Design di regolatori lineari resistenti alle radiazioni con una tecnologia 0.18um ad alta tensione = Design of radiation-tolerant linear regulators in a high-voltage 0.18um technology

La distribuzione di potenza all'interno del Large Hadron Collider (LHC) è un compito particolarmente impegnativo a causa dei livelli di potenza richiesti, delle capacità di raffreddamento e dei vincoli di area e volume relativi ad ogni modulo. In particolare, il team DCDC presso il CERN lavora su convertitori di potenza in grado di resistere a livelli estremamente elevati di radiazioni e a campi magnetici intensi. Questa tesi si colloca nell'ambito del R&D (ricerca e sviluppo) relativo al long shutdown 4 (LS4), previsto tra circa dieci anni e che permetterà un miglioramento tecnologico degli esperimenti del CERN. In questa prospettiva, si punta ad un aumento della luminosità dell'acceleratore e son richiesti livelli di corrente più elevati per i circuiti di front-end. I convertitori DC/DC saranno posizionati in una zona nella quale si prevede che i livelli di radiazioni raggiungano i 200 Mrad. Per questo motivo, i circuiti integrati (IC) che vengono impiegati in queste condizioni devono essere realizzati specificamente sulla base delle esigenze tecniche del CERN. Questo lavoro di tesi si concentra sulla progettazione di tre regolatori lineari, che faranno parte del convertitore buck da 48 V a 5V, garantendo una distribuzione ottimale della potenza ai diversi domini di tensione. Gli stadi di conversione relativi ai regolatori lineari sono i seguenti: da 48V a 5V, per gli interruttori GaN (nitruro di gallio) del convertitore; da 5V a 3.3V per i driver dei gate; e da 3.3V a 1.8V per il controllore. Le radiazioni inducono una degradazione dei transistor (total ionizing dose, displacement damage e leakage current) e, a partire da dei dati sperimentali, si sono sviluppati dei modelli specifici per descrivere questi fenomeni attraverso dei moduli in Verilog-A. Successivamente, questi ultimi sono stati integrati nell'ambiente di simulazione del tool CAE (computer-aided engineering). Infine, si è curata anche la fase di layout dei circuiti citati e si è proposto un modello che descriva le caratteristiche elettriche equivalenti dei cosiddetti "enclosed-layout transistor" (ELT), ottenendo una modellizzazione accurata anche nei casi di alti valori di lunghezze di canale (L) dei transistor.