PoE(Power of Ethernet)에 대한 전기 과도상태의 내성

PoE(Power of Ethernet)은 Power over LAN으로 불리기도 하며, 현재 표준 LAN 인프라 상에서 데이터와 전원을 함께 제공하는 혁신적인 기술로 사무실 및 산업용 네트워크 애플리케이션에서 널리 활용되고 있다.< 편집자 주>
글: Jean Picard, Texas Instruments Systems Power
전기 과부하(Electrical overstress)는 전자장치나 전자 시스템의 오류, 반영구적인 기능저하 또는 일시적인 작동 이상을 유발할 수 있다. 통신 시스템 및 애플리케이션용 회로의 크기를 감소시키는 것은 전기적 과도상태와 같은 민감도를 증가시킨다. 과도상태를 억제하는 것은 과전압의 원인 및 심각한 정도(severity)가 알려지지 않은 이유로 설계자가 해결해야 하는 과제로 남아있다.
전기회로를 설계할 때나 통합 시스템을 정의할 때, 시스템이 동작하게 될 환경을 위해 과부하의 원인을 확인하고 메커니즘을 정확하게 이해해야 한다. 이로써 시스템의 민감한 전기 부품을 적절하게 보호할 수 있는 간단한 설계 규칙을 정의할 수 있다.
이에 이더넷 네트워크 애플리케이션, 특히 데이터 케이블을 통해 이더넷 리모트 장비나 PD(powered device)에 전원을 공급하는 PoE(Power-over-Ethernet) 기기에 대해 알아보고자 한다.(그림 1 참조)
PoE 애플리케이션은 사무실에서 산업용 네트워크까지 환경 범위가 넓다. 이더넷 케이블 및 기기는 대부분 실내에 설치되지만, 일부 애플리케이션은 환경이 열악한 외부에 설치되기도 한다.
통신 및 산업용 등 다양한 애플리케이션에서 과도응답의 과전압 환경을 실험하거나 나타내기 위해 수많은 표준들이 개발되었다. 예를 들어, IEC 과도응답의 내성 표준의 경우에 과도응답은 3개의 카테고리로 분류할 수 있다.
* IEC 61000-4-2: ESD (Electrostatic Discharge)
* IEC 61000-4-4: EFT (Electrical Fast Transient/Burst)
* IEC 61000-4-5: 서지
이러한 IEC 표준은 각 과도상태 카테고리에 적용할 수 있는 내성 테스트 기법을 규정하기도 한다. 이 표준은 과도상태 억제 부품 제조업체에게 각 부품의 표준화된 파형과 특성화 및 규격화될 수 있는 과전압 단계를 제공한다.
정전기 방전(ESD)
정전기 방전(ESD: electrostatic discharge)은 2개의 부도체 간에 접촉과 분리를 통해 전하 (electrical charge)가 발생하는 상황에서 생성된다. 이 때 발전체(charged body)가 다른 사물의 낮은 전위와 가까워질 때, 에너지가 방출된다. 예를 들면, 카펫을 가로질러 걷고 있는 사람은 15kV 이상까지 대전될 수 있다. ESD는 모든 일반 모드의 전기적 사례(electrical event)이며, 일반적으로 하나의 장치에서 섀시 접지에 이르는 방전을 말한다. 한 가지 중요한 설계 가이드라인은 전류 경로를 분명하게 확인하는 것이며, 고감도 회로에 해롭지 않다는 것을 보장하는 것이다. 더 좋은 방법은 방전 전류가 이 고감도 회로를 바이패스하는 대안적인 교류식 경로를 제공하는 것이다.
IEC 61000-4-2 표준은 금속성 기구를 쥐고 있는 사람의 ESD 사례를 가상 실험한 것으로 휴먼/메탈 모델(Human/Metal Model)로 불린다. 장비의 방전은 직접적인 접촉(접촉식 방전)이나 근접(공기 중 방전)을 통해 발생될 수 있다.
이 모델의 테스트 단계는 표 1에 제시되어 있다. ESD 파형을 보여주는 다이어그램은 그림 2에 나타나 있다. 접촉 모드에서 ESD 생성기의 파형 파라미터는 표 2에 있다. 상승 시간은 1ns 미만이 될 것이며, 이는 매우 빠른 속도다. 전류 펄스의 총 시간은 약 150 ns이다.
CDE(Cable Discharge Event)는 위협이 될 수 있다. 그 예로, 이더넷 케이블이 전하를 띠게 되면(대전현상) CDE가 발생하고, 케이블이 회로에 연결될 때 회로에서 방전된다. 이 케이블은 마찰대전(Tribocharging)이나 유도로 인해 주로 대전된다.
테스트 기법을 이용해 CDE를 정의한 표준은 아직 제정되지 않았으나, 대부분의 제조업체는 자사의 설계를 평가하기 위해 내부 CDE 테스트 설정을 사용한다. 일부에서는 이 같은 방전을 보호할 수 있는 IEC Level-4 규격을 테스트한다.
Note: IEC 61000-4-2 Level-4 방전을 통과할 경우, 장비가 CDE를 견딜 수 있다는 의견은 항상 맞는 것은 아니다. 테스트 2곳에서 대전된 커패시턴스가 다르기 때문이다. 이 테스트는 IEC ESD용 150pF vs CDE와 접지 GND에 대한 케이블 길이에 따른 커패시턴스 크기 대결이다. 집중 용량형(lumped capacitance)과 반대되는 분산 용량형을 이용한 전송라인 효과도 있다. CDE 방전은 테스트 장비에서 IEC Level-4 방전보다 더 많은 에너지를 버린다.
EFT(Electrical Fast Transient)
EFT(Electrical Fast Transient)는 모터와 다른 유도성 부하와 함께 스위치와 릴레이에서 아크 접촉 (Arcing Contact)으로 발생한다. 이는 산업 환경에서 일반적이다. 이 유형의 과도상태는 보통 커먼 모드 유형으로, 용량성 커플링에 의해 텔레콤 케이블로 도입된다.
IEC 61000-4-4는 과도상태를 5kHz 또는 100kHz의 반복 속도에서 빠르게 발생시키는 고전압 스파이크로 정의한다. 표 3은 EFT 파형, EFT 버스트 반복 속도, 버스트 기간을 보여주는 다이어그램이다. 단락 회로 전류 값은 개방형 회로 전압을 50Ω 임피던스까지 나누어 추정한다.
PoE 케이블에 전송되는 전력 신호라고 하더라도, 이 전송이 통신 데이터 케이블에 있다는 것은 의미가 없다. 설치되어 사용될 때 고려되는 것이며, I/O 신호, 데이터, 제어 포트 카테고리에 속한다. 다음 등식은 EFT 전압 파형의 근삿값을 제공한다.
IEC61000-4-4에서, 통신 케이블의 용량성 커플링 클램프는 통신 포트에서 테스트 전압을 커플링하기 위해 선호되는 기법으로, 여기에는 이더넷 케이블이 포함된다. 이것은 커플링이 포트에 직류 전기의 접속 없이도 수행된다는 것을 의미한다.
100pF 디스크리트 커패시터를 직접 통할 수도 있다. 반복적인 속성 때문에 의미가 없는 EFT 사례는 통신 시스템의 작동 이상을 초래할 수도 있다.
전기적 서지(Electrical Surge)
과도상태는 상승 속도에의 까다로운 n 조건을 갖는다고 해도, 피크 전류와 시간의 관점에서 봤을 때 가장 까다롭다. 이 과도상태는 스트라이크에 불이 붙거나(직접적인 스트라이크나 간접적인 스트라이크 때문에 유도된 전압 및 전류) 전력 시스템을 스위치(부하 변경 및 단락 회로도 포함)함으로써 유발된다. 과도상태의 심각한 정도는 케이블이 빌딩 내부 또는 외부의 설치 여부에 따라 바뀔 수 있다.
이러한 유형의 과도상태는 커먼 모드 유형이거나 차동형 모드 유형이다. 이 과도응답은 용량성 또는 자기장 커플링에 의해 텔레콤 케이블에서 유도된다. PoE 애플리케이션에서 DC 전력이 각 전송 쌍과 수신 쌍 2가지 모두를 사용해서 전송된다는 것을 명심해야 한다. 예를 들어, DC 전압의 파지티브 P 측면은 TX 쌍에 있을 수 있는 반면, 리턴 N 측면은 RX 쌍 위에 위치할 것이다.
꼬임 쌍 케이블에서, 각 쌍의 와이어 2개는 서로 꼬여 있으나, 쌍 사이에는 전혀 꼬임이 없다.(실제, 각 쌍은 인접해 있으며 서로 잘 분리되어 있다) P와 N 간의 서로 다른 모드의 과도상태는 각 케이블과 같은 유형이며, 직렬의 쌍은 테스트 전압이 관련되어 있는 한 언밸런스 라인으로 간주될 수 있다.
IEC 61000-4-5는 과도 응답을 2개의 서지 파형으로 정의한다. 즉 1.2 × 50㎲ 개방형 회로 전압 파형과 8 × 20㎲ 단락 회로 전류 파형이다. 그림 6, 그림 7, 표 4는 이를 설명하고 있다. 다음 등식은 서지 단락 회로 전류 파형의 근삿값을 제공한다.
IEC 61000-4-5의 3~5등급은 실외 애플리케이션과 더 높은 위협적인 레벨 조건에 적용될 수 있다. 대부분의 PoE 애플리케이션에서는 실내 케이블 설치만이 (사무실) 고려된다. 또한 IEEE 802.3은 접지에서 1500V 유전체 테스트를 견딜 수 있는 네트워크를 요구한다. 그 결과, 2등급(반 보호형 환경)만이 적용된다.
또한, PoE 용으로 사용되는 이더넷 케이블의 적용할 수 있는 카테고리는 언밸런스형 및 밸런스형 회로/라인이다. 밸런스형 라인은 뚜렷한 라인 대 라인 테스트가 없을 수도 있지만, 커패시터 대신 방지장치(arrestor)를 통해 커플링을 사용한 라인 대 GND 테스트 설정으로 수행할 수 있다. 이 설정은 테스트될 회로의 규정된 기능 조건에 영향을 미치지 않는다.
또 다른 표준은 ITU-T 권고형 K.20, K.21, K.44, K.45가 있으며, 경우에 따라 GR-1089-CORE (빌딩 내부 조명 서지 규격)도 이용할 수 있다.
일반적인 텔레콤 표준은 10/700㎲ 전압 파형이다. 이 표준은 이더넷 네트워크에 적용할 수 없다. 왜냐하면, 이 표준은 실내 및 실외 설치 모두를 이용해 장거리 텔레콤 신호 라인 상황에만 적용할 수 있기 때문이다.
< 다음호에 계속>
아이씨엔 매거진 2007년 02월호