Analysis of electromagnetic compatibility performance of PoE architectures

Power over Ethernet (PoE) is a method capable of transmitting power through a communication network. The main advantage is the increase of scalability and flexibility of the network element and a sensible reduction of space and cost due to the possibility to avoid the power supply wiring. Due to automotive development, Ethernet solutions are spreading nowadays and it would be valuable to confront different solutions. Nevertheless, different problems are still being faced as low-quality control in form of acknowledgement or data retransmission. While this problem can be resolved only at a higher level, it is also important to consider the transmission channel. This requires certain robustness and resilience and the behavior of dc/dc converters added for PoE application usually worsens the problem. Given twisted-wire pair (TWP), DC power transmission, and noise from other devices, an electromagnetic compatibility (EMC) evaluation is fundamental to assure communication feasibility. Since Ethernet uses differential signaling, if the unshielded twisted pairs (UTPs) are fully balanced, the common-mode interference is removed at the receiver, but in practice different phenomena occur, which require more complex modelling in order to be properly investigated. The thesis is divided as follows. A brief introduction of PoE, its history and different configuration are given in Section 1, followed by the chosen ideal circuit model in order to understand its functioning in Chapter 2. This is archived deriving the characteristics matrix at both transmitter and receiver sides. Then, modal transformation matrix T and relative modal circuits are presented. In Section 3 considering parameters p and q an unbalance between inductor and capacitor is reviewed. As expected in this case modal circuits are coupled, so dc/dc converter and PSE could affect signal transmission. Validations between modal and complete circuit plus non ideal sensitivity are evaluated through LTspice. Section 4 will consider real transmission line and p.u.l. parameters will be estimated. The model will be completed including the dc/dc converter with conducted emission in Section 5 and various simulations will be performed. Chapter 6 reviews the model and the result of a second PoE architecture with a balun transformer. In Chapter 7 direct comparison between the two models will be carried out since the starting point of the research is the results of previous works [4] [5], and similar SPICE and MATLAB models were adopted, in order to have consistent results. Chapter 8 includes some information for the experimental validation. After an intermediate step, which was necessary in order to identify components usually employed by Automotive manufacturers, the design of the first PCB required will be discussed. Finally the conclusions are obtained, aiming to discuss the behavior of the two systems, and to derive an optimal scenario for their functioning.

Power over Ethernet (PoE) è una tecnologia capace di trasmettere potenza su linee di trasmissione. La caratteristica principale risiede nel poter omettere il cavo di alimentazione dai dispositivi. Questo comporta diversi vantaggi come l’aumento della flessibilità e dalla scalabilità di un sistema, tanto quanto la riduzione di pesi, ingombri e costi. Vari sono i campi di utilizzo, anche se la richiesta nel settore automobilistico è aumentata notevolmente vista la richiesta della gestione di un numero sempre maggiore di dispositivi. Nonostante le soluzioni Automotive Ethernet siano particolarmente diffuse, diversi problemi devono essere ancora risolti per adattare la tipologia di trasmissione del segnale. Mentre le soluzioni classiche richiederebbero azioni ad alto livello, interessante sarebbe lo studio del mezzo fisico di trasmissione. Lo standard prevede infatti un livello molto robusto e resiliente che viene messo a dura prova nelle applicazioni automotive, le quali prevedono componenti fortemente non lineari. Nonostante il segnale sia differenziale e quindi capace di ridurre al minimo l’ingresso di rumore in un circuito bilanciato, nella realtà diversi fenomeni possono occorrere. Dati i differenti componenti è necessaria un’accurata analisi elettromagnetica del circuito. Il lavoro di tesi è rivolto a creare e confrontare due differenti soluzioni. Il primo capitolo è composto da una breve introduzione e storia del PoE, seguita da una panoramica delle differenti architetture e l’illustrazione della prima configurazione analizzata. Nel secondo capitolo segue l’analisi ideale e la creazione di una matrice di trasformazione modale, necessaria per semplificare ed enfatizzare gli effetti non lineari dei componenti. Un primo sbilanciamento relativo ai componenti del circuito di disaccoppiamento verrà analizzato nella terza sezione attraverso i parametri “p” e “q”. Si inizieranno quindi a vedere degli accoppiamenti modali non presenti nel circuito ideale, che permetterebbero a sorgenti esterne di interferire col segnale. Questo come gli altri modelli di sbilanciamento verrà validato attraverso una doppia simulazione LTSpice tra circuito fisico e modale. Nella sezione quattro verranno calcolati i parametri per unità di lunghezza (p.u.l) e sostituiti i cortocircuiti tra i circuiti di accoppiamento/disaccoppiamento con linee di trasmissione che simulano il reale comportamento. Ne parte il modello verrà completato considerando le emissioni condotte del convertitore dc/dc [1]. La sezione sei analizzerà la seconda configurazione attraverso il modello descritto in [2]. Poiché il lavoro svolto è volto ad una diretta comparazione, i metodi e i modelli scelti per la costruzione sono i medesimi per entrambe le configurazioni. L’analisi dei risultati verrà affronta nel capitolo 7. Dopo l’analisi teorica, un secondo step comprenderebbe una validazione sperimentale. Un’introduzione alla componentistica del setup e il design di uno dei circuiti stampati necessari verrà affrontata nel capitolo 9. Seguiranno considerazioni e conclusioni.