를 보장하는 MPS를 제공해야 합니다. MPS가 없으면 PSE는 전원을 끕니다(그림 2).

그림 2: 새로운 PSE 및 PD 등급 및 유형을 도입하여 고전력 PoE의 시작 공정은 이전 버전보다 더 복잡해졌습니다. 여기서는 공정의 3가지 기본 단계(감지, 분류, 작동)와 각 단계가 발생되는 입력 전압을 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

고전력 PoE 사양을 충족하는 새 컨트롤러

PoE가 비준된 후 설계의 기반이 되는 통합 PSE 컨트롤러 및 PD 인터페이스의 출시로 개발자에게 많은 도움을 주고 있습니다. 이러한 추세는 IEEE 802.3bt에서도 계속됩니다. 초안 사양을 충족하는 제품을 설계하는 제조업체의 호의로 인해 위에서 설명한 Microsemi 장치 외에도 이미 여러 PSE 컨트롤러 및 PD 인터페이스가 출시되어 있습니다.

예를 들어, Linear Technology는 LTC4291-1/LTC4292 칩셋을 제공합니다. 부품이 함께 작동하여 유형 3 또는 4 PSE 컨트롤러를 구성하도록 설계되었습니다. 포트당 14비트 전류 모니터링, 프로그래밍 가능한 전류 제한 및 사전 선택된 포트의 다목적 차단과 같은 전력 관리 기능을 지원합니다. 특허 받은 다중점 감지 메커니즘을 사용하는 PD 감지로 잘못된 PD 식별을 방지할 수 있습니다. 자동 등급이 지원되며 칩셋은 PD에서 최대 71.3W를 협상하도록 프로그래밍 가능한 핀 또는 I2C입니다.

LTC4291-1/LTC4292 칩셋은 통합 레벨이 뛰어나므로 필요한 주변 장치 몇 개만 추가하면 IEEE 802.3bt 준수 PSE 설계를 구현하는 데 필요한 거의 모든 회로망이 포함됩니다. 장치를 칩 두 개(프로세서 + 전원 공급 장치)로 분할하여 LTC4291-1을 분리되지 않은 측에 상주하도록 허용함으로써 PSE 분리를 간소화합니다. 주 논리 공급 장치로부터 전력을 수신하고 I²C/SMBus 버스에 직접 연결할 수 있습니다. 이 칩셋은 칩 간 통신을 위한 독점적 분리 체계를 사용하여, 광절연기 및 분리형 전원 공급 장치를 저렴한 변압기로 교체합니다. 변압기는 1:1 권선비와 공통 모드 초크를 지원하는 10BASE-T 또는 10/100BASE-T 장치입니다(그림 3).

그림 3: Linear Technology의 LTC4291-1/LTC4292 4포트 IEEE 802.3bt PoE PSE 컨트롤러는 광절연기 및 분리형 전원 공급 장치를 저렴한 변압기로 교체하여 설계를 간소화하는 독점적 분리를 구현합니다. (이미지 출처: Linear Technology)

고전력 PoE를 최대한 활용하려면 PD에 유형 3 또는 4 인터페이스가 필요하고, 그러지 않으면 PSE는 IEEE 802.3af에 정의된 최대 전력 15.4W(PD에서 12.95W)만 공급합니다. 이 인터페이스에 대한 한 가지 옵션으로는 IEEE 802.3bt 유형 1 ~ 유형 4 PD 인터페이스를 구현하는 데 필요한 모든 기능을 포함하는 TI의 TPS2372-4RGWT가 있습니다.

TPS2372-3 및 TPS2372-4는 내부 스위치 저항이 낮아서 각각 최대 60W 및 90W의 고전력 PoE 응용 분야를 지원할 수 있습니다. 자동 MPS 기능은 매우 낮은 전력 대기 모드가 필요한 응용 분야를 지원합니다. PD를 위한 IEEE 802.3bt MPS 요구 사항은 케이블의 PSE 쪽에 적용될 수 있습니다. 즉, 케이블 길이와 기타 파라미터(벌크 정전 용량 등)에 따라 확인하는 데 더 긴 MPS 기간이 필요할 수 있습니다. 따라서 TPS2372에는 MPS_DUTY 입력 핀을 통해 선택 가능한 3가지 MPS 펄스 기간 및 듀티 사이클 옵션이 있습니다.

TPS2372는 모든 PSE 유형과 호환되는 유입 전류 레벨을 구현합니다. 또한 이 칩은 PSE가 전력 양호(PG) 출력을 릴리스하기 전에 유입 단계를 완료하여 IEEE 802.3bt 시작 요구 사항이 충족될 수 있도록 지연 기능을 구현합니다. 칩의 자동 등급을 사용하여 IEEE 802.3bt 표준에 지정된 모든 고급 시스템 전력 최적화 모드에 액세스할 수 있습니다.

고전력 PoE 시작하기

LTC4291-1/LTC4292와 같은 고집적 칩셋을 사용하면 까다로운 설계 작업 중 많은 부분이 실리콘 벤더에서 완료된 상태로 제공되지만 여전히 외부 부품을 주의해서 선택하고 PC 기판 배열 지침을 고려해야 합니다. 대부분은 PoE 시스템 설계를 위한 일반 설계 지침을 따르지만 고전력 PoE에 의해 도입되는 높은 전압 및 전류 레벨에 적합한 부품을 선택해야 합니다.

예를 들어, 그림 3에 표시된 V_DD 및 V_EE 라인에는 디지털 전원 공급 장치 및 기본 PoE 전원 공급 장치가 필요합니다. V_DD에는 3.3V가 필요하고 V_EE에는 –51V ~ –57V(유형 3 PSE) 및 –53V ~ –57V(유형 4 PSE)의 음전압이 필요합니다. V_DD에서 DGND까지 최소 0.1μF의 세라믹 감결합 캡을 각 LTC4291-1에 가깝게 배치해야 합니다. 필요한 분리를 유지하려면 LTC4292 AGNDP 및 LTC4291-1 DGND를 연결해서는 안 됩니다.

V_EE는 PD에 전력을 공급하는 주요 분리형 PoE 공급 장치입니다. 상대적으로 대량의 전력을 공급하고 큰 전류적 과도 상태에 놓이게 되므로 간단한 논리 공급 장치보다 더 신중하게 설계해야 합니다. 시스템 효율을 극대화하기 위해 과도 오버슈트 또는 언더슈트, 온도 변동 및 라인 조정을 고려하여 충분한 여유를 두고 V_EE를 최대 진폭(57V)에 가깝게 설정해야 합니다. 전기적 과도 상태가 발생할 경우 스퓨리어스 리셋을 최소화하기 위해 AGNDP와 V_EE 사이에 최소 47μF의 전해 벌크 커패시터가 필요합니다.

개발자는 설계 시 외부 MOSFET의 선택 여부를 신중하게 결정해야 합니다. 이 MOSFET은 PSE 출력을 제어하는 전원 스위치 장치를 구성합니다. 선택한 부품은 시스템 신뢰성에 큰 영향을 미치므로 설계자는 다양한 PSE 전류 제한 조건을 고려하여 MOSFET 안전 작동 영역(SOA)을 분석하고 테스트해야 합니다. PD에서 최대 51W를 제공하도록 구성된 Nexperia의 PSE용 PSMN075-100MSEX 또는 PD에서 71.3W를 제공하도록 구성된 PSMN040-100MSEX를 사용하는 것이 좋습니다. 이 MOSFET은 PoE 응용 분야에서 신뢰성이 입증되었습니다.

LTC4291-1/LTC4292 칩셋은 채널당 0.15Ω 전류 감지 저항을 지원하도록 설계되었습니다. 개발자는 그림 4와 같이 배치된 두 병렬 0.3Ω 저항기를 추가해야 합니다. 감지 저항기는 고전력 PoE 사양을 충족하기 위해 허용 오차 범위가 ±1% 이내이고 온도 계수가 ±200ppm/°C 이하여야 합니다.

그림 4: LTC4292에 필요한 상단 및 하단 레이어 감지 저항기 블록 배치를 보여줍니다. 고전력 PoE 사양을 충족하려면 감지 저항기(RSTx) 선택 및 배치가 중요합니다. (이미지 출처: Linear Technology)

시작 또는 과부하 중에 LTC4292를 전류 제한 내에서 안정적으로 유지하려면 각 포트는 OUTnA 및 OUTnB ~ AGNDP 전반에서 0.22μF 커패시터가 필요합니다(그림 3 참조). 최소 100V 정격 X7R 세라믹 커패시터를 사용하고 LTC4292에 가깝게 배치해야 합니다.

이더넷 포트가 큰 전기적 과도 상태에 놓일 수 있습니다. PoE 시스템에 대한 포괄적인 서지 보호는 다른 기사에서 다루겠지만, 서지 전류 및 전압을 각 포트의 안전 레벨로 억제하려면 최소 요구 사항으로 벌크 전압 억제기(예: 과도 전압 억제(TVS) 다이오드(TVS_BULK) 및 벌크 정전 용량(C_BULK))이 필요합니다(그림 5). 또한 공급 장치 AGND부터 LTC4292 AGNDP 핀까지 10Ω 계열 저항기(R1)가 필요합니다. LTC4292 AGNDP 핀과 V_EE 핀을 58V TVS 다이오드(D1)가 통과하고 1μF, 100V 바이패스 커패시터(C1)를 LTC4292 핀에 가깝게 배치해야 합니다. 마지막으로 각 포트에 S1B 클램프 다이오드 쌍이 필요합니다. 즉, OUTnM에서 AGND를 공급하고, OUTnM에서 V_EE를 공급하기 위해 각각 하나의 클램프 다이오드가 필요합니다. 이러한 다이오드는 전기적 과도 상태를 공급 레일로 전달하여 서지 억제기에 흡수되도록 합니다.

그림 5: PSE 컨트롤러는 전기적 과도 상태로부터 보호되어야 합니다. 여기에서는 과도 상태를 민감한 칩에서 격리하는 데 필요한 전압/전류 억제기 및 부품이 탑재된 Linear Technology의 LTC4292를 보여줍니다. (이미지 출처: Linear Technology)

PD 인터페이스에서 TI의 TPS2327과 같은 고집적 칩을 사용하면 설계자의 작업이 간편해지지만, 몇 가지 외부 부품이 필요합니다(그림 6).

예를 들어, PD 인터페이스에 대한 케이블 입력 지점에 다이오드가 필요합니다. TI는 TPS2327의 경우 다이오드의 내전력이 30% 더 낮으므로 고전력 PoE 응용 분야에서 기존 다이오드 대신 3A ~ 5A, 100V 정격 이산 소자 또는 브리지 쇼트키 다이오드를 사용하는 것을 권장합니다. 개발자는 쇼트키 다이오드는 일반 PN 접합 다이오드보다 역방향 누설 전류가 더 높아서 사양에 정의된 2.8V의 최대 역송공급 전압을 충족하기 어렵다는 사실을 고려해야 합니다. 보상을 위해 이 구현에서는 보수적인 다이오드 작동 온도 제한과 저누설 장치를 사용해야 합니다. 또한 쇼트키 다이오드는 기존 다이오드보다 전기적 과도 상태에 더 민감하므로 페라이트 비드 및 커패시터 형태의 전압/전류 보호를 사용하는 것이 좋습니다.

IEEE 802.3bt 사양은 VDD에서 VSS까지 0.05μF ~ 0.12μF(일반적으로 0.1μF, 100V, ±10% 세라믹)의 입력 바이패스 커패시터를 포함합니다. 또한 이 사양은 감지 저항기 R_DEN, 분류 저항기 R_CLSA 및 R_CLSB, MPS 저항기 R_MPS가 필요합니다. R_DEN에는 24.9kΩ, ±1% 저항기를 사용하는 것이 좋습니다. 분류 저항기는 CLSA 및 CLSB를 VSS에 연결하여 IEEE 802.3bt 표준에 따라 분류 전류를 프로그래밍합니다. 이러한 저항기 값과 할당되는 등급 전력은 작동 중에 PD에서 끌어내는 최대 평균 전력에 의해 결정됩니다. R_MPS는 MPS 듀티 사이클을 설정합니다. 예를 들어, 1.3kΩ 저항기는 듀티 사이클을 26.4%로 설정합니다. MPS_DUTY를 RSS로 단축하면 듀티 사이클이 12.5%로 설정됩니다.

또한 고전력 PoE PD 인터페이스에는 케이블의 한쪽 끝에서 전기적 과도 상태를 흡수하기 위해 전력선 전반에 TVS 다이오드 및 벌크 커패시터(D1, C_BULK) 전압 억제가 필요합니다.

그림 6: TI의 TPS2372 고전력 PoE PD 인터페이스 응용 제품 구성도는 설계를 완료하는 데 필요한 주변 장치 부품(입력 다이오드, 억제 소자, 감지/분류/MPS 저항기 등)을 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

파라미터 측정 정확도, 시스템 견고성 및 열 방출의 측면에서 PC 기판 배열, 부품 배치 및 라우팅 요구 사항이 IEEE 802.3bt 사양 요건을 충족하는지 확인하기 위한 다양한 설계 지침이 있습니다. Linear Technology와 TI는 사양을 준수하고 개발자를 위한 유용한 지침을 제공하는 PSE/PD 인터페이스를 위한 레퍼런스 설계를 제공합니다.

결론

고전력 PoE는 PoE의 응용 분야를 확장하고 효율성을 개선합니다. 하지만 추가 PSE 컨트롤러 및 PD 인터페이스 유형 및 등급의 도입과 추가적인 작동 및 안전 기능으로 인해 구현 복잡성이 증가했습니다.

설계자를 위해 이러한 기능을 기본으로 포함하는 통합 PSE 컨트롤러 및 PD 인터페이스 솔루션 형태의 지원이 제공됩니다. 이는 시스템을 완료하는 데 필요한 주변 장치 부품 수를 축소하여 설계 공정을 크게 간소화 및 가속화합니다.