2003년 6월 PoE(Power over Ethernet)용 IEEE 표준의 공개로 인터넷 프로토콜(IP) 디바이스가 수혜를 입게 되었다. 약 13W의 전력과 특정 용도의 디바이스에 필요한 데이터를 통합시킴으로써, 진입 장벽이 낮아져 비용 면에서 실현 불가능했던 것이 가능하게 되었다. IP 카메라, 무선 액세스 포인트 또는 IP 폰과 같은 디바이스를 위한 인프라 설치가 펀치 블록(punch block)에 선을 연결하는 것처럼 간단해졌다. 이 글은 POE의 기초를 쉽고 간결하게 다루고자 한다.
글_ 마이클 맥코맥, Business Development Manager – PoE, 텍사스 인스트루먼트
PoE 하드웨어는 이더넷 링크(Ethernet link)에 전력을 공급하는 장비와 그 전력을 이용하는 디바이스의 두 가지 영역으로 구분된다. PSE(Power sourcing equipment)는 링크에 전력을 공급하는 장비의 명칭이다. PD(Powered device)는 이더넷 링크에 제공되는 전력을 이용하는 디바이스를 일컫는 단순한 명칭이다. PSE와 PD는 상징적으로는 연결되어 있지만, 별개로 보는 것이 타당하다.
얼핏 보면 PoE는 매우 단순한 기술로 보인다. 일반 전화는 백 년이 넘는 시간동안 동일한 배선으로 전력과 데이터를 공급해 왔다. 하지만, 누군가 전력을 가할 생각을 하기 전에 이미 이더넷을 이용한 거대한 설치 기반이 존재하고 있었다. 만약 기존의 이더넷 선에 전력을 가했다면, 배치된 모든 장비들이 손상되거나 파손되었을 것이다. 이러한 위험을 방지하기 위해, 표준을 만든 TF 팀은 전력을 받을 수 있는 디바이스를 검출하는 절차를 개발하였다.
그 검출 과정은 링크에 전력이 가해지기 전에 PSE에 의해 이루어진다. PSE는 적어도 두 저전압 및 저전류 레벨을 이용하여 링크를 검사하고, 25KΩ 저항 슬로프인 PD 고유 신호를 찾는다. 이 신호는 2.8V~10V이어야 하며, 5mA 이상의 전류가 공급되면 안된다. 표준에서는 단 두 테스트 프로브만이 요구되지만, 특정 조건에서는 무효 신호가 유효한 것으로 나타날 수도 있다. 현재 가장 바람직한 방식은 표준이 허용하고 있는 세 개 또는 네 개의 별도 프로브 신호를 이용하는 것이다.
PSE가 PD를 성공적으로 검출하면, 링크에 전력을 공급하게 된다. PSE가 링크에 전력을 공급할 경우, 400ms 내에 전력 공급이 이루어져야 하며, 그렇지 않을 경우 다시 검출 과정을 반복해야 한다. 일단 링크에 전력이 공급되고 나면, PSE는 링크에 과전류 현상이 없는 지, PD가 여전히 전력을 필요로 하는 지를 감시해야 한다. 과전류는 케이블이나 PD의 오류를 거의 정확히 감지한다. 그렇지만 사용자가 PD에 별도의 전원공급 디바이스를 부착하였거나 링크로부터 PD를 분리하였기 때문에 PD가 더 이상 전력을 필요로 하지 않을 수 있다. PoE는 PD의 “분리”와 “전력 불필요” 상황의 차이점을 구분하지 못한다. 그렇다 하더라도, 그 결과는 동일하며 전력은 PSE로 인해 포트로부터 제거된다.
PD에 대한 전력 공급을 검출하는 것 외에도, PSE는 ‘분류(classification)’ 과정을 통해 PD가 필요로 하는 전력량을 파악하기 위한 신호를 PD에 보낼 수 있다. 필수 사양은 아니지만, 대부분의 PD는 그 전력을 1/4, 1/2 또는 전체 전력 디바이스로 대략의 유용한 분류 정보를 제공한다. PSE는 이 정보를 이용하여 그 전원 공급을 효율적으로 할당한다.
케이블의 PD 측에서도 상황은 거의 동일하다. PD가 2.7V~10.1V 범위의 입력 전압을 검출할 때, 25KΩ에 해당하는 부하를 연결해야 한다. PD 입력이 14.5V~20.5V일 경우, PD는 일정한 전류 부하를 연결할 수 있으며, 이는 PD가 소비할 전력량을 나타낸다. 전류 부하를 통하여 이 분류 정보를 보고하는 것은 선택사항임을 유의하자. 그러나 현재 출시되어 있는 모든 통합 PD IC는 이 기능을 지원하고 있으며, 이는 보고에 유용한 정보이다. 일단 입력 포트 전압이 36V~42V에 이르면, PD 전원 공급이 켜지게 된다. 입력이 36V~30V로 떨어지게 되면 PD 전원 공급이 꺼지게 된다. PSE와는 달리, PD는 상태의 순서를 따르지 않아도 된다. PD는 전적으로 전압으로 구동되는 기능이다.
실제 애플리케이션과 이를 설계하는 엔지니어들은 서지(surge) 방지, 잡음 내성(noise immunity) 및 복사 스펙트럼(radiated spectrum)과 같은 문제에 유의해야 한다.
IEEE 사양에는 일부 격리 요구사항이 포함되어 있지만, 이를 최종 장비가 의도하는 시장의 안전 요구사항과 혼동하지 않아야 한다. 이러한 요구사항들은 IEEE PoE 사양의 적용범위를 크게 벗어나며 여타 규제 및 요구사항에 맞춰져 있다. 한가지 주목할 만한 예외는 IEEE 사양에서는 PSE가 제한 전원(Limited Power Source)에 대한 IEC 60950의 요구사항을 충족해야 한다는 점이다.
현재 출시되어 있는 집적회로를 이용하면, 하드웨어 설계자들은 여기 설명되어 있는 모든 세부적인 IEEE 사양으로부터 자유로워질 수 있다. 이 글은 설계자들이 새로운 애플리케이션의 구현에 필요한 PoE 기술을 보다 쉽게 받아들일 수 있도록 하는 충분한 정보를 제공하고 있다.
저자 소개
마이클 맥코맥(Michael McCormack)은 TI의 PoE 제품 비즈니스 개발 총괄 책임자이다. 마이클은 제품 관련 업무 외에도 IEEE 표준 802.3af 초안의 편집자였으며, 현재 IEEE PoE 표준을 개정하는 P802.3at TF 팀에서 활약하고 있다.
참고 문헌
• IEEE PoE 표준 사양 참고: http://standards.ieee.org/getieee802/802.3.html
• PoE 솔루션에 관한 추가 정보: www.ti.com/poe
TI, 13W 이하 설계의 최적화를 위한 PoE 컨트롤러 출시
TI는 IEEE 802.3af 규격 애플리케이션의 요구사항을 충족시키기 위해 맞춤 설계된 온보드 DC/DC 컨버터를 갖춘 13W PoE Powered Device(이하 PD) 컨트롤러 TPS23753을 출시했다. 이를 통해 TI는 PoE 제품군 라인을 더욱 확장하게 되었다. 이번에 출시된 고집적 디바이스를 통해 IP 폰, IP 보안 카메라, 무선 액세스 포인트, 보안 카드 리더기, RFID 스캐너 등 다양한 PoE 애플리케이션의 시스템 설계와 소형화가 용이하다.
TPS23753은 플라이백 토폴로지를 포함한 절연형(isolated) DC/DC 스위칭 토폴로지에 최적화되어 있다. TPS23753은 PoE를 사용할 수 없는 경우에도, 광범위한 로컬 전원공급장치로 동작이 가능하다. 12V~57V의 범위에서 동작하며, 또한 12V의 로컬 전원 공급장치가 9.5V로 강하되는 것까지 고려하여 동작하게 되어있다. 이는 80%의 듀티(duty) 사이클과 전류 슬로프 보상에 의해 12V 어댑터에 대한 출력 정류기(rectifier) 스트레스를 감소시킴으로써 DC/DC가 이 범위 내에서의 동작을 가능하게 한다.
로컬 전원 공급장치 설계를 용이하게 하기 위해, TPS23753은 PoE와 로컬 전원이 모두 사용 가능할 때 설계자가 사용할 전원을 선택할 수 있도록 어댑터 우선순위 프로그래밍 기능을 갖추고 있다. 이 기능으로 외부 부품을 사용하지 않게 됨으로써 설계가 용이해지고 시스템 크기도 감소된다.
TPS23753은 PoE PD 컨트롤러 및 PSE(Power Sourcing Equipment) 솔루션 부문의 TI의 광범위한 포트폴리오 상에서 구축되었다. 설계자들은 기존에 출시된 TPS23750과 더불어, TPS23753을 사용하여 TI가 공급하는 가장 최적화된 PD 프론트 엔드에 통합형 DC/DC 컨버터를 추가할 수 있다. TPS23750은 비절연형, 벅(buck)을 포함해 추가적인 DC/DC 토폴로지를 원하는 설계자들을 위한 최적의 선택이다(www.ti.com/tps23750-pr 참조). 고전력 PoE 애플리케이션의 경우, TPS2376-H는 이더넷으로 전원을 공급받는 디바이스 중에서 표준 이더넷 케이블을 통해 두 배의 전력을 가져올 수 있는 업계 최초의 26W PoE PD 컨트롤러이다.
아이씨엔 매거진 2008년 09월호
