Design of a Radiation-Hard Fully-Integrated DC/DC converter's control circuit for High Energy Physics experiments at CERN.

CERN, l'Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare, è riconosciuta a livello globale per la sua posizione di rilievo nella ricerca dedicata alla fisica delle particelle. Operando il più grande e avanzato acceleratore di particelle al mondo (il Large Hadron Collider, LHC), la missione del CERN è esplorare le componenti fondamentali della materia e le forze che ne governano le interazioni. Attualmente, sono in corso significativi sforzi ingegneristici per aggiornare il Large Hadron Collider (LHC) per l'esperimento High-Luminosity (HL) LHC. Richiedendo ancora più energia e consumo di potenza rispetto agli esperimenti precedenti, l'HL-LHC è stato concepito per fornire agli scienziati una quantità di dati, raccolti dai rivelatori di particelle, superiore a qualsiasi altro esperimento mai realizzato. Di conseguenza, fornire un'alimentazione stabile ai detector di particelle diventa più impegnativo, poiché i livelli di radiazione e campi magnetici nelle camere di collisione saranno superiori a quelli sperimentati finora. Basato sull'impiego di convertitori DC-DC, il sistema di distribuzione dell'energia per gli esperimenti al CERN include diverse fasi di conversione, ciascuna delle quali deve essere progettata con cura, al fine di garantire affidabilità ed efficienza di conversione. Questo progetto di tesi magistrale, focalizzato sulla progettazione di un circuito di controllo di un convertitore DC-DC completamente integrato e resistente alle radiazioni per esperimenti di fisica ad alte energie, contribuisce allo sviluppo di circuiti elettronici resistenti alle radiazioni per i convertitori facenti parte di questo schema di distribuzione dell'energia. Più nello specifico, il cuore di questo progetto è la realizzazione di diversi blocchi analogici in una tecnologia in 180nm, resistenti agli elevati livelli di radiazione e campi magnetici caratteristici degli esperimenti realizzati al CERN. Questi blocchi sono stati progettati per un convertitore DC-DC da 20V a 5V e includono: l'amplificatore di errore, necessario per rilevare e stabilizzare la tensione di uscita, sfruttando il loop di retroazione; il generatore di ritardi, per evitare cross-conduction nello stadio di potenza; due level shifter, necessari per garantire la transizione di tensione tra diversi domini. Per ottenere un elevato livello di affidabilità e robustezza rispetto agli effetti delle radiazioni porta alla necessità di simulare questi circuiti elettronici, in condizioni di irraggiamento estreme, sin dalle prime fasi di progettazione. Grazie a tali simulazioni, il design di tali blocchi è stato validato, permettendone la realizzazione del layout, attualmente in fase di sviluppo e testing per verificarne la tolleranza alle radiazioni.