PoE와 VLC의 결합
안전하고 효율적으로 90W 이상의 전력을 제공하는 이더넷 전원 장치(PoE)는 커넥티드 조명 시스템의 주요 성장 동력으로 자리 잡았다. 이를 가시광선 통신(VLC)의 장점과 결합하면, 특정 애플리케이션 분야에서 RF 기반 솔루션보다 더 나은 성능을 제공하는 안전한 고성능 실내 위치 확인 시스템을 개발할 수 있다.
이 글에서는 이더넷 전원장치가 어떻게 발전해 산업용 조명에 적합한 솔루션이 됐는지 살펴보고, 시스템에 VLC 기술을 추가해 위치 확인 기능을 구현하는 방법에 대해 알아본다.
PoE 표준(IEEE 802.3xx)
PoE 표준은 중앙 허브에서 저전력 주변기기에 전력을 공급하기 위해 개발됐으며, 건물에서 주 전원을 공급하는데 관련된 복잡성, 비용, 규정 준수에 대한 문제를 제거하도록 개발됐다. 다른 많은 표준과 마찬가지로 IEEE 802.3xx PoE 표준은 수년에 걸쳐 발전해 왔으며, 구현될 때마다 더 강화된 기능과 성능을 제공한다.
첫 번째 표준인 IEEE 802.3af는 2003년에 시작됐으며 IP 전화, 액세스 포인트, 센서와 같은 장치에 15.4W의 전력을 제공했다. 사실상 케이블 손실로 인해 각 주변기기에서 사용 가능한 전력은 13.0W 정도에 불과했다.
PoE+라 불리는 다음 표준(IEEE 802.3at)은 30W의 전력을 제공했으나 손실을 감안하면 25W로 감소한다. 이 표준은 좀 더 복잡한 기기에 전력을 공급하며, 태블릿처럼 작은 기기의 충전을 지원한다. 두 표준은 아직도 유효하지만, 현재 사용되는 PoE 표준은 IEEE 802.3bt다.
2018년 시작된 이 표준은 두 가지로 나뉘며, 하나는 사용 시점에 포트 당 최대 60W까지 전달 가능한 타입3(PoE++)이고 다른 하나는 포트 당 최대 90W까지 전달 가능한 타입4(고출력 PoE)이다.
타입 4 802.3bt의 기능은 원래 노트북과 같은 기기를 위해 고안됐지만, LED 조명의 도래와 함께 PoE를 통해 중대형 지능형 조명 시스템에도 전력을 공급하게 됐다.
PoE 조명 시스템 및 가시광선 통신(VLC)
PoE 조명이 제공하는 많은 장점 가운데 두 가지 주요 장점은 안전성과 유연성이다. PoE 버스 전압이 설계상 60V DC 안전 임계값 미만으로 유지되므로 감전 및 화재 등 AC 주전원 전압의 위험이 시스템에서 제거된다. 전원과 데이터를 위한 단일 CAT 5 이더넷 케이블인 조명 케이블에 대한 배선만 있으면 된다. 따라서 벽면 부착 스위치에 대한 주전원 차단을 포함해 주 전원 동작을 위해 필요한 비용 및 복잡도 등이 줄어든다.
이더넷 연결 덕분에 조명 시스템의 제어는 로컬 네트워크를 통해 설정 가능하며, 더욱 폭넓은 제어 옵션을 제공한다. 센서는 실내 활동에 대한 피드백을 제공해 전력 사용을 개선하고 온도 및 공기 품질 제어 기능을 통합한다. 벽면 스위치는 슬림형 에너지 하베스팅 무선 설계로 발전하며, 배터리나 전원 연결이 필요하지 않아 건물 내 공간을 쉽고 빠르게 재구성한다.
VLC 기반 위치 확인 시스템
비록 알렉산더 그레이엄 벨이 광전화기를 개발한 1880년대로 거슬러 올라갈 만큼 오래된 기술이지만, 가시광선을 매개로 데이터 스트림을 전송하는 기능은 특히 실내 애플리케이션 분야에서 주목받고 있다.
VLC를 적용하는 확실한 애플리케이션 중 하나는 광기반 네트워킹(Li-Fi)으로, 폭발 위험이 있는 위험한 장소 또는 병원 및 기내와 같이 RF 기반 무선 기술의 간섭을 겪을 수 있는 민감한 장비가 배치된 장소에서 특히 유용하다.
비교적 덜 확실한 또 다른 애플리케이션은 자동 안내 차량(AGV)을 창고나 스마트 공장 주변에서 안내하거나 공항, 스포츠 경기장 또는 병원과 같은 대형 건물을 탐색하는 데 도움을 주는 실내 위치 확인 시스템에 조명을 사용하는 것이다. 이러한 위치 확인은 위치 기반 마케팅과 같은 비즈니스 기회를 창출해 효과적으로 소비자의 이목을 끄는 특별한 제안에 사용된다.
VLC 기반 위치 확인 시스템은 실내 동작 시나리오 가운데 GPS에서 발견되는 많은 문제를 해결한다. GPS 신호는 건물에 잘 투과하지 못할 수 있으며, 이로 인해 벽면에서 반사되면서 다중 경로 전파로 인해 시스템의 정확도가 낮아지게 된다. VLC 위치 확인의 작동 방식은 GPS와 다소 비슷하다.
각 조명장치는 육안으로 감지할 수 없는 주파수로 빛을 변조 후 전송되는 고유의 코드를 가진다. 카메라와 앱이 장착된 스마트폰 및 이와 유사한 기기는 3개 이상의 조명장치와의 거리를 삼각측량해 30cm 미만의 정확도로 위치를 계산할 수 있다.
PoE 기반 VLC 시스템 설계
PoE 기반 VLC 시스템 설계자는 시장에 신속하게 설계를 제공함과 더불어 두 가지 주요 당면 과제인 에너지 효율과 작은 크기를 구현해야 한다. 온세미는 지능형 조명을 비롯한 다양한 애플리케이션을 위한 효율적인 에너지 솔루션과 관련해 풍부한 설계 경험을 보유하고 있다. 지능형 PoE 기반 조명을 위한 솔루션은 여러 고집적 장치를 작은 공간에 결합해 설계 프로세스를 크게 간소화한다.
NCP1095 및 NCP1096은 조명 솔루션이 IEEE 802.3af/at 및 -3bt 규정을 준수하도록 하는 PoE-PD 인터페이스 컨트롤러다. 감지, 분류 및 돌입전류 제한을 포함해 PoE 시스템의 모든 기능을 통합한다.
NCP1095 및 NCP1096은 모두 최대 90W의 애플리케이션을 지원하며, 과전류 및 과열 보호 기능을 통합해 장치와 조명부하를 보호한다. NCP1095는 설계 유연성을 위해 외부 패스 트랜지스터를 채택했으며, NCP1096은 완전히 통합된 솔루션이다.
인터페이스 컨트롤러와 함께 온세미의 NCL31000 첨단 조명 엔진이 있으며, 이 엔진은 고효율 지능현 조명 시스템에 필요한 모든 요소를 포함하고 있다. 이 장치의 핵심은 고대역폭 아날로그 디밍 및 PWM 디밍을 제로 전류까지 지원하는 97% 효율 벅 LED 드라이버에 있다.
이 장치에는 시스템 MCU 및 센서와 같은 주변 장치에 전원을 공급하기 위한 온보드 DC/DC 컨버터가 있어 개별 DC/DC 컨버터가 필요하지 않다. 이는 설계를 단순화하고 공간과 부품 비용을 절감할 수 있게 한다. NCL31000은 0.1%의 정확도와 함께 높은 선형성으로 디밍할 수 있어 조명 기반 위치 확인을 포함한 VLC 애플리케이션에 적합하다.
보다 향상되고 안정적인 레퍼런스로 인해 실질적으로 제로 LED 전류를 지원하며, 고스트 라이트의 위험을 모두 제거한다. 전류, 전압 및 온도를 포함한 종합 진단이 정확하게 측정돼 I2C/SPI 인터페이스를 통해 시스템 MCU에 제공된다.
요약
LED 기술로 인한 저전력 지능형 조명과 90와트까지 가능한 PoE 표준의 지속적인 발전이 융합되면서, 대규모의 값 비싼 주 전원 연결 없이도 정교한 조명 시스템을 만들게 됐다. 이러한 시스템은 어디에서나 사용하지만, 특히 광산 및 석유·가스 플랫폼과 같은 위험 지역, 습도가 높은 환경, 병원이나 기내와 같은 민감한 장비에 근접한 곳에서 특히 유용하게 사용된다.
효율적인 전력 솔루션과 LED 드라이버로써 오랜 기간 사용된 온세미의 NCP1095 및 NCP1096 PoE-PD 인터페이스 컨트롤러와 NCL31000 첨단 조명 엔진은 검증된 고효율 통합 솔루션으로써 설계 작업을 간소화 할 수 있게 해 조명 솔루션의 시장 출시 기간을 단축하도록 도와준다.
헬로티 서재창 기자 |
