PoE 전원 공급 장치를 위한 변압기 설계 최적화 방법

PoE 전원 공급 장치를 위한 변압기 설계 최적화 방법

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PoE(Power over Ethernet)는 전원 공급 장비(PSE)가 네트워크 케이블을 통해 전원 공급 장치(PD)에 전력을 공급하는 기술을 말합니다. 일반적인 예로, PSE 스위치를 중심으로 액세스 포인트, IP 전화기, IP 카메라 등 여러 PD 장치를 네트워크 케이블로 연결하면 PSE가 PD에 신호와 전력을 전송합니다.

PoE 전원 공급 장치는 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.

• 간편한 설치 및 확장: 신호와 전원은 네트워크 케이블을 통해 전송되므로 PD 장치 주변에 별도의 전원 인터페이스가 필요하지 않습니다.

• 원격 관리: 하나의 PSE 장치로 여러 PD 장치에 전원을 공급하여 원격으로 전원을 관리할 수 있습니다.

• 저렴한 비용: 신호선과 전원선이 하나로 통합되어 전원 케이블이 필요 없으므로 네트워크 케이블이 신호 전송뿐만 아니라 전력 전송 역할도 수행하여 배선 비용이 절감됩니다.

• 뛰어난 호환성: 통합 PoE 프로토콜을 통해 PD 장치는 전 세계 모든 PSE와 호환됩니다.

회로 구조 측면에서 보면, 왼쪽에 있는 PSE는 DC 44~57V를 PD로 전송하고, 오른쪽에 있는 PD는 강압 회로를 통해 전원을 필요한 전압으로 변환합니다. PSE와 PD는 RJ45 포트와 100m 트위스트 페어 케이블로 연결됩니다.

IEEE는 다양한 전력 사용 시나리오에 따라 IEEE 802.3AF, IEEE 802.3AT 및 IEEE 802.3BT 이더넷 전원 공급 표준을 발표했습니다. 특히, 2019년에 발표된 IEEE 802.3BT 표준은 PoE 전원 공급의 전력 효율을 크게 향상시켰습니다. PSE는 90W의 전력을 공급하고, PD는 100m 네트워크 케이블을 통해 71W의 전력을 공급받습니다. 이러한 8등급 전력 수준은 주로 소형 기지국의 전원 공급 시스템에 적용됩니다. 또한, 802.3BT 표준은 802.3AF 및 802.3AT 표준과 하위 호환됩니다. 802.3BT PD가 저전력 802.3AF 및 802.3AT PSE에 연결될 경우, 저전력 상태, 즉 "성능 저하" 상태로 작동합니다.

이 과정에서 전력이 낮은 PD는 전력이 높은 PSE에 연결되며, 장치에는 손상이 발생하지 않습니다. PSE가 PD에 전력을 공급할 때 주로 다음과 같은 핸드셰이크 과정이 진행됩니다.

전원 공급 장치 애플리케이션 아키텍처

DC/DC 컨버터는 절연형과 비절연형 방식을 모두 사용합니다. 절연형 PoE 전원 공급 장치는 PSR(1차측 피드백)과 SSR(2차측 피드백)을 포함하는 포워드 및 플라이백 토폴로지로 구분됩니다. 다음 토폴로지들을 분석합니다.

부분방전(PD) 장비의 회로 설계에서는 크기, 효율, EMC라는 세 가지 주요 매개변수가 고려됩니다. 그렇다면 PD 장비의 요구사항과 변압기 설계 요구사항을 어떻게 연결해야 할까요?

크기를 최적화하세요

• 설계 핵심 사항 1: 변압기 고주파수 감소 및 소형화

회로기판에서 가장 큰 부분을 차지하는 것은 변압기이므로, 변압기 크기를 줄이면 기판의 크기를 줄일 수 있습니다. 고주파를 사용하면 변압기 크기와 변압기 전력 전송량을 줄일 수 있으므로, 주파수를 200kHz에서 300kHz, 그리고 500kHz로 높이면 변압기의 부피를 줄일 수 있습니다.

• 설계 고려 사항 2: CCM 작동 모드는 장치 크기를 줄입니다.

• 디자인 포인트 3: 크기 축소를 위한 기존 측면 피드백

효율성 증대

EMC는 전도 및 방사 성분을 포함하여 민감한 장치에 잡음원이 일으키는 간섭을 측정합니다. 따라서 간섭원을 줄이는 동시에 결합 경로를 최적화해야 합니다.

EMI를 줄이기 위해서는 회로 내 잡음 발생원을 먼저 확인해야 합니다. 잡음 발생원은 전도 잡음과 방사 잡음으로 나눌 수 있습니다. 전도 잡음은 일반적으로 30MHz 이내의 저주파 잡음으로, 전기장 변화에 의해 발생합니다. 전도 잡음의 주된 원인은 전력관의 스위칭 동작으로 인해 MOS 소스 레벨 전압이 변동하고, 이 변동이 변압기를 통해 2차측으로 전달되는 것입니다. MOS의 구동 저항을 높이면 스위칭 속도를 줄일 수 있지만, 구동 손실이 증가합니다. 또는 고주파 발진을 줄이기 위해 흡수 회로를 추가할 수 있습니다. 변압기의 부유 파라미터는 EMI에 큰 영향을 미치는데, 예를 들어 변압기 1차 권선 전기장(Cp)은 전압 스파이크와 전류 리플에 영향을 줍니다.

방사 잡음원은 30MHz 이상의 잡음으로, 공간 자기장의 간섭에 의한 것입니다. 이는 고주파 전류 루프로 구성되어 있으며, 여기서 고주파 루프는 변압기의 1차측 루프와 2차측 루프를 의미합니다.