PoE PSE 디자인의 에너지 효율 극대화

  IEEE 802.3 33절은 이더넷을 통한 전력(PoE: Power over Ethernet) 공급과 관련된 표준이다. 이 표준에 명시된 바에 따르면 PD(Powered Device)에는 최대 15.4W를 공급할 수 있다. IEEE는 흔히 ‘PoE+’라고 하는 새로운 확장 표준인 IEEE 802.3at를 최근 승인했다. PoE+는 PSE(Power Sourcing Equipment)에서 포트당 최대 30W의 전력 레벨을 지원한다. IEEE 표준에서 PSE는 케이블의 다른 쪽 끝에 연결된 PD에 공급되는 전력을 제공하고 제어하는 역할을 한다.

필 칼라한(Phil Callahan), 존 가멜(John Gammel) / 실리콘래버러토리스

  PoE와 PoE+의 전력 레벨은 모두 적당한 수준이지만 PSE 시스템 및 엔터프라이즈 네트워크의 다중 PSE 시스템에서는 포트가 48개나 되는 경우가 흔하다. 전체 설치에는 VoIP 전화, 무선 액세스 포인트, 보안 카메라, PoS(Point of Sale) 단말기 및 그 밖의 네트워크 디바이스에 전력을 공급하는 미드스팬 또는 PoE 지원 이더넷 스위치에 수백 개의 PoE 포트가 있을 수 있다.
이러한 높은 배율을 감안할 경우 PSE에서 공급하는 전력은 손쉽게 킬로와트 범위를 넘어설 수 있다. 하지만 전력 효율이 높은 PSE 컨트롤러를 사용하고 파워 서플라이를 주의 깊게 관리하면 전력 및 시스템 비용을 대폭 절감할 수 있다.

전력 컨트롤러

전력 컨트롤러와 연관된 전력 손실이 발생하는 주요 원인은 ▲ 정지 전력 소모(부하로 전달되지 않는 파워 서플라이에서 가져온 전력), ▲ FET 전류 감지 저항 및 직렬 전력 FET와 연관된 I2R 손실, ▲ 전력 경로의 다른 컴포넌트(예: 일반적으로 사용되는 ‘AC 디스커넥트(AC Disconnect)’ 방식과 연관된 직렬 다이오드) 등이다.
  (표 1)에는 일반적인 4포트 PSE 컨트롤러에 대해 350mA의 부하를 적용할 경우 나타나는 최대 고전압 전류, 최대 직렬 저항 및 총 포트당 전력 손실이 나와 있다.

디스커넥트 방식
  디스커넥트 방식은 특정 PD에 대한 전력 공급을 중단하는 데 사용되는 알고리즘을 의미한다. IEEE 표준에서는 두 가지 디스커넥트 감지 방식을 지정하고 있다. DC 디스커넥트에서는 전류 흐름을 감지하여 전류가 10mA 밑으로 떨어지면 전력 공급을 중단한다. 측정 경로의 기생 인덕턴스로 인한 링잉 및 시스템 잡음 플로어를 감안할 경우 이러한 낮은 레벨의 전류를 정확하게 감지하는 일은 까다로울 수 있다.
  AC 디스커넥트에서는 몇 mA의 AC 전류를 직렬 다이오드를 통해 PoE 회로에 주입하고 다이오드에 역방향 바이어스가 걸리면 PD에 대한 전력 공급을 중단한다. AC 디스커넥트는 잠재적으로 DS 디스커넥트보다 정확할 수 있지만 평균 0.6V의 직렬 다이오드 전압 강하와 AC 전류 소스로 인해 포트 350mA의 전류에서 약 400mW의 전력 소산이 추가로 발생한다. 전체 효율에 대한 이 같은 부정적인 영향으로 인해 AC 디스커넥트는 PSE 시스템의 에너지 효율을 극대화하는 데 사용하기에 적합하지 않다.
  실리콘 랩의 Si3452 PoE 컨트롤러는 효율적이면서도 정확도가 뛰어나며 완전 상호 운용이 가능한 독자 개발형 ‘dV/dt 디스커넥트’ 방식을 사용한다. 이 방식에서는 디스커넥트를 감지하는 동안 FET가 매우 낮은 전류 제한 모드에 들어가도록 한다. PD가 디스커넥트되어 있지 않은 경우 FET 전류 제한은 정상적인 전류 제한으로 전환되고 짧은 시간동안 포트 전압에 약간의 변동이 발생한다(따라서 dV/dt 디스커넥트라고 이름이 지정됨). dV/dt(또는 정확한 디스커넥트가 없는 경우)가 감지되면 AC 디스커넥트와 관련된 전력이 낭비되는 일 없이 정확한 디스커넥트 이벤트를 감지할 수 있다.

전력 관리
  포트당 최대 30W를 공급하는 포트 수가 많은 PoE+PSE 시스템의 경우 모

든 포트에 공급되는 전력을 극대화하려면 파워 서플라이의 용량이 매우 커야 한다. 예를 들어, 24포트 시스템에는 720W의 파워 서플라이가 필요한데, 이 때문에 파워 서플라이 관리가 매우 중요해지게 된다.
  대부분의 PoE 컨트롤러는 디스커넥트에 대한 포트 전류 모니터링 기능은 물론 단락 및 과부하로부터 보호하기 위한 포트 전류 제한 기능까지 제공한 다. 일부 PoE 컨트롤러에서는 프로그래밍 가능한 과부하 전류 임계값을 제공하지만 Si3452는 과부하 임계값이 PD 분류 결과에 따라 자체 조정되는 모드에서 프로그래밍할 수 있는데, 이러한 사양을 ‘포트당 전력 관리(Per Port Power Management)’라고 한다. 이 방법을 사용하면 전체 시스템 파워 서플라이를 동적으로 관리하여 절전 상태를 최적화할 수 있다.
  IEEE 표준에서는 최대 4W(클래스 1), 최대 7W(클래스 3), 최대 15.4W(클래스 3) 또는 PoE의 경우 최대 30W(클래스 4)의 범위 내에서 PD를 분류하기 위한 메커니즘을 지정하고 있다. 선택적으로 PD는 동적 전력 관리를 위해 이더넷 LLDP 계층을 통해 PSE와 통신할 수 있다. 일반적으로 이러한 유형의 전력 관리는 할당을 기반(Grant-based)으로 수행된다(그림 1의 윗부분 참조). 할당 기반 전력 관리의 경우 전력을 사용할 수 있게 되면 포트에 할당되며, 시스템 전력이 모두 할당된 경우에는 대개 우선 순위 체계에 따라 포트에 대해 거부된다.
  분류 및 LLDP에서는 중요한 정보를 제공하지만 해당 PD에서는 요청한 최대 전력보다 적게 소모하는 것이 일반적이다. 또 다른 전력 관리 방식은 소모량을 기반(Consumption-based)으로 하는 것이다(그림 1의 아랫부분 참조). 이 방법에서는 전력 소모량을 모니터링하고, 실제 소모량을 기반으로 전력이 충분한 경우 추가 포트에 전력을 할당하고 피크 상황에 대비해 전력을 비축해 둔다. Si3452 같은 고급 PSE 컨트롤러의 개별 포트 전류 모니터링 기능을 사용하면 각 포트의 전력 소모량을 파악할 수 있으므로 파워 서플라이 전류 모니터가 필요 없다.
  (그림 2)에서는 이러한 사양이 모두 통합된 완전한 전력 관리 지원 PSE 시스템을 보여 준다. 이 시스템은 Si3452 및 함께 제공되는 Power Manager 소프트웨어 개발 키트(SDK)를 통해 구현한 것이다.
  이 접근 방식을 사용하는 경우 전체 전력 사용 시 모든 포트에 전력을 공급하는 데 필요한 용량의 25%만 있는 파워 서플라이를 선택하는 것이 적합하다. 예를 들어, 24포트 PoE+ 시스템에는 720W 파워 서플라이 대신 180W 파워 서플라이를 사용할 수 있을 것이다. 드물기는 하지만 파워 서플라이의 전력이 모두 바닥나는 경우 미드스팬 파워 인젝터 또는 PD 보조 파워 서플라이를 사용하여 부족분을 메울 수 있다. 파워 서플라이의 크기가 작을수록 파워 서플라이로 인해 발생하는 전력 손실이 작기 때문에 이처럼 크기가 훨씬 작은 파워 서플라이는 비용을 절감하고 시스템 효율을 높여 준다. 일정한 전력 레벨에서 180W 파워 서플라이는 720W 파워 서플라이와 비교해 10W의 전력 절감 효과가 있는 것으로 추정되고 있다. 24포트 시스템의 경우 이는 포트당 400mW 이상의 전력 절감 효과로 이어진다.
요약
  (표 2)에는 효율적인 PSE 디자인 및 전력 공급 활용도를 통해 구현되는 전력 및 비용 절감 효과가 요약되어 있다.
Si3452 디바이스 같은 효율적인 포트 컨트롤러를 지능형 전력 관리 사양과 함께 사용하면 시스템 전력을 대폭 절감하고 시스템 비용까지 줄일 수 있다. 




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