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PoE와 스마트 빌딩: 파트 2

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글/밥 카드(Bob Card), 온세미컨덕터 어드밴스드 솔루션 그룹 미국지역 마케팅 매니저

미 화재방지협회(NFPA)에 따르면, 상업 현장에서 발생하는 화재사고의 세 번째 주요한 원인으로 ‘전기 및 조명 장비’가 꼽혔다. 오래되거나 결함이 있는 배선, 과부화된 회로, 느슨한 연결부, 결함있는 퓨즈, 불균형한 전기 부하, 전기 혹은 조명 문제는 전기 및 조명 장비로 발생하는 화재의 주된 원인이다. 이 경우, 과열이 발생하여 화재를 일으키는 스파크를 형성할 수 있다. 

전원전력은 장/단시간 AC 전원을 세 개의 절연 구리선인 활선, 중성선, 접지선에 거쳐 전송한다. 활선에는 교류 전위차(120VAC 또는 230VAC)가 있다. 중성선은 회로를 완성하고 전위 혹은 0V에 가깝게 유지된다. 접지선은 고장시 회로를 접지하는 안전선이다. 퓨즈 및 회로 차단기와 함께 전원전력은 안전을 위해 33%을 구리선에 할애한다.

[그림 1] 2.5mm2 단선 구리 주전선의 단면(좌), 단선 23AWG CAT6 케이블(우)

PoE(Power over Ethernet)은 파워 소싱 장치(PSE)와 전원 공급장치(PD) 사이의 이더넷 케이블을 통해 단거리(최대 100미터) DC 전원을 전송한다. PoE 표준에 따라 최대 8개의 구리선이 리턴 경로를 포함해 DC 전원을 전달하는 데 사용된다. PoE는 안전에 있어서는 구리를 절대 사용하지 않는다. PoE 표준에서는 안전제어에 구리(주전원)대신 실리콘을 활용한다. 실리콘은 두 가지 이점을 제공한다. 첫째, 실리콘은 구리보다 저렴하다. 둘째, 실리콘은 코딩할 수 있으며, 구리는 코딩할 수 없다. 

2쌍 전원 vs 4쌍 전원

이더넷은 8개의 접점이 있는 RJ45 커넥터를 사용한다. 이들은 4개의 다른 쌍으로 나뉜다(그림 2). 100BASE-TX(10Mbps) 네트워크에서는 사용 가능한 4개의 diff 쌍 중 2개만 데이터 전송에 사용되며, 2개 쌍은 사용되지 않는다. 기가비트 이더넷(1Gbps) 네트워크에서는 4개의 diff 쌍이 모두 데이터 전송에 사용된다.

10/100/1000 이더넷 인프라인 350mA/쌍, 최대 57V을 전달하는 IEEE 802.3af(PoE로 알려져 있음)와 600 mA/쌍, 최대 57V를 전달하는 IEEE 802.3at(PoE 1로 알려져 있음)을 통해 사용되지 않는 쌍을 이용함으로써 전력을 공급한다. 이는 다음과 같은 두 가지 방법을 구현한다.

A: 대체 A(PSE), 모드 A(PD)로 2쌍 및 3쌍으로 전력 전송

B: 대체 B(PSE), 모드 B(PD)로 1쌍 및 4쌍으로 전력 전송

한편, PoE 2 혹은 IEEE 802.3bt는 4쌍의 전력으로 작동하며, 960mA/쌍에서 최대 57개까지 4쌍을 사용한다. PSE에서 90W를 공급할 수 있다.

[그림 2] 2쌍 전력과 3쌍 전력의 비교

IEEE 802.3BT(90W) 분류

이더넷 얼라이언스(The Ethernet Alliance)는 그림 3에 나와 있는 네 가지 유형을 8개의 클래스로 추가로 분류한다. PSE의 경우 각 PoE 2의 클래스(5-8)에 따라 15W씩 나뉘고, PD의 경우 11W씩 나뉜다. 클래스 대비 유형을 세밀하게 나누면, 멀티포트 PSE의 효율성을 최적화하여 연결된 PD에 다양한 전력을 제공할 수 있으며, 연결된 PSE 포트의 수가 증가할 경우 더욱 그렇다.

[그림 3] IEEE 802.3bt 분류

IEEE 802.3af/at/bt 전력 프로비저닝 단계

PSE와 PD 사이의 PoE 전력 프로비저닝은 그림 4와 같이 5가지 단계를 따른다.

• 1단계: 검출

• 2단계: 분류

• 3단계: 시동

• 4단계: 작동

• 5단계: 분리

PSE에서 R센스(Rsense) 저항은 PD에서 이뤄지는 전류 싱킹(current sinking)을 측정하기 위한 리턴 전류 패스와 직렬로 포함된다. 또한, PD에는 25k 풀 다운 시그니처 저항이 있으며, 이는 PSE에 검출 사항을 알리는 데 사용된다.

[그림 4] PoE 전력 프로비저닝 단계 (출처: 이더넷 얼라이언스)

1단계: 검출

PSE와 PD가 이더넷 케이블로 연결될 경우, PD는 PSE에 25kΩ 풀 다운 저항(그림 4 오른쪽 참고)을 제공한다. 이어서 PSE는 500밀리초 간격 내에서 두 가지 전류 측정을 수행한다.

1) 2.8V를 가하고 I을 측정

2) 10V를 가하고 I을 측정

ΔV/ΔI 계산 시 PSE가 19kΩ에서 26.5ΩK까지의 범위로 측정되면 PSE는 검출을 유효한 것으로 받아들일 수 있다. 이 밖의 경우, PSE는 해당 검출을 받아들일 수 없다. 차동 측정을 수행하면 주변 노이즈(어그레서)가 각 측정에 공통으로 적용되므로, 제거(공통 모드 제거)된다는 이점이 있다.

2단계: 분류

분류 단계에서 PD는 요청된 클래스 시그니처 또는 전력 요구 사항을 PSE에 알린다. 분류 단계는 그림 5와 같이 5개의 클래스 이벤트 또는 타임 슬롯으로 구분된다.

1) 클래스 시그니처 0: 1 mA ~ 4 mA

2) 클래스 시그니처 1: 9 mA ~ 12 mA

3) 클래스 시그니처 2: 17 mA ~ 20 mA

4) 클래스 시그니처 3: 26 mA ~ 30 mA

5) 클래스 시그니처 4: 36 mA ~ 44 mA

[그림 5] PD에 의해 생성된 클래스 시그니처

그림 5는 PD 클래스(1-8)를 식별하기 위해 각 클래스 이벤트(열)에서 필요한 클래스 시그니처(행)를 보여준다. 예를 들어, 클래스 7 PD는 클래스 이벤트 1에서 40mA, 클래스 이벤트 2에서 40mA, 클래스 이벤트 3부터 5까지 18mA를 제공한다. PSE는 각각의 시간 이벤트 동안 PD의 전류 싱킹을 측정하면서 PD의 클래스를 학습한다.

PSE는 아래 그림 6에 표시된 전압을 강제로 적용하는 한편, PD는 클래스 시그니처로 불리는 최대 5개의 서로 다른 전류 레벨을 싱크하는 역할을 한다.

[그림 6] 클래스 시그니처 및 전류 레벨

오토클래스(Autoclass)

그림 5와 같이, 클래스 이벤트 1은 다른 클래스 이벤트보다 길다. 이는 802.3bt에만 해당되며, 802.3at 또는 802.3af에는 해당되지 않는다. 만약 PD 또한 802.3bt 규정을 준수한다면 PD는 클래스 시그니처 0(1~4mA) 81밀리초를 클래스 이벤트 1로 변경할 수 있으며, 클래스 1은 PD 또한 802.3bt이며 오토클래스를 지원함을 802.3bt PSE에 알린다.

PD는 켜진 후 1.2초까지 최대 전력을 공급한다. PSE가 PD 전원을 측정하고 마진을 추가하면 이는 PSE가 제공하는 최적화된 새로운 전력 레벨이 된다.

오토클래스는 PSE 전력 할당을 최적화한다. 예를 들어, PD가 작동 중 최대 65W를 필요로 한다면 PD에서의 65W를 보장하기 위해 해당 PD는 스스로를 PSE에 대해 클래스 8로 식별할 것이다. 오토클래스가 없다면 PSE는 90W를 할당해 PD가 65W를 공급받도록 할 것이다. 오토클래스가 있다면 PSE는 66.5W(짧은 케이블 길이)에 1.75W 마진을 더한 68.25W 할당만 읽을 수 있다. 전력 절감량은 21.75W 또는 최대 25%까지다. 비록 상당한 수준이라고 생각되지 않을 수 있지만, PSE 스위치에 8개의 802.3bt 포트가 있는 경우 오토클래스는 다양한 케이블 길이를 통해 각 포트를 최적화함으로써 잠재적으로 총 수백 와트의 효율성을 절감할 수 있다.

3단계: 시동

시동 단계에서 PSE는 클래스 1부터 4까지의 경우 450mA로, 클래스 5부터 8까지의 경우 900mA로 돌입 전류를 제한하는 역할을 한다.

시동 단계에서 PD는 부하 전류를 클래스 1부터 6까지의 경우 400mA로, 클래스 7부터 8까지의 경우 800mA로 제한한다.

4-5단계: 작동, 분리 및 MPS

MPS(Maintain Power Signature)는 PD가 PSE로부터 주기적인 전류 펄스를 싱크하여 PSE에 PD가 분리되지 않았음을 알리는 킵얼라이브(Keep Alive) 기능이다. PSE가 400밀리초 후에 PD로부터 MPS를 수신하지 못할 경우, PSE는 PD에 대한 전원 연결을 끊어야 한다.

IEE 802.3bt PD 애플리케이션 블록 다이어그램

그림 7은 PD를 위한 일반적인 802.3bt 애플리케이션 다이어그램이다. 왼쪽부터 트랜스포머가 이더넷 10/100/1000 데이터를 근처의 프로세서에 AC 커플링한다. 전파 정류는 그린브릿지 2(GreenBridge 2)를 통해 이루어지며, 기존 실리콘 다이오드 브리지보다 적은 전력을 소비한다. 온세미컨덕터의 NCP1095(핀 7)는 25KΩ 검출 풀 다운 저항을 나타내며, 핀 2와 핀 3은 부착 후 분류 이벤트 중에 PSE로 전달되는 PD의 전력 요구량을 클래스(저항 값)별로 결정한다. 핀 6, 8, 9 및 10은 외부 R센스 및 패스 게이트를 통해 돌입전류 및 과전류 보호(OCP)를 일괄 제어한다. 핀 13, 15 및 16에서는 컴패니언(companion) 프로세서에 대한 3비트 통신이 이뤄진다. 핀 14 PGO 핀은 출력이 양호할 때 다운스트림 DCDC 장치에 알린다. 핀 4는 로컬 보조 전원 공급 장치에서 NCP1095의 전원을 켤 수 있도록 하는 한편, 핀 6은 802.3bt의 새로운 기능인 오토클래스를 제어한다.

온세미컨덕터는 외부 FET 및 R센스를 모두 통합하는 NCP1096 컨트롤러를 함께 제공한다.

[그림 7] 802.3bt 애플리케이션 다이어그램

코딩 가능한 실리콘

퓨즈, 회로 차단기 및 접지선은 특히 IEEE 802.3bt의 기능에 비해 상대적으로 둔감한 전기 화재 방지 장치이다. 한편 분류, 오토클래스, 돌입 전류 및 MPS를 비롯한 전력 프로비저닝 기능은 월등히 우수하다. 예를 들어, 메인 전원의 경우 벽이나 천장에 숨어있는 설치류 등으로 인해 예상치 못한 전기 화재가 발생할 수 있다. 이와 반대로, PSE는 PD가 400밀리초마다 PSE에 MPS를 제공하지 않는 경우, 자동으로 PD의 전원을 차단한다.

누구나 예상치 못한 단선을 발견하기 위해 PSE를 코딩하는 것을 쉽게 떠올릴 수 있다. 이는 IT 부서에 사전 경고 플래그를 트리거해 잠재적으로 건물 화재와 같은 재난사고를 예방한다. 한편, 분류와 오토클래스는 부하에 필요한 정확한 전력량을 지능적으로 할당한다. 이는 전력을 분배하는 매우 안전하고 효율적인 방법이다. 앞서 언급했듯이 실리콘은 구리보다 훨씬 저렴하며, 실리콘은 코딩이 가능한 반면 구리는 코딩이 불가능하다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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