PoE Module 제작기

아래는 PoE 에 대해 공부했던 자료이다.

PoE란 무엇인가?

 

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목표는 Mode A, Mode B 모두 호환이 가능한 PD 모듈을 만드는 것이다.

입력전압 약 48V 를 받아 출력전압 5V 를 만들어주어야 한다. 막연히 48V가 PSE 에서 나오는 것은 아니고, PoE 나름대로의 Process 를 거치고 입력을 내보내준다.

 

PoE Process

출처 : AAEON 포럼  /  http://forum.aaeon.com/Home/ContentTextDetail/38

1. Detection Period

 

PSE 장비는 IEEE 802.3af 표준을 지원하는 단말 장치(PD)가 케이블의 끝단에 연결된 것을 감지할 때까지 단자에서 매우 작은 전압을 출력한다.

출처 : AAEON 포럼  /  http://forum.aaeon.com/Home/ContentTextDetail/38

2.8V, 10V 를 차례대로 500ms 주기로 계속해서 내보내준다(PD 가 감지될 때까지). 그리고 전류를 계산하여 PD 의 저항값을 측정한다. 저항값이 약 25k 정도로 범주안에 들어오면 다음단계로 넘어간다.

 

2. Classification Period

 

PD를 감지하면 PSE는 PD가 얼마나 전력을 소모하는가를 평가하고 분류한다.

 

3. Start-up Period

 

약 15us 미만의 시간만에 전압이 44-57V 까지 오르게된다.

 

4. Operation Period

 

안정적인 동작기간이다.

 

5. Disconnection Period

 

PD 연결이 해제되면 PSE 는 다시 1.Detection Period 를 반복하게 된다.

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이렇게 PoE Process 를 보면 1. 2 만 잘 수용시켜주면 정상적으로 전원이 출력될 것으로 보인다.

3 에서의 Overshoot 과 4 에서의 동작안정성을 잡는 것은 동작이 된 이후가 될 것이다.

 

개발하는데 사용할 PSE 장치는 아래사진의 EDIMAX 8Port 짜리 장치이다. 

Mode B 만 지원한다.

EDIMAX 8Port PSE 기기

Duino Coin Mining with WIZnet W5100S-PICO-Mining Rig

PD 로 사용할 기기는 링크의 Mining 보드이다. PD에 PSE 에서 온 전압을 전환해서 제공할 PD Module 을 만들 것이기 때문에 PD 자체는 필요하다. 이 보드에서는 Silvertel 사의 Ag9700 모듈이 장착되게 되어있다. 이 모듈을 빼고 그 자리에 새로 설계를 해볼 예정이다.

 

우선 출력단에 24.9k 저항을 달고 전압을 찍어보았다.

위와 같은 파형으로 나타났다. Process 는 정상적으로 동작하는 듯 보인다.

 

Psim 으로 구현한 Flyback 회로도

Psim 동작구현모습

구현할 회로는 어찌됐든 Flyback 이 될 것 같다. 기본적으로 Psim 으로 Flyback 을 돌려봤고 이대로 구현을 하면 될 듯 하지만, 출력이 48V 로 고정이 아니라서 스위치에 고정으로 PWM 을 주게되면 입력에 따라 출력이 바뀔것이 당연하다. 

그래서 Feedback 을 받아 입력 Duty 를 조절해주어야 한다. 

 

절연형 플라이백 컨버터 회로 설계：트랜스 설계 (수치 산출) ｜ TechWeb

위 링크에 절연형 플라이백 회로에 대해 굉장히 잘 설명되어 있으며, 값 설계는 이대로 하면될 듯 하다.

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위와 같이 회로를 구성했다. 

• A : Google 검색만 해봐도 여러가치 Chip 들이 있고 많은 Application 이 있다. 그 중 가장 친절한 것을 사용했다. Feedback 신호를 받아 Duty 제어를 하는 FET 이다.
• B : 흔히 많이들 쓰는 Photocoupler 이다. 절연을 위해 필수적으로 장착 시켜야하며, 정밀한 동작을 원할수록 동작이 빠른 부품을 선정하면 된다.
• C : PoE 용 Transformer 중 하나를 선정했다. 1:0.5:0.5:0.5 짜리로 선정했으며, 최종 실험결과 충분히 괜찮게 쓸 듯 하다. 다만 가격부담이 좀 됐음
• D : 자기 고유의 Reference Voltage 갖고 있고, 입력 Reference 가 그 값을 넘으면 항복되는 다이오드이다.
  전압 분배되서 들어오는 값을 잘 컨트롤해서 쓰면 된다.
  그냥 원하는 전압의 Zener 다이오드를 써도 되긴하는데, 일반 Zener 보다는 이 부품이 훨씬 섬세하고 정확하다.

Artwork 모습 / WizPoE_V0.1 이라고 이름지음

위와 같이 아트웍이 완료되었다. 3D는 라이브러리가 몇개 없어서 좀 이상하게 나옴... 귀찮아서 추가시키긴 싫음

BarePCB

3박 4일 후 PCB 를 받아볼 수 있었다. 그 사이에 자재또한 받아놓은 상태이다.

조립 완료되었다. 사실 이미 정신없이 실험을 마치고 결과도 다 낸 상태여서 이미 많이 손을 댄 상태이긴 하다.

 

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동작 실험 시작

문제는 처음부터 발생했다. 일단 48V 만 출력되면 어떻게든 뒤에는 조절해가며 5V 출력을 낼 수 있을 것이라고 생각했지만, 조립을 마치고 첫 동작을 시켰을때, 출력 파형은 아래와 같이 나타났다.

 계속해서 PSE 가 PD 를 찾고 있는 상태.....24.9k 만 달았을때와 달리 계속해서 PD 를 찾고 있었다. 

L을 통해서 입출력이 붙기 때문에 (Switch 내부에서도 첫동작은 Short처럼 동작) 24.9k 가 걸리지 않고 있었다...

PoE 에 대한 공부를 많이 하지않고, Flyback 만 주의깊게 본 탓이었다.

 그래서 스위칭 소자를 사용하기로 했다. 가지고 있던 2N7002 N-Channel MOSFET를 사용하기로 했다. 입력단에 24.9k 를 장착하고 VIN- 단에는 FET 을 장착해 PSE가 24.9k 를 인식하고 전압이 상승하는 순간 FET가 On 될 수 있도록 추가적으로 설계해줬다. (위 그림)

 제너다이오드는 가지고 있던 12V 짜리를 썼고, FET Gate 전압레벨에 맞추어 분압저항도 구성했다.

이제야 정상적으로 전압이 뜨....지 않는다. 입력 양단인데 엄청나게 노이즈가 실리는 모습이다. 약 500k 정도 되는것으로 보아 스위칭 주파수로 보인다. 아마 Cap 성분이 작아 스위칭할때 전류땡겨가는걸 버티지 못하는 모습으로 보인다.

그래서 조금 큰 Cap 을 장착했다.

스펙에 비해 조금 큰 Cap 이지만, 지금은 마땅한게 없어서 일단 장착하고나니 아주 깔끔하게 48V 는 해결되었다.

출력이 약 4.2V 가 나온다...왜지...??

스쉬칭소자의 Drain - Source 양단을 찍었다... 듀티는 약 15%이다.. 아직 포화되려면 한참은 남은 수치이다. 

Feedback 신호를 찍어봤더니 Feedback 이 출력이 5V 도 안됐는데 계속해서 들어온다..

알고보니... Voltage Reference 소자 Artwork 미스였다. 왼쪽으로 설계했는데, 오른쪽이었던것. Cathode 와 Reference 가 바뀌어 장착되서 이상한 동작을 하고 있었던 것이다. 

 

정상적으로 장착하니 5V이 잘 나온다.

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이제 TEST 할 차례이다.

Test 할 Mining 보드의 부하를 보니 0.5A 정도 걸린다. 약 2.5W

802.3af 에 만족하려면 약 15W 는 되야하는데 그 정도 부하를 주기엔 아직 터무니 없이 부하가 작다.

 

그래도 일단 이정도 레벨에서 Test . 후에 부하 지그를 제작해서 Aging 걸어볼 생각이다.