IEEE 802.3bt PoE 표준 활용 시 필독 사항 ①

[테크월드=선연수 기자] 이더넷 전원 방식(PoE, Power over Ethernet)이란 IEEE 802.3af와 802.3at 표준으로 정의되는 네트워크 기능이다. PoE는 이더넷 케이블을 이용해 기존에 데이터로 연결된 네트워크 디바이스에 파워와 데이터를 동시에 공급하도록 한다. 2018년 9월 27일 IEEE 802.3bt 표준이 IEEE-SA 표준심의회에 의해 승인돼, 이더넷 접속에 훨씬 더 많은 양의 전력이 통과할 수 있게 됐다. 이 글에서는 이것이 중요한 이유와 엔지니어들이 이를 활용하는 방법에 대해 설명한다.

여전히 유선 네트워크를 사용하는 이유

어디서든 무선 네트워크 구성을 이용할 수 있는데, 왜 우리는 아직 유선 네트워크를 사용하는 것일까? 무선 네트워크는 연결은 편하지만, 이미 건물과 가정에서 사용할 수 있는 수백 만 마일의 유선 CAT5e 케이블이 깔려 있어 유선 네트워크 연결이 더 널리 사용되고 있다. 유선 방식은 무선 방식보다 해킹이나 도청이 더 어렵고 유선 네트워크의 긴 케이블은 비용도 저렴하다. 대학이나 기업 등에서 사용하는 내부적인 네트워크는 대부분이 유선 네트워크다. 벽돌, 돌, 금속으로 건설된 건물 내에서는 무선 네트워크를 이용하기 위해 강한 연결 신호를 받는 것이 어려운 경우가 많다. 5G 기술은 실내 연결 범위를 확장했으나, 당분간 완벽하게 활용되기는 어려울 것이다.

이더넷 케이블에 접근하기 위해서는 반드시 케이블을 잘라야 한다. 무선 네트워크는 다른 신호와 전파에 의해 쉽게 오류가 일어난다. 그러나 대부분의 유선 네트워크 케이블은 이런 방해 요소로부터 보호받고 ‘플러그 앤 플레이’도 가능하며, 이 모든 서비스를 더욱 우수한 품질로 제공한다.

802.3bt 시스템 구성

시스템 구성에는 전원공급장치(PSE, Power Sourcing Equipment)가 들어간다. 이 PSE는 전력 제어장비로서 이더넷 케이블에서 전력 디바이스까지 전력을 공급한다. IEEE 802.3bt 표준은 이에 대해 다음과 같이 기술하고 있다.

“PD는 전력을 끌어오거나, PD 탐지 알고리즘에 참여해 전력 요청 기능을 수행하는 디바이스의 일부를 말한다. PD가 될 수 있는 디바이스는 대체 전원에서 전력을 끌어오는 능력을 가지고 있을 수 있다. 전원 인터페이스(PI, Power Interface)에서 전력을 조달하는 PD는 동시에 대체 전원에서도 전력을 끌어올 수 있다”

일반적인 PD라고 하면 IP전화, 무선 액세스 포인트, 보안 카메라 등과 같이 이더넷 케이블에서 전력을 공급받는 디바이스를 의미한다. PI는 PSE나 PD와 전송 매체 간 기계적, 전기적 인터페이스를 말한다.

이전의 PoE 표준들은 이더넷 케이블에 DC 전류가 흐르게 하기 위해, 8개의 컨덕터 중 오직 4개만 사용했다. 그러나 IEEE 태스크포스는 802.3bt 표준에 8개의 컨덕터 모두를 사용할 수 있도록 했다. IEEE 표준 802.3bt 2018 개정안 2는 다음과 같이 기술하고 있다.

“본 개정안은 조직화된 와이어링 플랜트(Wiring plant) 4쌍 모두를 사용해 전력 공급을 늘렸으며, 엔드 디바이스에 도달하는 전력이 더 늘어난 결과를 도출해냈다. 또한, 엔드 디바이스의 대기 전력 소비량을 줄였고, 이용할 수 있는 전력 예산을 더 잘 관리할 수 있는 방법을 추가했다”

IEEE 표준 위원회는 PSE로부터 PD까지 공급되는 전력량을 증가시키려는 목표를 가지고 있다. 공식적인 수치로 말하자면 PD에 공급되는 전력량을 71.3W까지 도달하게 하고(PSE에서 공급하는 전력량은 90W), 반면 사용하지 않을 때 PD에 필요한 대기 전력량을 현격히 감소시키고자 한다.

오토클래스 기능

IEEE 802.3bt 표준인 섹션 145.8.8.2는 오토클래스라고 불리는 물리계층 분류의 선택적 확장을 포함한다. 이 기능이 작동하면 PSE는 연결된 PD 디바이스에서 끌어올 수 있는 실제 최대 전력량을 측정할 수 있다. 오토클래스는 싱글 시그니처 PD에서만 작동할 수 있다.

PSE가 오토클래스를 실행할 때, ‘POWER_ON’이고 ‘pd_autoclass is TRUE’ 조건이 충족되면 PAutoclass를 측정할 것이다. PD에 전송하고자 했던 최고 전력치가 도달하지 못했을 경우, 오토클래스가 작동되면 이런 상황을 바로잡을 수 있다.

싱글 시그니처와 듀얼 시그니처

IEEE 802.3bt는 싱글 시그니처와 듀얼 시그니처라고 불리는 두 가지의 새로운 PD 토폴로지를 도입했다. 싱글 시그니처 PD는 2쌍 간의 동일 분류, MPS, 식별 시그니처를 공유한다. 듀얼 시그니처 PD는 2쌍 세트 간의 독립적인 시그니처를 갖는다. 802.3bt 표준은 연결 확인(Connection Check)을 새로 도입해 싱글이나 듀얼 시그니처 PD 간의 차이를 인식할 수 있는 구별 능력을 제공한다.

듀얼 시그니처 PD에는 두 개의 병렬 PD 인터페이스가 필요하다. 이 토폴로지에는 독특한 2쌍의 세트가 요구되기 때문이다. 예컨대, 보안 카메라에 듀얼 시그니처를 사용해 한 쌍은 카메라에 연결하고 다른 한 쌍은 히터나 팬/줌 모터에 연결하는 방법을 생각해 볼 수 있다. 각각의 PSE에서 전송된 전력은 각각의 PD 인터페이스를 지나 모두 합쳐지는데, 이는 비용이 좀 더 드는 해결책이다. 따라서 설계자들은 이 해결책에 드는 비용의 반 정도만으로도 할 수 있는 싱글 시그니처 방법을 사용하고 싶을 수 있다.

PD가 있는 쪽은 일반적으로 PSE에서 전송되는 각 쌍의 데이터를 위해 변압기, 액티브 브릿지 정류기, 802.3bt PD 인터페이스 컨트롤러, 그리고 DC/DC 컨버터를 필요로 할 것이다. GB 이더넷 관련해서는 Vpd,B 가 10/100Base-T 정도가 가능함을 나타낸 [그림 1]을 참조하면 된다. 그 밖에도 PD에 추가될 수 있는 소자로 쇼트키 다이오드(Schottky diodes), 저항기, 커패시터를 꼽을 수 있다.

[그림 1] 802.3bt PD 쪽의 애플리케이션 도식: FDMQ8205A 브릿지 정류기와 NCP1096 PoE-PD 인터페이스 컨트롤러, IEEE 802.3bt

[그림 2]는 타입 4, 클래스 8 PD가 최고 전력을 71.3 W까지 사용할 수 있음을 나타낸다. PSE의 최저 전압인 52V로 설정하고 채널 저항을 최악의 경우인 6.25ohms로 설정하면, 이에 부합해 시스템 상에서 흐를 수 있는 최고 전류는 1.73A 또는 컨덕터 당 0.433A다.