Impact of unbalanced DC/DC converter to differential signal transmission through TBTWP in automotive PoE applications

PoE continues to gain popularity in today’s networking world, particularly, in terms of automotive applications, such as in-car Ethernet. The advantages of delivering power over the Ethernet cable may simplify the wiring network, and thus does not require the use of an adapter or a second power cable. Effective transmission of high-frequency signals is usually achieved by using differential signaling through twisted wire pair. Simultaneously, power can be transmitted through the same transmission lines of signals. Additionally, twisted bundle twisted wire pairs (TBTWP) is applied to meet the requirement of higher bandwidth. TBTWP under analysis is modeled as multi-conductor transmission lines (MTL) with some specified assumptions and simplifications. Undesired mode conversion can result in detrimental consequences in terms of signal integrity and electromagnetic compatibility (EMC). Four modes are defined with respect to both signal and power transmission firstly. Afterwards, MTL theory is combined with modal analysis. Hence, approximate equivalent circuit models of modal currents and voltages prediction can be obtained. In this thesis, the impact from power transmission to signals is investigated theoretically under the assumption of balanced TLs, which is assumed due to undesired imbalance and mode conversion from DC/DC converter. Furthermore, extension of unbalanced MTLs is discussed, whose effect is superposed to the impact of unbalanced DC/DC converter. Hence, superposed circuit modal interpretation is obtained. Based on the above results, a SPICE model consists of physical components is eventually developed and measurement analysis with respect to defined modal quantities is presented.

La tecnologia nota come Power over Ethernet (nel seguito PoE) è in continua diffusione nelle reti odierne, in particolare nel campo automotive dove si sta diffondendo nei sistemi “in-car Ethernet”. I vantaggi della trasmissione di potenza tramite collegamento di tipo Ethernet possono semplificare il cablaggio della rete, evitando l’utilizzo di adattatori o ulteriori cavi di potenza. La trasmissione di segnali ad alta frequenza solitamente è ottenuta mediante l’utilizzo di segnali differenziali trasmessi attraverso coppie di conduttori (doppini) intrecciati. In questo modo la potenza può essere trasmessa simultaneamente attraverso le stesse linee utilizzate per i segnali. Per soddisfare i requisiti di elevata larghezza di banda (bandwidth) si utilizzano conduttori arrangiati in fasci intrecciati di coppie intrecciate (TBTWP), nel lavoro di tesi modellati come reti di trasmissione multi-conduttore (MTL) con l’aggiunta di specifiche ipotesi e semplificazioni. Purtroppo, causa asimmetrie e non idealità nella realizzazione del sistema, è possibile che si verifichi un indesiderato fenomeno di conversioni dei modi di propagazione coinvolti nella trasmissione, con conseguenti problematiche di integrità del segnale e di compatibilità elettromagnetica (EMC). Per la specifica configurazione di sistema analizzata in questa tesi, vengono definiti quattro modi di propagazione: due dei quali dedicati alla trasmissione del segnale e idealmente disaccoppiati dalla trasmissione della potenza. Successivamente la teoria delle reti multi-conduttore (MTL) viene combinata con l’analisi modale, tramite la quale si ottengono circuiti equivalenti approssimati per le correnti modali e per la predizione di tensioni e correnti indotte alle terminazioni della rete. In questo lavoro di tesi, l’impatto della trasmissione di potenza sui segnali viene analizzato dal punto di vista teorico, ponendo l’attenzione sulla conversione di modo dovuta al possibile sbilanciamento del convertitore DC/DC collegato a una terminazione della rete di potenza. Successivamente, l’analisi viene estesa anche al possibile sbilanciamento introdotto dalla non idealità della struttura filare. Tali fenomeni vengono interpretati mediante circuiti equivalenti modali, in grado di mettere in luce i parametri che maggiormente contribuiscono alla conversione modale. La correttezza di tali circuiti viene validata mediante simulazioni circuitali mediante il software SPICE.