Ziele der Hochenergiephysik sind die experimentelle Überprüfung des Standardmodells der Teilchenphysik sowie die Suche nach bislang unentdeckten Teilchen, um Wissen über die elementaren Wechselwirkungen der Natur und damit den Aufbau der Materie zu erlangen.
Hierzu werden Streuexperimente an Teilchenbeschleunigern durchgeführt. Der neueste und weltweit größte Beschleunigerring, welcher erstmals 2008 in Betrieb genommen wurde, ist der Large Hadron Collider (LHC) der europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) bei Genf. Bei einer instantanen Designluminosität von L = 10^34cm(−2)s(−1) sollen Protonen auf eine Energie von ca. 7 TeV beschleunigt und zur Kollision gebracht werden.
Für den LHC ist innerhalb der nächsten zehn Jahre eine Luminositätssteigerung um einen Faktor 10 auf L = 10^35cm(−2)(s−1) geplant. Im Rahmen dieses Ausbaus zum sogenannten Super-LHC muss der innere Teil des CMS-Experiments, bestehend aus Siliziumstreifen- und Pixeldetektor, ausgetauscht werden. Aufgrund der höheren Spurdichten sind Detektoren mit mehr Auslesekanälen erforderlich. Für die Ausleseelektronik wird eine Halbleitertechnologie mit kleinerer Strukturbreite als im aktuellen System verwendet, wodurch die Versorgungsspannung dieser Elektronik kleiner wird. Angenommen, der Leistungsbedarf des Detektors bleibt gleich, so vergrößern sich hierdurch die Ströme in den Zuleitungen zum Detektor. Die Ströme müssen jedoch durch die vorhandenen Kabel zugeführt werden, was eine Überarbeitung der Stromversorgung notwendig macht. Einen Lösungsansatz hierzu stellt die lokale Spannungskonvertierung mit DC-DC-Konvertern dar, die im Folgenden näher untersucht wird.
Die im Rahmen dieser Arbeit analysierten DC-DC-Konverter konvertieren eine angelegte Gleichspannung in eine niedrigere Gleichspannung, wodurch die Ströme in den zum Konverter führenden Leitungen reduziert werden können. Eine Herausforderung bei der Entwicklung dieser neuartigen Form der Spannungsversorgung von Detektoren ist die elektronische Charakterisierung der Konverter. Eine wichtige Eigenschaft ist der Wirkungsgrad, das heißt die Effizienz, von Schaltkonvertern. Das gesamte Schema der Detektorspannungsversorgung ist von der Effizienz abhängig, da Effizienzverluste den Eingangsstrom der Konverter wiederum erhöhen. Um diesen Aspekt zu untersuchen, wurde ein Effizienzmessstand aufgebaut, in Betrieb genommen sowie die Effizienzen der verschiedenen Konverter vermessen und analysiert.
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
11. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit befasst sich mit der elektronischen Charakterisierung von DC-DC-Konvertern, die für die Spannungsversorgung des CMS-Spurdetektors am zukünftigen Super-LHC (SLHC) entwickelt wurden. Das primäre Ziel ist es, Lösungen zu finden, um die signifikanten Energieverluste in den langen Zuleitungen des aktuellen Detektorsystems zu minimieren und die Betriebssicherheit der Elektronik in einem starken Magnetfeld sowie deren Verträglichkeit mit dem empfindlichen Detektorsystem zu gewährleisten.
- Analyse der Effizienz von kommerziellen und nichtkommerziellen DC-DC-Konvertern.
- Untersuchung der Magnetfeldresistenz der entwickelten Schaltungen bei einer Flussdichte von bis zu 4 T.
- Charakterisierung des Rauschverhaltens mittels Spektrumanalyse zur Minimierung von Störströmen.
- Einstreumessungen zur Bestimmung der Störfestigkeit der CMS-Detektorkomponenten.
- Integration und Validierung von Konverterplatinen für den Betrieb im Spurdetektor-Testsystem.
Auszug aus dem Buch
6.1 Einführung
Als DC-DC Konverter [27] bezeichnet man, wie bereits im vorherigen Kapitel beschrieben, eine elektrische Schaltung, welche eine angelegte Gleichspannung in eine kleinere oder größere Gleichspannung konvertiert. Abhängig vom Verhältnis zwischen Eingangsspannung Vin und Ausgangsspannung Vout bezeichnet man die Konverter mit Vout größer als Vin genauer als Aufwärtswandler und Konverter mit Vout kleiner als Vin als Linearregler und Abwärtswandler. Linearregler erzeugen mit Hilfe eines ohmschen Widerstands einen Spannungsabfall, während Abwärtswandler Schaltkonverter sind, die durch periodische Schaltvorgänge und mit Hilfe von Transformatoren oder Energiespeichern wie einer Spule oder Kondensatoren eine Konvertierung der Ausgangsspannung erzeugen.
In dieser Arbeit werden ausschließlich Abwärtswandler ohne Potenzialtrennung untersucht. Dabei werden zunächst kommerzielle Modelle verwendet, die nicht alle Anforderungen für eine Anwendung im Detektorsystem (Strahlenhärte, Magnetfeldresistenz etc.) erfüllen. Dies ist notwendig, da ein alle Spezifikationen erfüllender Konverter bislang nicht existiert und speziell für den Einsatz in Hochenergieexperimenten entwickelt werden muss. Ein erster Schritt hierzu sind die untersuchten nichtkommerziellen Konverter, welche am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in Berkeley und am CERN bei Genf entwickelt werden [28, 29].
Die kommerziellen Konverter sind ausschließlich sogenannte Buck-Konverter1, also Abwärtswandler, bei denen eine Spule als Energiespeicher Verwendung findet. Das Funktionsprinzip eines solchen Buck-Konverters ist in Abb. 6.1 schematisch dargestellt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Arbeit motiviert die Notwendigkeit lokaler Spannungskonvertierung für den CMS-Spurdetektor am SLHC aufgrund von Strahlenbelastung und steigendem Energiebedarf.
2. Der Large Hadron Collider: Einführung in den Beschleunigerkomplex am CERN und die physikalischen Anforderungen an die Wechselwirkungspunkte.
3. Das Compact Muon Solenoid Experiment: Detaillierte Vorstellung des CMS-Detektors und insbesondere der Struktur des Siliziumspurdetektors.
4. Der Super-LHC und der geplante Ausbau des CMS-Detektors: Diskussion der Upgrades und der damit verbundenen Herausforderungen für die Detektorelektronik und Stromversorgung.
5. Serielle Stromversorgung und Gleichstromkonversion: Vergleich von serieller Stromversorgung und lokaler DC-DC-Konvertierung als Lösungsansätze.
6. DC-DC-Konverter im Detail: Funktionsweise von Buck-Konvertern, Vorstellung kommerzieller und nichtkommerzieller Modelle sowie deren Integration auf Platinen.
7. Effizienzmessung: Analyse der Wirkungsgrade der verschiedenen Konvertertypen in Abhängigkeit von Last und Eingangsspannung.
8. Magnetfeldmessung: Untersuchung der Robustheit der Konverter gegenüber starken Magnetfeldern zur Eignung für den Detektoreinsatz.
9. Spektrumanalyse: Untersuchung der elektromagnetischen Verträglichkeit und des Rauschverhaltens der Konverter mittels Spektrumanalysator.
10. Störfestigkeitsmessung: Bestimmung der Empfindlichkeit von Detektormodulen gegenüber den von Konvertern erzeugten Störfrequenzen.
11. Zusammenfassung und Ausblick: Zusammenführung der Ergebnisse und Bewertung der Eignung der untersuchten Konverterkonzepte für den CMS-Spurdetektor.
Schlüsselwörter
CMS, Spurdetektor, Super-LHC, DC-DC-Konverter, Spannungsversorgung, Wirkungsgrad, Effizienzmessung, Magnetfeldresistenz, Spektrumanalyse, Störfestigkeit, Buck-Konverter, Rauschverhalten, EMV, Detektorelektronik, Ladungspumpe.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der elektronischen Charakterisierung von DC-DC-Konvertern, um eine effiziente und zuverlässige lokale Spannungsversorgung für den aufgerüsteten CMS-Spurdetektor am Super-LHC zu realisieren.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Themen umfassen Effizienzmessungen, die Untersuchung der Resistenz gegenüber starken Magnetfeldern, die Analyse elektromagnetischer Störspektren sowie Störfestigkeitsmessungen an Detektormodulen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Evaluierung, ob lokale DC-DC-Konverter die hohen Anforderungen des CMS-Detektors an Energieeffizienz, Kompaktheit und Störunempfindlichkeit erfüllen können.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es werden experimentelle Messreihen in Laboraufbauten durchgeführt, darunter Effizienz-Teststände, Magnetfeld-Untersuchungen an einem supraleitenden Elektromagneten sowie Spektralanalysen zur Charakterisierung von Rausch- und Störsignalen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden sowohl kommerzielle als auch am CERN/LBNL entwickelte Konverter detailliert vorgestellt, deren Integrationskonzepte auf Platinen diskutiert und die messtechnische Analyse ihrer elektrischen und magnetischen Eigenschaften dokumentiert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind DC-DC-Konverter, CMS-Spurdetektor, SLHC, Effizienz, Magnetfeldresistenz, Spektrumanalyse und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).
Wie beeinflusst ein starkes Magnetfeld die Konverter-Funktion?
Ein Magnetfeld von ca. 4 T kann die Induktivität ferromagnetischer Spulen sättigen, wodurch diese unbrauchbar werden, während Konverter mit Luftspulen unempfindlich gegenüber dem Feld reagieren.
Welchen Einfluss haben Linearregler (LDOs) auf die Performance?
LDO-Regler verbessern das Rauschverhalten signifikant, reduzieren jedoch aufgrund interner Leistungsverluste die Gesamteffizienz des Konverters um 5 % bis 10 %.
Warum ist die Wahl der Spulengeometrie wichtig?
Die Wahl der Spule bestimmt nicht nur die elektrische Effizienz durch ihren ohmschen Widerstand, sondern beeinflusst auch das magnetische Streufeld und damit die elektromagnetische Störanfälligkeit des Gesamtsystems.
- Arbeit zitieren
- Rüdiger Jussen (Autor:in), 2009, Elektronische Charakterisierung von DC-DC-Konvertern zur Spannungsversorgung des CMS-Spurdetektors am SLHC, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/182693
