Elektronische Charakterisierung von DC-DC-Konvertern zur Spannungsversorgung des CMS-Spurdetektors am SLHC

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
• 2 Der Large Hadron Collider
• 3 Das Compact Muon Solenoid Experiment
  • 3.1 Der Siliziumstreifendetektor
• 4 Der Super-LHC und der geplante Ausbau des CMS-Detektors
  • 4.1 Der SLHC
  • 4.2 Physikalische Motivation für den Ausbau
  • 4.3 Der Ausbau des CMS-Detektors
• 5 Serielle Stromversorgung und Gleichstromkonversion
  • 5.1 Serielle Stromversorgung
  • 5.2 Spannungsversorgung mit Gleichstromkonvertern
• 6 DC-DC-Konverter im Detail
  • 6.1 Einführung
  • 6.2 Kommerzielle Konverter
    • 6.2.1 Enpirion EN5312QI
    • 6.2.2 Enpirion EQ5382D
    • 6.2.3 Micrel MIC3385
  • 6.3 Nichtkommerzielle Konverter
    • 6.3.1 Der CERN Konverter SWREG2
    • 6.3.2 Die LBNL Ladungspumpe
  • 6.4 Linearregler mit geringem Spannungsabfall
  • 6.5 Konverterintegration
    • 6.5.1 Integration der kommerziellen Konverter
    • 6.5.2 Integration des CERN Konverters
    • 6.5.3 Integration der LBNL Ladungspumpe
  • 6.6 Messung des Tastverhältnisses D mit Nahfeldsonden
• 7 Effizienzmessung
  • 7.1 Einleitung und Grundlagen
    • 7.1.1 Das Testsystem zur Effizienzmessung
  • 7.2 Effizienzen der kommerziellen Konverter
    • 7.2.1 Konverter mit internen Spulen
    • 7.2.2 Konverter mit externen Spulen
    • 7.2.3 Effizienz von Konvertern mit Linearreglern (LDO-Regulatoren)
    • 7.2.4 Auswirkung von Spulenschirmung auf die Effizienz von Konvertern
    • 7.2.5 Effizienzen des Micrel Konverters
  • 7.3 Effizienz des CERN Konverters
  • 7.4 Effizienzen der Ladungspumpen
  • 7.5 Zusammenfassung der Ergebnisse
• 8 Magnetfeldmessung
  • 8.1 Durchführung der Magnetfeldmessung am Forschungszentrum Jülich
  • 8.2 Magnetfeldresistenz der Konverter
    • 8.2.1 Enpirion Konverter mit ferromagnetischer Spule
    • 8.2.2 Enpirion Konverter mit Luftspule
    • 8.2.3 Der CERN Konverter SWREG2
    • 8.2.4 Die LBNL Ladungspumpen
• 9 Spektrumanalyse
  • 9.1 Das Testsystem
  • 9.2 Gleich- und Gegentaktsignale
  • 9.3 Der Spektrumanalysator
  • 9.4 Spektren der Enpirion Konverter
    • 9.4.1 Einführung – Spektren des TypL-Int
    • 9.4.2 Konverter mit nur einer Ausgangsspannung – 1,25 V oder 2,50 V
    • 9.4.3 Variation der Eingangsspannung beim TypL-Int
    • 9.4.4 TypL-Int und TypS-Int im Vergleich
    • 9.4.5 Wirkung des LDO-Regulators auf das Ausgangsrauschen
    • 9.4.6 Konverter mit externer Spule
  • 9.5 Spektren des Micrel Konverters TypL-Mic
  • 9.6 Spektren des SWREG2 Konverters
  • 9.7 Spektren der LBNL Ladungspumpen
• 10 Störfestigkeitsmessung
  • 10.1 Einleitung und Beschreibung des Einstreuteststands
  • 10.2 Vorbereitende Untersuchungen mit Gegentaktstörungen
  • 10.3 Störfestigkeit der Detektormodule
  • 10.4 Testmessungen
  • 10.5 Korrelation zwischen Spektrenanalysemessung und Systemtestmessung

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Diese Diplomarbeit untersucht die elektronische Charakterisierung von DC-DC-Konvertern für die Spannungsversorgung des CMS-Spurdetektors am Super-LHC (SLHC). Die Hauptziele sind die Effizienzmessung, die Magnetfeldresistenzprüfung und die Charakterisierung des Rauschverhaltens der Konverter.

• Effizienz verschiedener DC-DC-Konvertertypen
• Magnetfeldresistenz der Konverter im Hinblick auf den Betrieb im CMS-Detektor
• Charakterisierung des vom Konverter erzeugten elektromagnetischen Rauschens
• Störfestigkeit des Detektorsystems gegenüber externen Störungen
• Korrelation zwischen Konverterrauschen und Detektorverhalten

Zusammenfassung der Kapitel

Kapitel 2 bietet eine Einführung in den Large Hadron Collider (LHC). Kapitel 3 beschreibt das Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment mit Fokus auf den Siliziumstreifendetektor. Kapitel 4 behandelt den geplanten Ausbau des LHC zum SLHC und die notwendigen Änderungen am CMS-Detektor, insbesondere die Herausforderungen der Stromversorgung. Kapitel 5 diskutiert verschiedene Ansätze zur Spannungsversorgung der Detektor Elektronik am SLHC. Kapitel 6 detailliert die Funktionsweise und Implementierung der untersuchten DC-DC-Konverter, sowohl kommerzielle als auch selbstentwickelte Varianten. Kapitel 7 präsentiert die Effizienzmessungen der verschiedenen Konverter. Kapitel 8 beschreibt die Magnetfeldmessung der Konverter.

Kapitel 9 beschreibt den Aufbau und die Ergebnisse des Spektrumanalyse-Teststands zur Untersuchung des Rauschverhaltens.

Schlüsselwörter

DC-DC-Konverter, CMS-Spurdetektor, SLHC, Effizienz, Magnetfeldresistenz, Rauschverhalten, Störfestigkeit, Spektrumanalyse, Hochenergiephysik.