Tracciatore Interno a pixel: Serial Powering & System Test - Presentazione alla Sezione delle attività di Upgrade del tracciatore di CMS per ...
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Tracciatore Interno a pixel:
Serial Powering & System Test
Presentazione alla Sezione delle attività di Upgrade
del tracciatore di CMS per HL-LHC
https://agenda.infn.it/conferenceDisplay.py?confId=16931
18 Oct 2018
Serial Powering
• Il tracciatore interno a Pixel richiede ~50kW di potenza
‣ basso rumore, alto rate, maggior granularità (cella 2500µm2), grande superficie (~5m2)
‣ l’elettronica rad-hard @65nm lavora a 1-1.2V
‣ L’alimentazione diretta richiederebbe troppo materiale passivo in cavi
‣ Per la radiazione e lo spazio limitato non è possibile utilizzare altri metodi di conversione di
prossimità (POL Point-of-Load)
• CMS si è orientato verso uno schema di alimentazione seriale mai utilizzato su larga
scala per un esperimento di alte energie ma allo studio da vari anni (per esempio
~1.2 V alimentazione diretta
Power
Supply
(come nel tracciatore
attuale) 50kW/1.2V ~ 40kA
✗
~10 V
Power
Supply
Conversione
a ~1.2 V
conversione locale 50kW/
10V ~ 5kA ✗
~1.2 V・n
✓
#1 #2 #n alimentazione
Power
Supply seriale
40kA/(n~8)
18.10.2018 G.Sguazzoni - CMS Tracker Upgrade: IT SP&ST !2Il cuore del serial powering
• Lo ShuntLDO, composto da un regolatore LDO (Low Drop Out) e da un circuito
di shunt, mantiene costante il consumo di corrente nell’elemento della catena
indipendentemente dalla corrente nel carico (il chip di FE)
regolatore
shunt
ramo di potenza ~ 1000x ramo di controllo
18.10.2018 G.Sguazzoni - CMS Tracker Upgrade: IT SP&ST !3La caratteristica resistiva dello ShuntLDO
• Lo ShuntLDO equivale a una resistenza con un piccolo generatore in serie; più
ShuntLDO possono essere combinati in parallelo senza problema alcuno
VIN Max
V IN Reff
Reff
IIN
VOUT
Voffset
Voffset Zona di regolazione
I_in [A]
18.10.2018 G.Sguazzoni - CMS Tracker Upgrade: IT SP&ST !4Scopo dei test di sistema
• Verificare la robustezza e l’affidabilità del sistema durante le condizioni standard
di lavoro
‣ instabilità, contaminazione di rumore, accensione, distribuzione e filtraggio dell’alta tensione per
la polarizzazione dei sensori
• Verificare la robustezza e l’affidabilità del sistema nel caso di rotture
‣ riduzione del danno in caso di rotture del singolo chip di FE e/o di rotture del singolo regolatore
Introduction
• Definizione dell’alimentazione al back-end, dei cavi e dello schema di
alimentazione della (alta) tensione di polarizzazione dei sensori.
Cavo
(~50m)
Power
Oscilloscopio
Supply
18.10.2018 G.Sguazzoni - CMS Tracker Upgrade: IT SP&ST !5Ambiti di funzionamento dello ShuntLDO
• Le possibili condizioni operative di un elemento della serie sono già state
studiate a Firenze (nell’ambito della tesi di laurea di Andrea Fiaschi) e al CERN e
non sono state rilevate criticità particolari
• Lo studio dei ‘failure mode’ sta procedendo con simulazioni e richiede catene
finali e componenti sacrificabili
Picchi di corrente Richiesta di corrente in
(filtrati dalle capacità di
eccesso
disaccoppiamento)
Accensione
Variazione veloce Variazione lenta
corrente
Corrente in ingresso
Corrente nel carico tempo
18.10.2018 G.Sguazzoni - CMS Tracker Upgrade: IT SP&ST !6La distribuzione della tensione di polarizzazione
ion and System Aspects
• In uno schema seriale
ciascun modulo (e quindi
readout ~ +14 V
electronics ciascun sensore) lavora
gnd rispetto ad un riferimento
A ~ +12.5 V
bump−bond locale che, in tensione, è
diverso dai moduli adiacenti ~ +11.0V
+ −
− +
e dipende dalla posizione
+ − sensor
+−
dell’elemento nella catena
-
track HV
+
sketch (not to-HV
scale) of the cross section of a hybrid pixel de-
quale
e of the •many schema
thousands per la distribuzione
of connections della
between sensor and elec- tensione di
th a particle track releasing ionization in the sensor volume
polarizzazione?
• quale
e dies with many concetto per la
input and output struttura
pads. meccanica
The bump-bonding e per il 0V
have proven to work at the contact density required for
fissaggio dei moduli stessi (per garantire
use either electroplated solder bumps or indium bumps de-
l’isolamento
ration. The bump depositionelettrico)?
process is done at the wafer
bumps are deposited at once on all the dies (or sensors)
r. Single die bump deposition can be done using gold studs.
18.10.2018
useful G.Sguazzoniwork,
for prototype - CMSespecially
Tracker Upgrade: IT SP&ST
for exotic substrates.
!7Piani futuri su ST e SP a Firenze
• Messa a punto di sistemi basati su celle di Peltier per il controllo in temperatura
dei chip e dei sensori (prerequisito fondamentale per una valutazione
quantitativa dell’impatto dello schema di alimentazione sulle figure di rumore)
• studio dello schema di distribuzione della tensione di polarizzazione (con sensori
pixel planari e 3D) grazie alla scheda CAEN A1515 (16x 1kV floating channels)
• Test di sistema su più ampia scala anche con moduli, cavi e sorgenti prototipali
(anche nell’ambito dei progetti regionali)
• Collaborazione con Pisa (che si occupa della meccanica del barrel dell’IT) per lo
studio del comportamento della catena seriale di moduli sulla struttura
meccanica prototipo; fondamentale per verificare l’isolamento elettrico e
l’interferenza della stessa in termini di contaminazione elettromagnetica
18.10.2018 G.Sguazzoni - CMS Tracker Upgrade: IT SP&ST !8Puoi anche leggere
