Gerät mit LCD-Display und Touchpanel und EMV-Tests – Fallstudie

Die Erfüllung der Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit ist eine der Voraussetzungen für die Zertifizierung und das Inverkehrbringen von Produkten auf dem europäischen Markt. Der Text stellt eine Kompatibilitätsfallstudie am Beispiel eines Geräts vor, das mit einem TFT-Display mit einem kapazitiven Touchpanel (für medizinische Anwendungen) ausgestattet ist. Die elektromagnetische Verträglichkeit wirkt sich direkt auf den korrekten und zuverlässigen Betrieb des Endgeräts aus. Die Forschung wurde in zwei Bereichen durchgeführt: der Widerstandsfähigkeit des Geräts gegen äußere Störungen und der Emission von Störungen. Während der beschriebenen Forschung traten zwei Probleme auf. Das Gerät stürzte bei Tests zur elektrostatischen Entladung (ESD) ab und erfüllte nicht die Anforderungen an elektromagnetische Störungen (EMI) im Messbereich von 30 MHz – 1 GHz.

Beständigkeit gegen elektrostatische Entladung – Studie, Ergebnisse, Lösungen

Das geprüfte Gerät sollte die Anforderungen der Norm PN-EN 61000-4-2 für elektromagnetische Verträglichkeit erfüllen. Ziel war es, das Notenkriterium „B“ zu erfüllen. Bei den ersten Testversuchen fror das TFT-Display ein. In einigen Fällen setzte sich der Grafikcontroller selbst zurück, was dazu führte, dass das Gerät ohne grafische Oberfläche weiterarbeitete. Nur ein Neustart des gesamten Geräts würde den normalen Betrieb wiederherstellen. Das beschriebene Testergebnis fiel unter das Notenkriterium C und reichte daher nicht aus, um die gewünschte Zertifizierung zu erhalten.

Bei weiteren Tests konnte eine bestimmte Messstelle angegeben werden, an der die Entladung das Display ausschaltete. Die Kante in der Nähe des FFC-Bandes des kapazitiven Panels erwies sich als kritische Stelle. Zunächst wurde nach einer Softwarelösung gesucht, da die Hauptsteuerplatine trotz Abschaltung des LCD-Displays weiter funktionierte. Die zyklische Initialisierung des Display-Controllers und des Touchpanels wird übernommen, um einen ununterbrochenen Betriebsablauf zu gewährleisten. Leider erwies sich diese Lösung als unzureichend. Gemäß der Norm PN-EN 61000-4-2 sollte das Gerät einer zehnfachen Entladung an einer Messstelle standhalten. Eine Reihe von Entladungen führte dazu, dass das Gerät nicht mehr funktionierte. Die Lösung des Problems erwies sich als die Verwendung von abgeschirmtem FFC-Band, das das Motherboard mit dem Grafikcontroller verbindet. Die in dieser Konfiguration durchgeführten Tests waren erfolgreich, aber die Verwendung des Bandes verursachte einige zusätzliche Schwierigkeiten. Die Lösung erwies sich als unzureichend, so dass der Fokus auf der Suche nach einer alternativen Methode lag.

Durch die Isolierung eines bestimmten Entladungsbereichs war es möglich, die Stelle zu lokalisieren, an der der Impuls in das Gerät eingedrungen ist. Weitere Tests zeigten, dass die Last entlang der Linien vom Touchpanel wandert. Der Koffer enthielt einen Vitrinenschacht mit Schutzglas. Bei der Montage wurde jedoch kein Dämmmaterial verwendet, wodurch ein dünner Luftspalt entstand. (Abbildung 2) Luft hat bestenfalls eine Durchschlagsspannung von 2,8 kV pro mm. Um die Zertifizierung zu erhalten, war es erforderlich, eine Entladefestigkeit von 8 kV zu erreichen.

Um eine ordnungsgemäße Isolierung zu gewährleisten und den Spalt vollständig zu beseitigen, wurde Acrylband als Hohlraumfüllung verwendet (Abbildung 3). Eine Reihe von anschließenden Tests zeigte die Richtigkeit der Lösung. Das Gerät hat das Bewertungskriterium „A“ erhalten. Das Ziel wurde erreicht. Über den gesamten Testbereich gab es kein Zurücksetzen oder Pausieren des Gerätes. Die Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Isolierung machte das Schaltschrank widerstandsfähig gegen Entladungen in der Luft und ermöglichte es, auf die Verwendung von abgeschirmtem FFC-Band zu verzichten.

Emission elektromagnetischer Störungen – Forschung, Ergebnisse, Lösungen

Die auf dem Gebiet der elektromagnetischen Störemissionen durchgeführten Forschungen hatten den Charakter von technischen Prüfungen. Sie wurden mit einer Antenne durchgeführt, die in einem Abstand von 3 m vom Gerät platziert wurde. Gemäß den Bestimmungen der Norm ist dieser Abstand auf 10 m festgelegt. Die Abstandsunterschiede wurden durch eine Anhebung des Emissionsgrenzwertes auf 40 dB ausgeglichen. Diese Methode ist eine gängige Praxis.

Der erste Schritt zur Lösung von Problemen mit übermäßigen elektromagnetischen Emissionen bestand darin, nach der Schaltung zu suchen, die die größten Störungen erzeugte. Zu diesem Zweck wurden Tests mit abgeklemmter Peripherie durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass die Hauptemissionsquelle der TFT-Block war (siehe Abbildung 1). Abbildung 4 zeigt das Emissionsdiagramm eines Geräts, bei dem der TFT-Baustein eingeschaltet (blau) und nicht angeschlossen (grün) ist.

Nach der Analyse des TFT-Blockdiagramms wurden der Spannungswandler der LED-Hintergrundbeleuchtung, die RGB-Signalleitungen und die SPI-Schnittstellenleitungen, die für die Kommunikation zwischen dem TFT-Baustein und der Hauptplatine verwendet werden, als mögliche Störquelle angezeigt. Es wurde eine Reihe von Tests mit verschiedenen Kombinationen passiver Bauelemente durchgeführt, bis ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt wurde. Schließlich wurden mehrere Modifikationen an dem Gerät vorgenommen.

An der Stromversorgung des LED-Konverters selbst sowie an der Masse der Wandlerschaltung und der Masse des RGB-Treibers wurde eine Drosselspule angebracht. Mit dieser Änderung sollte die Unterdrückung von Störungen, die durch Drive-Keying verursacht werden, verbessert werden. Die Reduzierung der Emissionen, die aus dem RGB-Signal resultieren, wird durch das Hinzufügen einer Reihe von Widerständen an jeder RGB-Leitung und Taktleitung erreicht. Auch die Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Motherboard und dem Display und dem Touchpanel-Controller wurde verbessert. Ferrite wurden als Drosseln auf dem SPI-Schnittstellenbus verwendet. Die oben beschriebenen Verbesserungen führten zu einem Ergebnis, das im schlimmsten Fall 3 dB unter dem angenommenen Grenzwert lag (Abbildung 5).

Die vorgenommenen Änderungen führten dazu, dass das Gerät endlich die EMV-Anforderungen an die elektromagnetische Störemission erfüllte, was durch nachfolgende Tests in einer akkreditierten Stelle bestätigt wurde.

Anträge

Die Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit ist heute eine unabdingbare Voraussetzung für die Einführung neuer elektronischer Geräte auf dem europäischen Markt. Das Anforderungsniveau an die erhaltenen Indikatoren steigt, wenn das Endgerät letztendlich unter anspruchsvollen Bedingungen installiert werden soll, z. B. in Zügen, in der industriellen Automatisierung oder wie im Fall des im Artikel zitierten Moduls – in einer medizinischen Anwendung. Tests, die in einem zertifizierten Labor durchgeführt werden, sind in der Regel recht teuer. Das getestete Gerät entspricht nicht immer den Normen, was den Bedarf an Korrekturen zur Folge hat und die Zertifizierungszeit verlängert. Bei der Suche nach Lösungen lohnt es sich, nicht nur das Erreichen des gewünschten Ergebnisses, sondern auch die Wirtschaftlichkeit und Effizienz der Lösung zu berücksichtigen. In der vorgestellten Studie hat die BNE-Forschung zunächst ihr Ziel erreicht. Die Verwendung von abgeschirmtem FFC-Band führte zum gewünschten Ergebnis. Diese Methode verursachte jedoch zusätzliche Kosten unter dem Gesichtspunkt der Massenproduktion des gesamten Geräts, so dass sie in die Suche nach einer alternativen Lösung investierten. Die Erkenntnisse aus Tests, die an ähnlichen Geräten durchgeführt wurden, können die Lösung neu auftretender Probleme verbessern. Es lohnt sich auch, diese Art von Forschung bereits in der Prototyping-Phase durchzuführen.

Paul Dominik
Anwendungstechniker, Unisystem Sp. z o.o.
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