Progetto e realizzazione di una scheda di alimentazione con controllo di temperatura innovativo per un sistema TCSPC a 8 canali

This thesis is part of the project of a compact complete Time correlated single photon counting (TCSPC). This is going to be the first totally integrated system of the research group. As a matter of fact it includes both the acquisition part and the timing part, so avoiding the necessity to use an external TAC board. My work consists particularly in designing and realizing a power board with temperature control to be inserted inside the system. The SPAD array and the AQC require a very particular voltage source, both very stable and digitally controllable. Precision in the order of tens of millivolt is reached thanks to the accurate choice of the controller and through a careful compensation. Considering the small dimensions of the board (90mm×40mm) thermal management and components layout played a fundamental role in the realization. For this reason I have opted for controllers that optimize the tradeoff between efficiency and small dimensions, sometimes adopting original solutions. The board layout has been given great relevance, being essential both for thermal management and EMI emissions. Neglecting this last part can lead to serious problems of electromagnetic disturbances, either radiated susceptibility or radiated emissions. I have exploited a new approach in order to reach the accuracy of 0.1° C in the temperature control of the SPAD array. I have started from the classical PID controller, keeping the positive aspects, such as holding robust performances and being easy to calibrate, and solving as well as improving some critical aspects.

Questo lavoro di tesi si inserisce nel progetto di un sistema completo di acquisizione per applicazioni di Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) compatto. Questo si configura come il primo sistema totalmente integrato del gruppo di ricerca, poiché include al suo interno sia la parte di rilevazione che la parte di timing, evitando quindi il ricorso a schede TAC esterne. In particolare il mio lavoro consiste nella progettazione e realizzazione di una scheda di alimentazione e controllo temperatura da inserire all’interno del sistema. L’array di SPAD e l’AQC richiedono alimentazioni molto stabili e regolabili digitalmente. La precisione nell’ordine delle decine di millivolt è stata ottenuta con la scelta accurata della tipologia di regolatore e con un’attenta compensazione. Date le ridotte dimensioni della scheda (90mm × 40mm) la gestione termica e la disposizione dei componenti hanno giocato un ruolo fondamentale nella realizzazione. Ho quindi privilegiato i regolatori che ottimizzano il trade off tra efficienza e ridotte dimensioni, ricorrendo anche a soluzioni originali. Grande importanza è stata data al layout della scheda, infatti oltre ad essere essenziale per la gestione termica, esso gioca un ruolo fondamentale per quanto riguarda i disturbi EMI. Infatti trascurare questa parte porterebbe alla generazione di disturbi elettromagnetici che potrebbero risultare deleteri per le misure effettuate dal sistema. Per raggiungere la precisione di 0.1 °C nel controllo della temperatura dell’array di SPAD ho fatto ricorso ad un nuovo approccio di controllo basato sul controllore PID, mantenendone gli aspetti positivi, quali robustezza e facilità di taratura, e nel contempo migliorandone alcuni negativi.