USB와 PoE로 고전력 IoT 디바이스 구동

USB와 이더넷 같은 유선 데이터 링크는 오늘날 가장 요구가 높은 IoT 엔드포인트에 데이터를 전달할 뿐만 아니라 신뢰할 수 있는 전력도 제공합니다.

많은 IoT 디바이스가 코인 셀이나 배터리로 구동되는 저전력 소형 유닛으로 설계되지만, 스펙트럼에는 이제 스마트 센서, 데이터 로거, 빌딩 컨트롤러, 보안 카메라, 다양한 엔터프라이즈 및 인프라 애플리케이션이 포함됩니다.

그림 1. IoT 애플리케이션이 소형 배터리가 제공할 수 있는 것보다 더 많은 것을 요구하는 디바이스로 확장되고 있습니다. [출처: Diodes Incorporated]

이러한 최신 엔드포인트는 강력한 임베디드 프로세서, 로컬 데이터 처리, PTZ 카메라 같은 기계적 서브시스템을 갖춰 수 와트를 소모할 수 있어 소형 배터리 용량을 초과합니다. 배터리만으로는 피크 전력 수요를 충족할 수 없거나 빈번한 교체가 필요해 신뢰성과 비용을 해칩니다.

더 큰 배터리를 배치하면 크기, 무게, BOM이 증가합니다. 인근 AC 라인에서 전력을 끌어오면 배터리는 제거되지만 추가 케이블, AC-DC 변환, 추가 복잡성이 생깁니다. 외부 전원 어댑터를 사용해도 비용이 상승합니다.

유선 USB나 이더넷 인터페이스를 통합하면 설계자는 내장된 전력 전송 기능을 활용할 수 있습니다. PoE(Power over Ethernet)와 USB-PD(USB Power Delivery) 모두 데이터와 전력에 같은 케이블을 사용해 배터리와 AC 배선의 단점을 없애면서 저전압 안전성을 유지합니다.

USB 전력 사양

일반적인 USB 2.0 포트는 5V에서 최대 500mA를 공급해 2.5W 이하에 충분합니다. USB 3.0은 이를 900mA로 높이며, 최신 USB Type-C는 5V에서 1.5A 또는 3.0A까지, 최대 15W를 전달할 수 있습니다. USB-PD는 9V, 15V(3A), 20V(5A) 등 더 높은 전압을 협상해 최대 100W 전력을 제공합니다.

이더넷 전력 유형

기존 이더넷 인프라는 네트워크 상 어디에서나 IoT 엔드포인트를 PoE 구동 디바이스(PD)로 지원할 수 있어 최소한의 새 배선만 필요합니다. 전력 공급 장비(PSE)는 하나 이상의 데이터 쌍을 통해 전력을 주입하는 PoE 스위치나 허브가 될 수 있습니다. 표준 100미터 데이터 제한이 적용되지만, PoE 익스텐더로 도달 범위를 연장할 수 있습니다.

PoE 인젝터는 비PoE 스위치에서 케이블에 전력을 추가하고, PoE 스플리터는 비PoE 엔드포인트용 전력을 추출합니다.

여러 세대의 PoE가 존재하며 표 1에 요약되어 있습니다. 타입-1(IEEE 802.3af)은 최대 15.4W, 타입-2(802.3at)는 최대 30W, 타입-3(802.3bt)은 최대 60W, 타입-4(802.3bt)는 최대 100W를 지원합니다. 802.3af/at가 Cat 5/5e에서 두 쌍을 사용하는 반면, 802.3bt는 Cat 6와 모든 네 쌍을 필요로 해 케이블 손실을 줄이고 더 높은 전력 전송을 가능하게 합니다.

IEEE 표준	PoE 타입	포트당 전력	최대 전류
802.3af	타입 1	15.4 W	350 mA
802.3at	타입 2	30 W	600 mA
802.3bt	타입 3	60 W	600 mA
802.3bt	타입 4	100 W	960 mA

표 1: PoE 표준.

일반적인 USB 2.0, USB 3.2, USB Type-C 포트는 커넥터의 전용 전력 라인에서 직접 가져올 수 있는 안정된 5V DC 공급을 제공합니다. Diodes Incorporated의 AP61100 5V, 1A 벅 컨버터 같은 DC-DC 컨버터가 이 전력을 IoT 엔드포인트용으로 안정화합니다.

PoE 구동 시스템에서 각 케이블 쌍은 트랜스포머, 브리지 정류기, PD 컨트롤러, DC-DC 컨버터를 필요로 해 부하에 전력을 공급합니다. 적합한 DC-DC 컨버터로는 Diodes의 AP62200(18V/2A)과 AP63200(32V/2A) 동기 벅 컨버터가 있으며, 넓은 입력 범위와 낮은 온저항 MOSFET으로 최대 효율을 제공합니다. AP62200 시리즈는 상시 온타임 제어를, AP63200 시리즈는 통합 보상 루프를 가진 피크 전류 모드 제어를 사용해 외부 구성요소를 줄입니다.

필수 보호

USB의 정교한 협상 프로토콜과 전력 프로파일은 각 디바이스가 필요한 것만 끌어가게 해 전력 사용을 최적화합니다. 그러나 PoE와 달리 USB는 전력 인가 전 핸드셰이크가 없어 디바이스가 과전류나 단락 같은 잠재적 결함에 노출됩니다.

설계자는 견고한 보호 디바이스로 이러한 위험을 완화할 수 있습니다. Diodes의 AP22811, AP22804, AP22814는 자동 복구 기능이 있는 과전류, 단락, 과온 보호, 역전류/전압 보호, 최대 3A 전류 정격, 50mΩ 온저항을 제공합니다. AP22652/53은 전류 제한을 최대 2.1A까지 조정하며, AP22615(그림 2)와 AP22815는 고정 또는 조절 가능한 전류 제한으로 최대 28V 과전압 보호를 제공합니다.

그림 2. AP22615는 USB 구동 디바이스를 위한 통합 보호를 제공합니다. [출처: Diodes Incorporated]

USB 스위치는 출력 전압 상승 시간을 제어하는 소프트스타트 기능으로 소스와 부하를 모두 보호하며, 전류 서지로부터 보호하는 추가 안전 조치도 갖추고 있습니다.

고전력 PoE

액세스 제어나 고해상도 비디오 같은 애플리케이션은 협소한 공간에서 동작하면서 상당한 전력을 요구합니다. 전력 체인 모든 단계에서 효율적인 구성요소 선택과 고밀도 통합 활용은 최적 성능과 비용에 필수적입니다.

Diodes의 ZXTR2000 패밀리 선형 레귤레이터(그림 3)는 48V DC PoE 시스템에 맞춤화되어 있습니다. 트랜지스터, 제너 다이오드, 저항을 단일 패키지에 통합해 구성요소 수와 보드 면적을 줄입니다.

그림 3. XTR200 패밀리는 고전력 PoE 애플리케이션을 위한 통합 솔루션을 제공합니다. [출처: Diodes Incorporated]

결론

IoT 설계자들은 이제 배터리 기반이나 무선 전력 솔루션의 강력한 대안을 갖게 되었습니다. 표준화된 유선 프로토콜(USB와 PoE)을 검증된 DC-DC 컨버터, 레귤레이터, 보호 IC와 함께 활용함으로써 고성능 엔드포인트의 에너지 수요를 충족하면서 안전성, 신뢰성, 비용 효율성을 유지할 수 있습니다.

>> 이 기사는 자매 사이트 Power Electronics News에 원문 게재되었습니다.