앞당겨 구현하는 차기 IEEE 802.3bt 71W PoE 표준

PoE(Power over Ethernet)가 대중화되고 성숙된 기술이 됨에 따라 PSE(Power Sourcing Equipment) 및 PD(Powered Device) 개발자들이 향상된 차세대 IEEE 표준에 뛰어들어 더 높은 수준의 전력을 공급하는 이더넷 케이블을 개발하는 것은 더 이상 놀랄 일이 아니다.

그러나 많은 산업 표준과 마찬가지로 IEEE PoE 표준의 최종 확정은 시장의 요구에 비해 많이 늦은 편이다.  IEEE PoE 태스크포스의 최근 타임라인에 의하면 71W 802.3bt 표준 역시2018년 초가 돼서야 모습을 드러낼 것으로 보인다. 그러나 치열한 기술 경쟁에서 그때까지 기다리기에는 사업 기회나 시장을 쉽게 놓칠 수 있는 긴 시간이다.

이러한 상황에서 PSE 및 PD 개발자는 어떻게 해야 하는가? 지금 설계하고 생산하는 방법이 있을까? 리니어테크놀로지의 IEEE 802.3bt 표준(드래프트 2.0)과 호환되는 LT4295 IEEE 802.3bt PD 컨트롤러를 이용하면 개발자는 802.3bt 시장에 가장 먼저 뛰어들 수 있다.

더 높은 전력, 확대되는 잠재적 시장

IEEE PoE 태스크포스와 개발자의 주요 초점은 궁극적으로 PD에 얼마나 많은 전력을 공급하는가에 모아져 왔다. 2003년 IEEE PoE 태스크포스는 최초 IEEE 802.3af PoE 표준에서 PD 입력의 RJ-45 잭에 13W까지 사용할 수 있도록 규정했다.

그 이후 지속적으로 더 높은 전력에 대한 요구가 높아지면서 2009년에 IEEE PoE 태스크포스는 표준을 개정해 최대 PD 전력 레벨을 25.5W로 증가시킨 IEEE 802.3at(PoE+)를 발표했다.

오늘날 더욱 빠른 속도로 훨씬 높은 전력이 요구됨에 따라 PoE++ 또는 4PPoE로 알려진 현재의 개정안 IEEE 802.3bt 드래프트 2.0에서는 PD에 최대 71W 전력을 공급할 것으로 알려졌다.
전력이 높으면 개발자는 손쉽게 더 많은 기능을 추가하고 기존 제품의 성능을 높일 수 있다. PoE와 함께 발전한 애플리케이션으로 보안 카메라를 예로 들어보자.

13W까지만 사용 가능했던 최초 PoE 구동 보안 카메라는 단순한 고정된 장치였다. 그러나 802.3at에서 25.5W를 공급받을 수 있었을 때는 추가적인 전력을 여러 개의 임베디드 모터를 구동하는 데 이용해 보안 카메라에 팬-틸트-줌 기능을 제공할 수 있었다.

이제 802.3bt의 71W를 도입하게 되면 팬-틸트-줌 보안 카메라에 팬(fan)과 히팅 기능을 추가해 극한 온도에서 동작하도록 지원할 수 있다. 일부 더 높은 PoE 전력 레벨은 완전히 새로운 시장을 열어줄 수 있다.

예를 들어 벽면 스위치에 의해 제어되는 천장 조명만 제조하는 전통적인 LED 조명 제조업체는 이제 스마트 홈 또는 빌딩을 구현할 수 있게 도와주는 PoE 지원 장치를 생산할 수 있다. 더 높은 전력이 최종 제품에 점진적 발전이나 혁신적 변화를 가져오거나 PoE 표준이 새롭게 개정될 때마다 잠재 시장이 확대된다는 점은 분명하다.

PSE-PD 링크로 전환

이미 짐작했겠지만 4PPoE는 ‘4-pair PoE’의 약자다. 802.3bt는 이더넷 케이블에서 4개의 모든 트위스트 페어를 이용해 전력을 최대 100m까지 전송할 수 있다. 이전 PoE 표준에서 4쌍(4-pair)의 전력 공급은 표준 규격이 아니었다.

[그림1]에서는 IEEE 802.3bt PSE-PD 링크의 일반적인 블록 다이어그램을 볼 수 있다. 케이블링 요구사항은 아직 확정되지 않았지만 케이블링 위원회와 제조업체는 10GBASE-T(10기가비트(Gbit)/s 이더넷 데이터 속도)로 동작하면서 증가된 전력 레벨을 지원하기 위해 802.3bt가 최소 카테고리 5E 케이블링을 요구할 것으로 추측하고 있다.
 어느 경우이든 현재 이더넷 케이블이 성능 한계 도달해 있기 때문에 이전에는 주의를 기울이지 않았던 케이블링 시스템 성능 특성에 주의할 필요가 있다.

802.3bt는 두 가지 새로운 PD 토폴로지로 싱글 시그니처(single-signature)와 듀얼 시그니처(dual-signature)를 도입하고 있다. 싱글 시그니처 PD는 2쌍 세트간에 동일한 식별 시그니처, 분류 시그니처, MPS(maintain power signature)를 공유하는 802.3bt PD다. 반면 듀얼 시그니처 PD는 2쌍 세트 간에 독립적인 시그니처를 갖는 802.3bt PD다.

새로운 802.3bt 설계는 의심할 나위 없이 단일 PD 인터페이스만 요구하는 더 단순하고 비용 효율적인 싱글 시그니처 토폴로지로 가게 될 것이다. 듀얼 시그니처 PD는 각 쌍 세트에 하나씩, 2개의 병렬 PD 인터페이스를 필요로 한다.

이 경우 2개의 PSE로부터 공급되는 전력은 각 PD 인터페이스 다음에 합해진다. 근본적으로 듀얼 시그니처 토폴로지는 일례로 2개의 25.5W PD로 51W PD 하나를 만들게 되므로 싱글 시그니처 51W PD보다 비용이 두 배가 되는 복잡한 솔루션이다.

802.3bt 식별 과정은 연결된 PD의 802.3 호환 PD 여부를 구분할 수 있을 뿐 아니라 싱글 또는 듀얼 시그니처 PD가 연결됐는지 결정할 수 있도록 확대됐다. 이와 같이 식별은 현재 연결 확인(Connection Check)을 통해 싱글 또는 듀얼 PD 구성을 결정할 수 있다.
802.3bt는 4개의 새로운 고전력 PD 클래스를 도입해 싱글 시그니처 클래스가 총 9개가 됐다[표1 참조].

클래스 5에서부터 8까지는 PoE에 새로 도입된 클래스로 40.0W~71.0W 범위의 PD 전력 레벨로 전환된다. PSE는 여전히 물리적 계층(71W에 대한 5이벤트 분류) 또는 데이터 링크 계층(LLDP)을 사용하도록 선택해 PD를 분류할 수 있으며 PD는 호환을 위해 여전히 두 분류 방식을 모두 지원할 수 있어야 한다.

802.3bt PD는 선택사항으로 오토클래스(Autoclass)로 알려진 물리적 계층 분류에 대한 확장을 구현할 수 있다. 확장된 구현에서 802.3bt PSE는 연결된 PD의 실제 최대 전력 소비를 측정한다. 이 간편한 전력 관리 기능은 예를 들어 PSE가 특정 전구가 해당 클래스 전력보다 적게 소비한다는 것을 안다면 남은 전력을 추가 전구에 할당할 수 있게 한다.

딥 슬립 모드가 필요한 PD를 위해 802.3bt에서는 로우 MPS라고 하는 저전력 버전의 MPS(maintain power signature)가 도입됐다. 이전 PoE 표준에서 PD는 PSE에게 PD를 온 상태로 유지하게 하기 위해 32% 듀티 사이클로 소량의 DC 전류를 끌어와 사용해야 했다.

그러나 이러한 비교적 높은 ‘듀티 사이클은 에너지 효율적인’ 빌딩 표준을 고려해야 하거나 에너지 소비에 민감한 일부 애플리케이션에서는 큰 부담이 될 수 있다. 802.3bt PD는 ~2% 듀티 사이클에서 소량의 DC 전류를 유지하기만 하면 되므로 대기 전류를 획기적으로 줄일 수 있다. 

[표2]는 802.3bt PD 타입과 특징을 요약한 것이다. 이미 잘 알고 있을 타입1과 2는 802.3af 및 802.3at에서 각각 도입돼 보통 하나 또는 여러 개의 고유 클래스(전력 레벨)에 매핑 된다. 그러나 802.3bt의 새로운 타입 3 및 타입 4 PD는 그리 간단하지 않다.
‘PD 클래스’ 열에서 보듯이 타입 3 PD는 클래스 0을 제외하고 타입 1과 타입 2 PD의 클래스를 포함하고 확장한다.

마찬가지로 클래스 5는 타입 3 싱글 시그니처와 타입 4 듀얼 시그니처 PD에 의해 사용된다. 뿐만 아니라 [그림2]에서 클래스 5 싱글 시그니처 PD는 단 40W만 할당되며 클래스 5 듀얼 시그니처 PD는 2x35.5W가 할당된다. 듀얼 시그니처 PD에서 우리를 더욱 곤란하게 만드는 것은 각 쌍 세트가 독립적으로 동작하기 때문에 이들이 각각 다른 클래스에 속할 수 있다는 사실이다.

예를 들어 첫 번째 쌍 세트의 클래스 1(3.84W)과 두 번째 쌍 세트의 클래스 2(6.49W)가 하나의 듀얼 시그니처 클래스 1.2(10.3W) PD를 구성할 수 있다. 이와 같이 듀얼 시그니처 PD에서 클래스 중복과 비표준 전력 레벨의 확산으로 인해 개발자와 사용자는 똑같이 이제 더 이상 PD 타입과 PD 클래스를 동일시하거나 PD 클래스와 PD 전력 레벨을 동일시 할 수 없다는 사실에 주의해야 한다.

대신 모든 사람들의 가장 많은 관심을 받는 특징은 PD의 ‘타입’이 실제로 무엇을 의미하는지 인식함으로써 PD의 시그니처 토폴로지와 클래스를 명백히 식별할 수 있다는 사실일 것이다.

802.3bt는 802.3at 및 802.3af와 역호환 된다. 저전력 802.3at 또는 802.3af PD는 아무 문제 없이 고전력 802.3bt PSE에 연결할 수 있다. 또 반대로 고전력 802.3bt PD를 저전력 802.3at 또는 802.3af PSE에 연결할 경우 PD는 개별적인 저전력 상태에서 동작할 수만 있으면 되는데 이를 하향조정(demotion)이라고 한다.

만약 PD가 하향조정을 무시하고 최고 전력 상태로 동작하면 전력이 부족한 PD는 PSE로 하여금 반복적으로 켜지게 해 전류 제한에 도달한 다음 꺼진다. 이는 사실상 PSE를 계속 돌리는 모터와 같다. 이러한 이유로 ‘조정’은 802.3at 및 802.3bt에서 모두 의무적으로 규정하고 있지만 유감스럽게도 많은 경우 무시된다.

1와트 전력까지 남김없이

고전력 PD 설계의 가장 중요한 측면은 일반적으로 비용과 효율이다. 이것은 주로 PD 인터페이스를 구현하기 위해 선택하는 IC에 의해 결정된다. 이 밖에 공간이 제한된 설계에 직면하는 개발자는 고전력 레벨로 인해 더 큰 디스크리트 부품과 더 큰 히트싱크가 필요해지면서 제한된 PD의 크기는 여러 가지 문제의 하나에 지나지 않는다는 사실을 인식해야 한다.

이러한 이유로 리니어에서는 특별히 802.3bt PD 성능을 극대화하고 설계 작업을 간소화하도록 설계된 3종류의 IC를 출시했다.

[그림2]는 보조 입력을 지원하는 고효율 싱글 시그니처 802.3bt PD 인터페이스의 간략화 한 블록 다이어그램을 보여준다. 이 솔루션은 94% 이상의 전체 효율(RJ-45입력에서부터 PD 부하까지)을 제공하고 -40°C~125°C 온도 범위 내에서 동작한다.

[그림2]에서 RJ-45 인터페이스에 보이는 LT4321은 2개의 다이오드 브리지 정류기[그림1]를 대체하는 아이디얼 다이오드 브리지 컨트롤러다. LT4321은 저손실 N-채널 MOSFET 브리지를 사용해 PD의 사용 가능한 전력을 증가시키는 동시에 열 발산을 낮춘다.

802.3bt에서는 PD가 이더넷 입력에서 모든 극성의 DC 전원 전압을 받아들이도록 규정하고 있으므로 LT4321은 데이터 및 여분의 쌍으로부터 단일의 극성이 일치하는 전원 출력으로 전력을 정류하고 결합한다.

향상된 전력 효율로 사실상 히트싱크가 필요하지 않기 때문에 전체 회로 크기와 비용을 향상시킨다. 또 10배 이상 전력을 절감하므로 PD가 분류 전력 예산 내에 있거나 다른 기능을 추가할 수 있다.

[그림2]에는 아이디얼 다이오드 브리지 컨트롤러에 이어 PD 인터페이스의 두뇌에 해당하는 LT4295 802.3bt 호환 PD 인터페이스 컨트롤러가 나와 있다. 이 디바이스는 고효율 포워드 또는 옵토커플러가 필요 없는 플라이백 컨트롤러를 통합하고 있다. LT4295는 모든 9개 PD 클래스와 모든 4개 PD 타입을 지원하며 25kΩ 시그니처 저항, 최대 5 이벤트 분류 감지, 싱글 시그니처 토폴로지를 제공한다.

이 외에도 LT4295는 기존의 PD 컨트롤러와 달리 외부 전력 MOSFET을 사용해 전체 열 발산을 크게 줄이고 802.3bt의 높은 전력 레벨에서 더 중요해진 전력 효율을 극대화한다. 이러한 외부 MOSFET을 사용하는 새로운 접근법은 MOSFET 크기를 사용자의 특정한 발열 및 효율 요구사항에 맞출 수 있게 하면서 30mOhm의 낮은 온 저항을 갖는 MOSFET을 사용할 수 있게 한다. 

802.3bt의 71.0W 전력에 부족함을 느낀다면 최대 90W의 전력 레벨을 제공하는 리니어테크놀로지의 LTPoE++ PSE 및 PD 컨트롤러 제품군을 사용한다. LTPoE++ 표준은 802.3bt와 유사한 분류 방식을 사용하기 때문에 802.3at 및 802.3af 장치와 상호운용성을 유지하면서 LTPoE++ PSE 컨트롤러와 LTPoE++ PD 컨트롤러가 서로 신뢰할 수 있게 통신할 수 있다.

단일 케이블을 사용해 LTPoE++ PD를 LTPoE++ PSE에 꽂기만 하면 하드웨어를 통해 모든 핸드 셰이킹이 자동으로 처리되므로 소프트웨어는 필요없다!

마지막으로 802.3bt PD에서 보조 전원을 지원할 필요가 있는 경우 PoE 외에 선택사항으로 전원 어댑터에 의해 PD에 전력을 공급할 수 있다. [그림2]의 맨 위에 보이는 LT4320은 전파(full wave) 브리지 정류기의 4개 다이오드를 각각 대체할 수 있는 9V~72V의 아이디얼 다이오드 컨트롤러로서 낮은 손실의 N?채널 MOSFET을 내장해 전력 소모를 크게 줄이고 사용 가능한 전압을 증가시킨다.

향상된 전력 효율로 크고 비싼 히트 싱크를 사용할 필요가 없어 전원장치와 월워트(wall wart) 크기를 줄일 수 있다. 또 저전압 애플리케이션의 경우 다이오드 브리지에 의한 거의 2번의 다이오드 드롭(~1.2V, 12V에서 10%)을 없애줌으로써 애플리케이션에서 헤드룸을 증가시켜 얻어진 여분의 마진을 이용할 수 있다.

결론

IEEE의 802.3bt는 최종 확정되지 않았지만 개발자는 확정되기 시작한 표준의 주요 사항을 적용함으로써 시장에 적극적으로 진출할 수 있다. 802.3bt의 PD 타입, 토폴로지 및 클래스는 최대 71.0W의 높은 전력 레벨을 지원하며 새로운 MPS 시그니처는 PD 슬립 모드일 때 보다 낮은 대기 전력을 지원한다.

PoE를 선도하고 IEEE 태스크포스의 주도적인 회원으로서 리니어테크놀로지는 802.3bt, LTPoE++ PD 및 PSE 컨트롤러를 출시함으로써 PoE에서 가장 앞서 나가고 있다.
설계를 간소화할 뿐 아니라 전력 효율을 극대화하고 크기를 최소화하면서 전체 BOM 비용을 줄여주는 이러한 IC를 이용해 802.3bt 시장에 가장 먼저 진출하는 것은 올바른 정보를 갖고 현명한 결정을 하는 개발자에게 달려 있다.

<글 : 크리스토퍼 고복(Christopher Gobok) 리니어테크놀로지 제품 마케팅 수석 엔지니어  >
<자료제공 : 리니어테크놀로지(www.linear.com)>