단일 쌍 이더넷을 통한 전력 공급으로 새로운 응용 제품의 지평 열기

이더넷을 통한 전력 공급(PoE) 방식은 수년간 사용되어 왔지만, 100미터 이하라는 거리적 제한으로 인해 그 활용도에 한계가 있었습니다. 이제 이더넷 케이블 내의 단일 연선을 사용하여 장거리에서 전력과 데이터를 전송할 수 있는 IEEE 표준 기술인 단일 쌍 이더넷을 통한 전력 공급(SPoE)으로, 혁신적인 응용 제품의 새로운 지평을 여는 획기적인 기술이 등장했습니다.

장치 간 데이터 통신을 위해 잘 정립되어 널리 사용되는 이더넷은 4쌍의 꼬인 구리선을 사용하여 데이터 신호를 전달하며, 각 쌍은 데이터 흐름의 한 방향을 전달합니다. 이더넷을 사용하는 장치에는 일반적으로 별도의 전원 공급 장치가 필요하므로, 배선 및 설치 비용이 추가됩니다.

이더넷을 통한 전원 공급(PoE)은 이더넷 표준의 확장으로 개발되었으며, 두 쌍의 전선을 데이터 전송에 사용하고 나머지 두 쌍은 장치에 전원을 공급하는 데 사용하여 해당 장치가 동일한 케이블을 통해 데이터와 전원을 모두 수신할 수 있도록 합니다.

PoE는 최대 100m 거리에서 최대 90W의 전력을 공급할 수 있습니다. 이로 인해 단일 케이블을 통해 배포하고 전원을 공급할 수 있는 IP 카메라, 무선 액세스 포인트, VoIP 전화, 스마트 조명 시스템과 같은 PoE 응용 제품이 탄생했습니다. 그러나, 거리 제한 외에도 PoE는 높은 전류와 전압, 전력 손실 및 열 방출을 처리할 수 있는 부피가 크고 값비싼 커넥터와 케이블이 필요하다는 단점이 있습니다.

SPoE 소개

단 한 쌍의 전선으로 데이터와 전력을 모두 전송하는 SPoE는 기존 RJ45 소켓과 호환되는 작고 비용 효율적인 커넥터와 케이블을 사용하여 최대 1Gbps의 데이터 전송률을 달성하고, 최대 1km의 케이블 길이에 걸쳐 최대 52W의 전력을 공급할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 최대 52W의 전력을 전송하는 SPoE 시스템 (이미지 출처: Analog Devices)

비용 절감과 간편한 구현이 가능한 SPoE는 새로운 케이블을 설치하거나 무선 LAN에만 의존하는 것이 비현실적이거나 비용이 많이 들거나, 그 둘 다에 해당하는 산업, 자동차, 빌딩 자동화 및 IoT 환경의 광범위한 응용 제품에 매우 적합합니다. SPoE는 에너지 전송 상태 모니터링, 고장 감지 및 과전압 보호를 위한 포괄적인 시스템 원격 측정을 제공합니다.

산업 환경에서 SPoE는 로컬 전원을 추가할 필요 없이 장거리에 있는 센서와 제어 장치에 전원을 공급하여, 네트워크 인프라를 간소화하고 설치 비용을 절감하며 중앙 전력 관리를 제공할 수 있습니다. 기존 이더넷 케이블을 통해 전원을 공급하는 데 사용될 수 있으므로, SPoE 스위치와 엔드포인트를 빠르고 비교적 간단하게 추가할 수 있습니다.

SPoE는 IEEE 802.3 표준(단일 연선(10Base-T1L)을 통한 10Mbps 이더넷용 IEEE 802.3 cg)의 일부로, IEEE 802.3bu, PoDL(데이터 라인을 통한 전력 공급) 표준을 확장한 것입니다. PoDL은 최대 40m의 시스템에서 12V, 24V 또는 48V로 사용되며, SPoE는 최대 1000m에서 24V 또는 55V의 전압으로 작동합니다.

SPoE는 장거리에서 저전력 또는 중간 전력과 높은 데이터 전송률이 필요한 응용 제품에 이상적이며, 이는 PoE로는 실현 불가능하거나 경제성이 떨어졌던 부분입니다.

SPoE의 잠재적 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 공정 제어 및 자동화를 위해 안정적인 통신 및 전력 공급이 매우 중요한 운영 기술 시스템
• 환경적 파라미터와 기계적 파라미터를 모니터링하고 제어할 수 있는 빌딩 및 공장 자동화 시스템
• 더 유연하고 적은 비용으로 배포할 수 있는 센서 및 액추에이터와 같은 현장 계측기
• SPoE를 보다 쉽게 확장할 수 있는, 접근 제어 및 감시와 같은 보안 시스템
• 일관된 운영과 연결성이 필요한 교통 관리 시스템
• IoT 에지 장치에 전원 공급 및 관리
• 디지털 사이니지 및 실외 조명을 위한 원격 전원 공급

SPoE 설계 고려 사항

SPoE는 '팬텀 파워' 기술을 사용하여 동일한 전선 쌍의 데이터 신호에 전원 신호를 중첩하므로, 케이블의 각 끝에 복잡한 컨트롤러가 있어야 전원과 데이터 신호를 분리하고 조절할 수 있습니다. 또한 응용 제품에서는 시스템의 성능과 안정성에 영향을 줄 수 있는, 케이블의 전력 손실과 열 방출도 고려해야 합니다.

전력 소싱 장비(PSE) 컨트롤러는 정교한 전원 관리 및 변환 기능을 제공하여 안전하고 안정적이며 효율적인 전력 공급을 보장합니다. 이 장비는 2선 케이블을 통해 에너지를 수신하는 전원 장치(PD) 컨트롤러와 함께 작동합니다.

다중 채널용으로 설계된 PSE 컨트롤러는 센서와 같은 다양한 원격 장치에 전력을 공급할 수 있습니다. 예를 들어 Analog Devices, Inc. (ADI)의 LTC4296-1(그림 2) 5포트 SPoE 컨트롤러로, 각각 최대 1000m 길이의 5개 라인에 걸쳐 최대 5개의 부하에 에너지를 공급할 수 있습니다. 외부의 낮은 드레인-소스 온 저항(R_DS(ON)), N-채널 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)을 사용하여 전력을 전달하여 전압 강하를 최소화하고 응용 제품 견고성을 보장합니다.

그림 2: ADI의 5포트 LTC4296-1 전력 소싱 장비(PSE) 컨트롤러 (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

LTC4296-1은 10BASE-T1L 컨트롤러 및 스위치를 위한 다목적 SPoE, PSE 솔루션을 제공하며, 스위치, MAC 인터페이스 및 관련 아날로그 회로, 전압 공급 모니터링 회로, 파워 온 리셋(POR) 회로가 통합된 2개의 이더넷 물리 계층(PHY) 코어를 갖춘 ADIN2111CCPZ-R7 2포트 장치와 같은 ADI의 10BASE-T1L 트랜시버 포트폴리오 부품과 쉽게 통합할 수 있습니다. 이 트랜시버는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)를 통해 다양한 컨트롤러와 직접 연결할 수 있습니다.

한편 LTC9111RDE#PBF는 극성 보정 기능을 갖추고 2.3V ~ 60V 작동 범위 기능을 제공하는 ADI의 여러 PD 컨트롤러 중 하나입니다(그림 3). 이 컨트롤러는 라인 전송의 분류 및 모니터링을 관리하며, 마이크로 전력 작동으로 분류하는 동안 2개의 외부 N채널 MOSFET 스위치를 구동하여 저장소 커패시터 요구 사항을 최소화합니다. 외부 N-채널 MOSFET 스위치는 분류 및 유입 중에 커넥터에서 출력 정전 용량을 분리합니다.

그림 3: LTC4296-1 SPoE PSE 컨트롤러는 최대 5개의 채널을 구동하는 데 적합하며, 여기서는 LTC9111 PD 컨트롤러에 연결되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

LTC9111 계열 컨트롤러는 PSE에 유효한 절전 해제 서명을 제시하여 전력을 요청합니다. IEEE 802.3cg 호환 PSE 및 PD 컨트롤러는 직렬 통신 분류 프로토콜을 사용하여 분류 단계를 수행하며, PSE는 PD가 호환되는지 확인하고, 호환되는 경우 포트 전압을 승압하기 위해 진행합니다. 작동하는 전기 장치에 24V 또는 55V 이외의 전압이 필요한 경우에는 추가 DC-DC 컨버터가 사용됩니다.

또한 ADI는 단일 연선 이더넷(SPE) 케이블을 통해 10BASE-T1L 데이터 및 SPoE 전력을 평가하기 위한 EVAL-SPoE-KIT-AZ 평가 키트도 제공합니다. 이 키트는 IEEE 802.3cg 클래스 10 ~ 15 SPoE 전력 평가를 위한 LTC4296-1 PSE 컨트롤러와 LTC9111 PD, 시스템에서 데이터를 제공하기 위한 10BASE-T1L 트랜시버를 갖추고 있습니다.

SPoE 응용 제품 구현

제품 설계자는 케이블 길이, 지름, 저항, 온도 및 환경 등의 파라미터를 고려하여 SPoE 솔루션의 전력 예산과 효율성을 최적화해야 합니다.

단일 연선을 통한 데이터 전송과 전력 공급의 균형을 맞추기 위해서는, 원격 장치에 충분한 전력을 공급하는 동시에 잠재적으로 장거리에서 데이터 무결성을 유지해야 하는 등의 어려움이 있습니다.

많은 OT 배포에서 흔히 볼 수 있는 24VDC 공급 전압에서, 길이가 긴 케이블을 통한 전력 공급은 케이블 저항으로 인해 상당한 손실이 발생할 수 있습니다. SPoE는 IEEE 802.3cg 표준에서 24V 또는 55V의 전압에서 작동하도록 지정되어 있으므로, 설계자는 최대 안전 초저전압(SELV)인 60V에 가까운 향상된 전력 공급 효율을 활용할 수 있습니다.

결론

SPoE는 이더넷 케이블의 단일 연선에서 데이터와 전력을 동시에 전송할 수 있는 새로운 기술입니다. 이를 통해 네트워크 인프라의 비용, 복잡성 및 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 연결된 장치에 더 많은 유연성, 확장성, 안정성을 제공할 수 있습니다. ADI의 IEEE 802.3cg 호환 PSE 및 PD 컨트롤러 포트폴리오는 고효율 및 저잡음으로 SPoE 응용 제품의 설계 및 구현을 간소화하므로, 강력하고 안정적인 연결이 필요한 산업, 자동차 및 스마트 빌딩 시스템에 이상적입니다.