이더넷 전원 장치

3. 표준 개발

'''IEEE 802.3af-2003'''^[1] PoE 표준은 각 포트에서 최대 15.4 W의 DC 전력(최소 44 V DC 및 350 mA)^[2][3]을 제공한다.^[4] 케이블에서 일부 전력이 손실되므로, 전원이 공급되는 장치에서 사용할 수 있는 전력은 12.95 W로 보장된다.^[5]

'''IEEE 802.3at-2009'''^[6] PoE 표준은 '''PoE+''' 또는 '''PoE 플러스'''라고도 불리며, Type 2 장치에 최대 25.5 W의 전력을 제공한다.^[7] 이 2009년 표준은 전원이 공급되는 장치가 전원 공급을 위해 4쌍의 케이블 모두를 사용하는 것을 금지한다.^[8] IEEE 802.3af와 802.3at 표준은 이후 IEEE 802.3-2012 간행물에 통합되었다.^[9]

'''IEEE 802.3bt-2018''' 표준은 802.3at의 전력 공급 능력을 더욱 확장시킨다. 이 표준은 '''PoE++''' 또는 '''4PPoE'''(4-pair Power over Ethernet)라고도 한다. 이 표준은 최대 51 W(Type 3) 및 최대 71.3 W(Type 4)의 두 가지 추가 전력 유형을 도입했으며, 선택적으로 4쌍 모두를 전력 공급에 사용할 수 있도록 허용한다.^[10] 각 연선 쌍은 최대 600 mA(Type 3) 또는 960 mA(Type 4)의 전류를 처리할 수 있어야 한다.^[11] 또한, 2.5GBASE-T, 5GBASE-T 및 10GBASE-T에 대한 지원이 포함되어 있다.^[12] 이러한 기술 발전은 새로운 응용 분야를 열고, 고성능 무선 액세스 포인트나 감시 카메라와 같은 기존 응용 분야의 활용 범위를 넓히는 데 기여한다.

'''IEEE 802.3bu-2016'''^[13] 개정안은 주로 자동차 및 산업 환경에서 사용되는 단일 쌍 이더넷 표준인 100BASE-T1 및 1000BASE-T1에 적용되는 ''단일 쌍'' '''전력 공급 이더넷(PoDL, Power over Data Lines)'''을 도입했다.^[14] 2쌍 또는 4쌍을 사용하는 기존 PoE 표준에서는 동일한 전압이 각 쌍의 두 도체에 모두 적용되어 데이터 신호 외에는 차동 전압이 발생하지 않지만, 단일 쌍 이더넷에서는 데이터 신호와 전력이 동일한 선로를 통해 병렬로 전송된다. PoDL은 초기에 전원 공급 장치 기준으로 0.5 W에서 50 W 범위의 10가지 전력 클래스를 정의했다.

이후 PoDL 기술은 10BASE-T1^[15], 2.5GBASE-T1, 5GBASE-T1, 그리고 10GBASE-T1^[16]과 같은 다른 단일 쌍 이더넷 변형에도 확장 적용되었다. 2021년에는 PoDL이 추가적인 중간 전압 및 전력 레벨을 포함하여 총 15개의 전력 클래스를 지원하게 되었다.^[15]

4. 용도

PoE는 웹 카메라, 스위칭 허브, 무선 LAN 액세스 포인트, IP 전화기 등 비교적 소비 전력이 적은 IP 기기에 전원을 공급하는 데 주로 사용된다. 2003년 6월에 '''IEEE 802.3af'''로 처음 표준화되었으며, 이후 확장 규격으로 '''IEEE 802.3at'''-2009 (통칭 PoE+)와 '''IEEE 802.3bt'''-2018 (통칭 PoE++)가 표준화되었다. 이 표준들은 모두 하위 호환성을 갖는다.

전원을 공급하는 장치를 '''PSE'''(Power sourcing equipment, 전원 공급 장치), 전원을 받는 장치를 '''PD'''(Powered device, 전원 수신 장치)라고 부른다. 기본적으로 PSE와 PD 모두 PoE를 지원해야 하지만, PoE 인젝터(전원 공급 장치)나 PoE 스플리터(전원 수신 장치)와 같은 외부 장치를 사용하면 PoE를 지원하지 않는 장치에서도 전력을 주고받을 수 있다. 최근 스마트 홈, 스마트 오피스 환경 구축이 확대되면서 PoE 기술을 활용한 다양한 IoT 기기들이 등장하고 있으며, 그 활용 범위가 넓어지고 있다.

PoE로 전원을 공급받는 장치의 예는 다음과 같다.^[17]

• VoIP 폰
• 팬-틸트-줌(PTZ) 카메라를 포함한 IP 카메라
• WAP(무선 액세스 포인트)
• IPTV 셋톱박스
• 네트워크 라우터
• 원격지에 설치된 소형 네트워크 스위치 (하나의 업링크 케이블로 여러 이더넷 포트 지원, PoE 전원은 PD 포트로 공급받으며, PoE 패스 스루 기능으로 다른 PoE 장치에 전원 공급 가능)
• 인터컴 및 방송 설비, 복도 스피커 앰프
• NTP로 시간을 동기화하는 벽시계
• 무선 ISP에서 사용하는 실외 지붕 장착형 라디오 (통합 안테나, 4G/LTE, 802.11 또는 802.16 기반 무선 CPE 포함)
• 실외 지점 간 마이크로파 및 밀리미터파 라디오, 일부 자유 공간 광학(FSO) 장치 (독점적인 PoE 사용)
• 산업 제어 시스템 구성 요소 (센서, 컨트롤러, 미터 등)
• 출입 통제 구성 요소 (헬프 포인트, 인터컴, 출입 카드, 키리스 출입 등)
• 지능형 조명 컨트롤러 및 LED 조명 기구^[18]
• 무대 및 극장 장치 (네트워크 오디오 브레이크아웃 및 라우팅 박스 등)
• 원격 POS 키오스크
• 인라인 이더넷 익스텐더^[19]
• PoE 스플리터 (출력 전원을 다른 전압(예: 5V)으로 변환하여 원격 장치에 공급하거나 휴대 전화 충전 등에 사용)

5. 용어

전원 공급 장치(Power Sourcing Equipment, '''PSE''')는 이더넷 케이블에 전원을 공급하는 장치이다. 이 장치는 일반적으로 '''엔드스팬'''(IEEE 802.3af에서는 '엔드포인트'라고 함)이라고 불리는 네트워크 스위치이거나, PoE를 지원하지 않는 스위치와 PoE 장치 사이의 중간 장치인 외부 PoE '''인젝터'''(미드스팬 장치)일 수 있다.^[20]
전원 수신 장치(Powered Device, '''PD''')는 PoE로 전원을 공급받아 에너지를 소비하는 모든 장치를 의미한다. 예를 들어 무선 접속 장치, VoIP 전화, IP 카메라 등이 있다. 많은 전원 수신 장치에는 선택적인 외부 전원 공급 장치를 위한 보조 전원 커넥터가 있다. 설계에 따라 장치 전력의 일부, 전부 또는 전혀 보조 포트에서 공급될 수 있으며,^[21][22] 보조 포트는 PoE로 공급되는 전원이 고장날 경우 백업 전원으로도 사용될 수 있다.

6. 전원 관리 기능 및 통합

7. 표준 구현

표준 기반 이더넷 전원 공급(PoE)은 IEEE의 IEEE 802.3 표준에 따라 구현된다. 주요 표준으로는 '''IEEE 802.3af-2003''' (이후 IEEE 802.3-2005의 33조로 통합), '''IEEE 802.3at-2009''' (PoE+ 또는 PoE 플러스), 그리고 '''IEEE 802.3bt-2018''' (PoE++ 또는 4PPoE)가 있다.^[1][6][10] 이 표준들은 하위 호환성을 가진다.

PoE는 전원 공급 장치('''PSE''', Power Sourcing Equipment)와 전원 수신 장치('''PD''', Powered Device) 간의 상호작용을 통해 작동한다. PSE는 이더넷 스위치와 같은 네트워크 장비이거나, 기존 네트워크에 PoE 기능을 추가하는 ''미드스팬''(midspan) 장치일 수 있다. PD는 IP 전화기, 무선 AP, 네트워크 카메라 등 전력을 공급받는 장치이다.

=== 전력 공급 방식 ===

표준 PoE는 연선 케이블을 통해 전력을 전송하며, 주로 세 가지 방식을 사용한다.

• '''대체 A (Alternative A, 모드 A)''': 10BASE-T 및 100BASE-TX에서 데이터를 전송하는 데 사용되는 1, 2, 3, 6번 핀을 통해 전력을 함께 전송한다. 기가비트 이더넷 이상에서는 모든 핀이 데이터 전송에 사용되므로, 데이터와 전력이 동일한 쌍으로 전송된다. 이는 팬텀 전원 기술을 사용하며, 각 쌍에 공통 모드 신호로 전압을 인가하고 펄스 변압기의 센터 탭을 통해 전력을 추출한다. 차동 신호 방식의 데이터 전송에는 영향을 주지 않는다. A 모드는 MDI와 MDI-X 두 가지 구성이 있으며, 극성이 다르다.
• '''대체 B (Alternative B, 모드 B)''': 데이터 전송에 사용되지 않는 예비 쌍(4, 5, 7, 8번 핀)을 통해 전력을 전송한다. 10BASE-T와 100BASE-TX 환경에서 데이터와 전원 경로를 분리할 수 있어 문제 해결이 용이하지만, 4쌍(8핀) 케이블이 반드시 필요하다.
• '''4PPoE (4-Pair Power over Ethernet)''': 케이블의 모든 4쌍(8핀)을 사용하여 전력을 전송한다. IEEE 802.3bt 표준에서 도입되었으며, 더 높은 전력을 공급할 수 있게 해준다.

=== PSE와 PD 간 상호작용 ===

PSE는 PD가 연결되면 다음과 같은 단계를 거쳐 전원을 공급한다.

1. '''감지 (Detection)''': PSE는 포트에 2.7V ~ 10.1V 사이의 전압을 인가하여 연결된 장치가 PoE를 지원하는 PD인지 확인한다. 표준 PD는 19–26.5 kΩ (일반적으로 25 kΩ)의 시그니처 저항을 가진다. 이 저항값이 감지되지 않거나 너무 낮으면(단락), PSE는 전원을 공급하지 않아 비호환 장치를 보호한다.

2. '''분류 (Classification)''': PD가 감지되면, PSE는 14.5V ~ 20.5V 사이의 전압을 인가하여 PD의 전력 요구량을 파악한다. PD는 특정 범위의 전류를 소모하여 자신의 전력 클래스를 PSE에 알린다. 이를 통해 PSE는 PD가 필요로 하는 전력 수준을 확인한다. 802.3at 및 802.3bt 표준에서는 더 정교한 분류 과정(2-Event Classification)이나 LLDP를 통한 전력 협상을 지원한다.

3. '''전원 공급 시작 (Startup)''': 분류가 완료되면 PSE는 PD에 필요한 전압(최소 44V 또는 표준에 따라 더 높음)을 공급하기 시작한다.

4. '''정상 작동 및 모니터링''': 전원이 공급되는 동안 PD는 최소한의 전류(5–10 mA)를 지속적으로 소모해야 한다(MPS, Maintain Power Signature). 만약 PD가 400 ms 이상 동안 이 최소 전류를 소모하지 않으면, PSE는 장치가 분리된 것으로 간주하고 안전을 위해 전원 공급을 중단한다.^[39]

=== 전력 클래스 ===

물리 계층 분류(시그니처 저항 감지 후)를 통해 PD는 필요한 전력 수준을 PSE에 알릴 수 있다. IEEE 표준은 여러 전력 클래스를 정의한다.^[43][44][71]

=== LLDP를 이용한 전력 협상 ===

IEEE 802.3at (PoE+) 및 IEEE 802.3bt (PoE++) 표준에서는 물리 계층 분류 외에도, 이더넷의 레이어 2 프로토콜인 LLDP(Link Layer Discovery Protocol)를 사용하여 더 세밀한 전력 협상을 할 수 있다. LLDP를 사용하면 PSE와 PD가 TLV(Type-Length-Value) 메시지를 교환하여 서로의 전력 기능, 요구 사항, 할당된 전력 등을 더 정확하게 파악하고 관리할 수 있다. 이를 통해 0.1W 단위의 정밀한 전력 할당 및 동적 전력 조정이 가능하다.^{[42][46][48][50]}

LLDP를 이용한 전력 협상 절차는 대략 다음과 같다.

1. PSE는 물리 계층 분류를 통해 초기 전원을 PD에 공급한다.

2. PD는 LLDP 메시지를 통해 PSE에게 자신의 최대 전력 요구량(X 와트)을 알린다.

3. PSE는 LLDP 메시지를 통해 PD에게 자신이 할당할 수 있는 최대 전력량(Y 와트)을 알린다.

4. PD는 PSE가 허용한 Y 와트 범위 내에서 전력을 사용한다.

LLDP 협상 규칙에 따라, PD는 물리 계층 분류에서 결정된 전력 등급보다 더 많은 전력을 요청할 수 없으며, PSE가 할당한 전력량을 초과하여 소비해서는 안 된다. PSE는 필요시 PD에게 전력 소비를 줄여달라고 요청할 수도 있다.^[50]

8. 비표준 구현

IEEE 표준이 제정되기 전에도 10개 이상의 독자적인 PoE 구현 방식이 존재했다.^[51] 주요 비표준 구현 방식은 다음과 같다.

시스코(Cisco)는 IEEE 802.3af 표준이 나오기 수년 전부터 일부 무선 LAN 액세스 포인트와 VoIP 전화에 독자적인 PoE 기술을 적용했다.^[52] 이 초기 방식은 소프트웨어 업그레이드를 통해 IEEE 표준과 호환되지 않으며, 포트당 최대 10 W의 전력을 공급할 수 있었다. 전력 공급량은 시스코 고유의 Cisco Discovery Protocol(CDP)를 통해 단말 장치와 스위치 간에 협상되었다. CDP는 음성 VLAN 정보를 스위치에서 전화기로 전달하는 역할도 수행했다.

시스코의 비표준 방식에서 전원 공급 장치(PSE, 스위치)는 송신 쌍(pair)에 고속 링크 펄스(FLP)를 보낸다. 수전 장치(PD)는 저역 통과 필터를 통해 송신 라인을 수신 라인에 연결하고, PSE는 반환된 FLP를 감지한다. 이후 PSE는 1번과 2번 쌍 사이에 공통 모드 전류를 흘려 기본적으로 48 V DC^[53] 전압으로 6.3 W^[54]의 전력을 할당한다. PD는 5초 이내에 이더넷 링크를 활성화해야 하며, 이후 CDP 메시지를 통해 최종 전력 요구량을 PSE에 알린다. 링크 펄스가 중단되면 전원 공급도 차단된다.^[55]

2011년에 시스코는 '''Universal Power over Ethernet''' ('''UPOE''')라는 또 다른 비표준 PoE 구현을 발표했고, 2014년부터 적용하기 시작했다. UPOE는 협상 과정을 거쳐 이더넷 케이블의 4개 페어(pair)를 모두 사용하여 최대 60 W의 전력을 공급할 수 있다.^[56]

아나로그 디바이스(Analog Devices)는 LTPoE++라는 독자적인 고전력 PoE 기술을 개발하여, 단일 Cat 5e 이더넷 케이블을 통해 38.7 W, 52.7 W, 70 W, 최대 90 W까지 다양한 수준의 전력을 공급한다.^[57]

마이크로칩(Microchip)에 인수된 마이크로세미(Microsemi, 이전 파워다인(PowerDsine))는 1999년부터 미드스팬(midspan) 전원 인젝터를 판매해왔다. 이들 제품은 IEEE 표준뿐만 아니라 표준 이전의 PoE 구성도 지원한다. 폴리콤(Polycom), 3Com, 루슨트(Lucent), 노텔(Nortel) 등 여러 회사가 파워다인의 초기 ''Power over LAN'' 기술을 사용했다.^[58]

수동 PoE(Passive PoE) 시스템은 전원 공급 장치(인젝터)가 수전 장치와 전압이나 전력 요구 사항을 협상하지 않고 항상 일정한 전원을 공급하는 방식이다. 일반적인 100 Mbit/s 수동 PoE는 802.3af 모드 B의 핀 배열(4, 5번 핀에 DC 양극, 7, 8번 핀에 DC 음극, 1–2 및 3–6번 핀에 데이터)을 사용하지만 극성은 다를 수 있다. 기가비트 수동 인젝터는 데이터 핀에 변압기를 사용하여 전원과 데이터가 케이블을 공유하도록 하며 일반적으로 802.3af 모드 A와 호환된다. 최대 12개의 포트가 있는 수동 미드스팬 인젝터를 사용할 수 있다.

5 V가 필요한 장치는 케이블의 전압 강하가 너무 커지기 때문에 짧은 거리(약 약 4.57m) 이상에서는 일반적으로 이더넷 케이블에서 5 V의 PoE를 사용할 수 없으므로 원격 끝에 24 V 또는 48 V to 5 V DC-DC 컨버터가 필요하다.^[59]

수동 PoE 전원은 다양한 실내 및 실외 무선 라디오 장비, 가장 일반적으로 모토롤라(현재 Cambium), 유비퀴티 네트웍스, 미크로틱 및 기타 장비와 함께 사용된다. 802.11a, 802.11g 및 802.11n 기반 라디오와 함께 제공되는 이전 버전의 수동 PoE 24 VDC 전원은 일반적으로 100 Mbit/s만 지원한다.

9 V ~ 36 V DC 또는 36 V ~ 72 V DC 전원을 핀 4 & 5에 '+' 및 핀 7 & 8에 '−'가 있는 안정화된 24 V 1 A, 48 V 0.5 A 또는 최대 48 V 2.0 A PoE 피드로 변환하는 수동 DC-DC 인젝터도 있으며, 이러한 DC-DC PoE 인젝터는 다양한 통신 응용 분야에 사용된다.^[60]

8. 1. PoE 워치독

9. 운용상의 주의

트위스트 페어 케이블을 통해 전원을 공급하는 방식이므로, PoE(Power over Ethernet)를 사용할 때는 일반적으로 다음과 같은 점들에 주의해야 한다.

# LAN 케이블이 전류를 흘려보내는 데 문제가 없어야 한다. 최소한 JIS C 5150-1 또는 ISO/IEC TS 29125 규격을 만족하는 케이블을 사용해야 한다. 특히 2003년 이전에 생산된 케이블은 전류 공급을 고려하지 않고 만들어졌을 수 있으므로, 무리하게 사용하면 사고로 이어질 위험이 있다.

# LAN 케이블은 ISO/IEC 14763-3(JIS X 5151) 규격에 따라 설치되어야 한다. 예를 들어, 전류가 흐를 때 케이블의 온도 상승이 최대 사용 온도 기준 10°C 이내로 유지되도록 통풍이 잘 되는 곳에 설치해야 하며, 차폐 기능이 있는 케이블(실드선) 사용이 권장된다.

# 핫 플러깅(장비 전원이 켜진 상태에서 케이블을 연결하거나 분리하는 것)을 시도하면, 연결 단자에서 방전으로 인한 불꽃이 발생할 수 있다. 이는 장비 오작동이나 고장의 원인이 될 수 있으므로, 전류 공급을 견딜 수 있도록 설계된 커넥터를 사용해야 한다. 이더넷 환경에서도 트위스트 페어 케이블을 이용한 '''핫 플러깅'''은 기본적으로 권장되지 않는다.

# PoE 표준 규격 자체에 회로 보호 기능이 필수로 포함되어 있지 않다. 따라서 보호 기능이 구현되지 않은 제품은 비정상적인 전압이 발생했을 때 매우 취약하다. (보호 소자를 추가하면 반드시 저항과 정전 용량이 생기기 때문에, 소비 전력이 증가하고 통신 속도가 느려지는 단점이 있다.) LAN 포트 내부의 펄스 트랜스포머 중심점에서 PoE 전원 회로로 직접 연결되는 구조이므로, 전원을 공급하는 장비(PSE)나 전원을 받는 장비(PD) 어느 쪽이든 '''옥외'''에서 사용하거나 옥외에서 끌어온 케이블을 연결하면, 낙뢰 서지 등으로 인해 비정상적인 전압이 장비 전원부에 직접 영향을 주어 쉽게 손상될 수 있다.

특히 일본의 경우, 내선 규정에 따라 전력을 공급하는 선(강전류 회로)과 통신 신호를 전달하는 선(약전류 회로)이 구분되어 관리된다. 해외에서는 TN-C 방식이나 TN-S 방식의 접지가 널리 사용되지만, 일본에서는 통신 신호선에 대해 일반적으로 TT 방식의 접지를 표준으로 삼고 있다. 이 때문에 건물 내 여러 접지 지점의 전위를 동일하게 맞추는 등전위 본딩이 어려워, PoE 장비를 포함한 통신 장비가 상대적으로 고장 나기 쉬운 환경이라는 점에 유의해야 한다^[62].

10. 발열 관리

트위스트 페어 케이블은 본래 주파수 특성을 중시한 신호선으로 개발되었으며, 전선으로는 가느다란 연선이 사용된다. 따라서 PoE(Power over Ethernet)와 같이 큰 전력을 장거리로 전송할 경우에는 신호 특성의 변화 및 과열 사고 방지 관점에서 케이블의 품질 관리, 배선 관리, 그리고 전력 공급 계획에 대한 신중한 검토가 필요하다.^[63][64]

케이블에 전류가 흐르면 발열이 발생하고, 이는 전기 저항을 증가시켜 이더넷 규격에서 정한 최대 케이블 길이까지 신호가 충분히 도달하지 못하게 할 수 있다. 특히 다수의 케이블을 한데 묶어서 배선할 경우, 열이 효과적으로 방출되지 않아 이러한 발열 경향이 더욱 심해진다.^[63][64] ISO/IEC TR 29125 및 Cenelec EN 50174-99-1 초안 표준에서는 4PPoE(4쌍 케이블 모두를 이용하는 PoE) 사용 시 예상되는 케이블 묶음의 온도 상승에 대해 다루고 있다. 이 표준들은 케이블 묶음 내부에서 발생하는 열과 외부 환경 요인에 의한 열을 구분하여 분석한다. 특히 비차폐 케이블(UTP)의 경우, PoE로 인한 온도 상승폭이 5배까지 증가할 수 있으며, 차폐 케이블(STP)은 케이블 설계에 따라 2.5배에서 3배 사이로 온도 상승폭이 감소한다.

PoE 지원용으로 판매되는 케이블 중 일부는 표준 규격 준수를 강조하지만, 실제 전력선으로서의 사용 안전 기준에 대해 충분히 시험되었거나 그 기준이 명확하게 문서화되지 않은 경우가 있을 수 있다. 일반적인 전원 코드 역시 묶어서 사용하면 쉽게 과열되어 화재로 이어질 수 있다는 점을 고려할 때, PoE 케이블의 발열 관리는 안전상 매우 중요한 문제이다.^[65]

PoE 시스템 설계 및 설치 시에는 다음과 같은 사항들에 주의해야 한다.

• 사용하는 LAN 케이블이 전류 인가에 적합한지 확인해야 한다(최소 JIS C 5150-1 또는 ISO/IEC TS 29125 만족). 특히 2003년 이전에 생산된 케이블은 전류 인가를 고려하지 않았을 수 있으므로 주의가 필요하다.
• LAN 케이블은 ISO/IEC 14763-3(JIS X 5151)에 따라 설치되어야 한다. 예를 들어, 전류 인가 시 온도 상승이 최대 사용 온도 기준 10도 이내로 유지되도록 통풍이 잘 되는 곳에 설치하고, 가능한 차폐 케이블(실드선) 사용을 권장한다.
• 핫 플러깅 시 접점에서 발생하는 불꽃 방전은 장비 고장의 원인이 될 수 있으므로, 전류 인가가 가능한 커넥터를 사용해야 한다. 이더넷 표준 자체도 트위스트 페어 케이블을 통한 핫 플러깅을 적극적으로 권장하지 않는다.
• PoE 규격에는 회로 보호 기능이 필수로 포함되어 있지 않다. 보호 소자가 없는 장비는 낙뢰 서지 등 이상 전압 발생 시 전원부에 직접적인 손상을 입기 쉽다. 특히 옥외에 설치되거나 옥외에서 인입된 케이블을 연결하는 경우 더욱 취약하다.

11. 핀 배열

예비 핀에 DC10/100 모드 A,
혼합 DC 및 데이터1000 (1 기가비트) 모드 B,
DC 및 양방향 데이터1000 (1 기가비트) 모드 A,
DC 및 양방향 데이터1000 (1 기가비트) 모드 A+B (4PPoE),
DC 및 양방향 데이터핀 1