이더넷을 통한 전력 공급(PoE) - IoT 응용 분야 기술을 강화하는 새로운 IEEE 802.3bt 표준

많은 기사와 블로그에서 이더넷을 통한 전력 공급(PoE) 기술과 그 개념에 대해 다뤘습니다. 대표적으로는 Digi-Key의 “An Introduction to Power-over-Ethernet(이더넷을 통한 전력 공급 소개)” 기사가 있습니다.

이 기사에서는 모든 것("사물")이 인터넷을 통해 연결, 제어, 모니터링되는 오늘날의 IoT(사물 인터넷) 세계에 최신 버전의 IEEE 802.3bt 표준이 도입한 새로운 기능을 분석하고 설명합니다.

IEEE 802.3bt 개선 사항

802.3bt 표준의 가장 첫 번째이자 가장 중요한 개선 사항은 에지 장치(구동 장치 또는 PD)로 더욱 많은 71.3W의 전력을 전송하면서 전력 공급 장비(PSE) 측에서 90W를 전송하는 기능입니다.

둘째, Cat5e 케이블을 통해 네트워킹 장치의 최대 10Gb/초의 전송률을 지원합니다.

전력 공급과 신호 속도의 이러한 두 가지 개선 사항을 통해 높은 전력이 필요한 수많은 새로운 고속 IoT와 특히 IIoT(산업용 IoT)가 PoE 기술을 통해 전력을 공급받을 수 있습니다. 이러한 새로운 응용 분야의 대표적인 예시는 다음과 같습니다.

• 프로페셔널 오디오
• 디지털 사이니지
• 5G 소무선 구역 무선 통신 기기(모바일 인프라: 3G, 4G, 5G 기술)
• 802.11ac 무선 액세스 포인트(WAP)
• 고처리량 무선 광역 네트워크(WLAN)
• 산업용 액세스 제어
• 조명
• 스마트 홈
• 건물/공장 자동화
• 판매 시점 관리(POS) 단말기
• 정보 키오스크
• 발열기가 장착된 실외 IP 카메라
• 모니터/랩톱
• 디지털 천장 조명

IEEE 802.3bt의 새로운 특징

새로운 PoE IEEE 802.3bt 표준은 이전의 802.3at 표준에 비해 전력을 절감하고 효율성을 강화하는 몇 가지 새로운 특징과 개선 사항을 정의하여 더 많은 에지 장치에서 PoE 기술을 사용할 수 있습니다.

원칙적으로 IoT 플랫폼은 다음의 네 가지 기본 요소로 구성됩니다.

• 감지/모니터링
• 처리(MCU)
• 연결(무선 또는 유선)
• 전력 관리

IEEE 802.3bt 표준의 새로운 특징/개선 사항은 앞서 언급한 IoT의 전력 관리 블록에 도움이 됩니다. 이러한 새로운 특징/개선 사항 4가지로는 짧은 통합 출력 관리(MPS), 자동 등급, 단일/이중 서명 PD, PD로의 전력 확장이 있으며, 이에 대해서는 아래에서 자세히 살펴보겠습니다.

짧은 통합 출력 관리(MPS) - MPS는 PD의 활성 상태를 유지하고 PSE로 인해 연결이 해제되지 않도록 하는 PD의 최소 전력 소비량입니다. PSE는 MPS가 400ms 이상 작동하지 않으면 전력을 제거하여 분리된 케이블에 전력이 공급되지 않도록 하는 데 필요합니다.

또한 IoT 응용 분야의 거의 모든 PD에는 절전 모드가 있습니다. 이러한 PD에는 전력 공급을 유지하기 위해 더 높은 전류가 필요하기 때문에 절전 대기 모드의 개념과는 상충됩니다. 짧은 MPS는 듀티 사이클과 전력 연결을 유지하는 데 필요한 전력 서명 생성 시간을 줄여 이 문제를 해결합니다. 이렇게 변화를 주면 최소 대기 전력을 계수 10만큼 개선하여 IoT 에지 장치가 PoE로 구동되며 적합한 대기 전력을 확보할 수 있습니다.

많은 장치에서 PoE를 사용하는 LED 조명 등의 IoT 응용 분야에서는 대기 전력을 절감하는 것이 매우 중요합니다.

자동 등급 – 자동 등급을 통해 PD에 대한 PSE 전원 공급 장치 예산 할당을 더욱 최적화할 수 있습니다. 본질적으로 PSE는 특정 기간에 걸쳐 이더넷 케이블 손실과 연결된 PD의 전력 소비를 “측정”하고 해당 PD에 PD 등급으로 정해진 더 높은 “할당” 전력이 아니라 “실제” 전력을 “인식”하여 “제공"합니다. 이를 통해 하나의 PSE로 더 많은 PD, 따라서 더 많은 IoT 에지 장치에 전력을 공급할 수 있습니다.

PD의 단일/이중 서명 – IEEE 802.3bt 표준은 단일 서명 PD와 이중 서명 PD 구조를 지원합니다. PSE는 단일 서명과 이중 서명 PD를 모두 지원해야 합니다.

이중 서명 장치는 단일 서명 장치와 동일한 최대 전력 수준까지 필요로 하는 응용 제품을 구동하며 다양한 분리된 로드 구성의 추가적인 유연성을 제공합니다. 대표적인 예로는 열악한 온도 조건을 제어하기 위한 발열기와 냉각 팬과 함께 구동되어야 하는 실외 감시 카메라가 있습니다. 또 다른 예로는 동시가 아니라 번갈아 가며 구동되는 신뢰성과 안전을 위해 사용되는 중복 회로망이 있는 IIoT 응용 분야가 있습니다.

그림 1은 이중/단일 서명 개념입니다.

그림 1: 단일/이중 서명 개념(이미지 출처: Microchip)

IEEE 802.3bt 이중 서명 PD에 관한 자세한 기술 정보는 Ethernet Alliance(EA) 웹 사이트를 참조하십시오.

PD로의 전력 확장 – IEEE 802.3bt 표준은 PSE 장치가 전송할 수 있는 최대 전력을 90W로, PD 장치가 수신할 수 있는 최대 전력을 71.3W로 정의합니다. PSE에서 PD로의 전력 감소는 이더넷 표준에 정의된 최대 전체 케이블 길이 100m를 통한 최대 손실 19W를 고려한 것입니다. 새로운 IEEE 802.3bt 표준에 따르면 PD는 케이블 저항을 측정하고, 케이블에서 손실되는 전력을 계산하며, 100m 케이블에서 방출되어 “낭비되는” 최대 19W 전력을 만회하기에 충분한 전력을 공급합니다. PD에서 PSE까지의 거리가 100m 미만이면 PD에 71.3W를 초과하는 전력이 제공될 수 있습니다. 예를 들어 케이블 길이가 2m ~ 5m이면 PD가 PSE로부터 받는 전력은 PSE가 보내는 90W에 가까울 수 있습니다.

IEEE 802.3bt 전력 효율성 개선 사항

802.3bt 표준에 명시적으로 정의되지는 않았지만 비준에 가까워지고 전력 관리 효율성과 IoT 응용 분야 요구 사항의 차원에서 몇몇 대표적인 PoE IC 벤더는 전력 효율성을 향상하기 위해 칩 설계를 개선했습니다.

그림 2: PoE 블록 토폴로지(이미지 출처: Microchip)

그림 2를 보기 전에 PSE와 PD의 기능이 정의되어야 합니다.

PSE의 기능 요구 사항을 요약하면 다음과 같습니다.

• 유효 PD 감지
• PD 전력 성능 분류
• PD로 44V ~ 57V에서 4W ~ 90W의 전력 공급
• 전력 최적화 및 할당
• 결함 모니터링 및 필요한 경우 연결 해제
• 저전류가 감지되면 해당 포트로의 전력 공급 차단
• 고전압 보호
• 스위치 회로망으로부터 분리

이와 유사하게 PD의 기능을 요약하면 다음과 같습니다.

• 극성 보호
• 감지 및 정확한 분류를 위한 서명
• 전력 최적화
• 분리
• DC/DC 시동을 위한 선택 바이어스
• 57V를 응용 제품에서 사용되는 필수 조정 전압으로 전환

그림 2와 같이, 전력은 PSE에서 이더넷 케이블을 통해 PD로 전해집니다. 그러면 PD 다이오드 브리지 칩이 케이블 전압을 정류합니다. 2쌍 PoE 시스템에서 전압은 데이터 쌍 또는 예비 쌍 둘 다가 아니라 그중 하나를 통해 전달될 수 있습니다. IEEE 802.3bt에 정의된 4쌍 PoE 시스템에서는 모든 쌍이 구동됩니다.

따라서 PD 내부에 두 개의 브리지가 필요합니다(그림 3).

그림 3: PD 내 두 개의 브리지(이미지 출처: Analog Devices/Linear Tech)

기존 다이오드 브리지 솔루션의 단점은 다음과 같습니다.

• 케이블 전압 강하로 인한 높은 전력 손실
• 높은 열 방출
• 추가적인 열 설계 고려 필요

위와 같은 단점으로 인해 많은 IoT 응용 분야에서 기존의 다이오드 브리지를 사용하는 경우 문제가 발생합니다.

다이오드 브리지보다 효율적인 솔루션은 Microsemi(현 Microchip)에서 최초로 출시한 IdealBridge^™입니다. 이 솔루션은 컨트롤러가 장착된 N채널 MOSFET 기반 브리지입니다.

기존의 이중 다이오드 브리지와 단일 IdealBridge 간의 차이점은 그림 4와 같습니다.

그림 4: 기존의 이중 다이오드 브리지와 단일 IdealBridge™ 비교(이미지 출처: Microchip)

IdealBridge의 장점은 다음과 같습니다.

• 완전히 통합된 솔루션을 통한 BOM 감소 - PCB 공간 절약 및 구현 간소화
• MOSFET을 위한 자가 구동 회로망
• 낮은 R_DS(ON), 낮은 전력 소비
• 전력 효율성 최대화 – 더 높은 출력 전력 및 전압 공급
• 열 방출을 크게 절감하여 열 설계 문제를 해결하고 방열판이 필요하지 않음
• 2쌍 및 4쌍 PoE 응용 제품과 호환
• IEEE 802.3xx 표준 준수

Microsemi/Microchip은 PD70224를 통해 “IdealBridge™” 솔루션을 소개했습니다. 기타 벤더의 유사한 솔루션으로는 Analog Devices/Linear Tech의 LT4321, ON Semiconductor의 FDMQ8205A 1채널 아이디얼 다이오드(브리지 아님), STMicroelectronics의 PM8805 통합 솔루션(IdealBridge를 PD IC 칩에 통합)이 있습니다.

결론

최신 버전의 IEEE 802.3bt 표준은 PoE 기술에 새로운 특징을 추가하고 기존의 특징을 개선합니다. 이러한 특징은 PoE 개념을 사용하여 연결될 수 있는 에지 장치 범위의 폭을 넓혀 많은 새로운 IoT 응용 분야를 지원합니다.

비PoE 인프라를 지원하기 위한 미드스팬/인젝터와 전력 스플리터 등의 다양한 중간 솔루션이 있습니다. 하지만 IEEE 802.3bt는 새로운 표준이며 2018년 말 이 표준이 비준되기 전에 많은 벤더가 이 분야에서 제품을 공급했습니다. IEEE 802.3bt의 새로운 특징의 장점을 활용하고 벤더와의 상호 운용성을 유지하기 위해, 부품과 제품은 IEEE 802.3bt 표준을 준수해야 하며 이를 규격서에 명시해야 합니다.