Medizinprodukt mit LCD-Display und Touchscreen vs. EMV-Tests – Fallstudie

Eine der Voraussetzungen für die Zertifizierung und die Markteinführung eines Produkts auf dem europäischen Markt ist die Erfüllung der Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit. In diesem Text wird eine Fallstudie zur Verträglichkeit am Beispiel eines Gerätes für medizinische Anwendungen vorgestellt. Das Gerät ist mit einem TFT-Display und einem kapazitiven Touchscreen ausgestattet. Die Forscher führten Tests zur elektrostatischen Entladung und zur elektromagnetischen Emission durch. Es traten zwei Probleme auf. Das Gerät hing sich bei ESD-Tests auf und erfüllte die Emissionsanforderungen im Messbereich von 30 MHz – 1 GHz nicht.

ESD-Beständigkeit – Forschung, Ergebnisse, Lösungen

Das getestete Gerät sollte die Anforderungen der Norm für elektromagnetische Verträglichkeit PN-EN 61000-4-2 erfüllen. Ziel war es, das Kriterium der Note „B“ zu erfüllen. Erste Tests führten dazu, dass sich das TFT-Display aufhängte. Manchmal setzte sich der Grafikcontroller selbst zurück. Infolgedessen lief das Gerät immer noch, aber ohne grafische Oberfläche. Durch den Neustart des gesamten Geräts wurde der reguläre Arbeitsmodus wiederhergestellt. Das beschriebene Testergebnis erhielt die Note „C“. Sie war nach den Richtlinien der Norm nicht ausreichend.

Weitere Recherchen führten dazu, dass auf eine bestimmte Messstelle hingewiesen wurde, an der die Entladung zum Ausschalten des Displays führte. Die Kante im Bereich des FFC-Bandes des kapazitiven Panels erwies sich als kritischer Punkt. Zunächst suchten die Ingenieure nach einer Softwarelösung, da die Hauptsteuerplatine trotz des Ausschaltens des LCD-Displays weiterhin funktionierte. Um einen kontinuierlichen Workflow des Displays zu erhalten, wurde eine Reinitialisierung des Controllers des Displays verwendet. Leider war auch diese Lösung unzureichend. Gemäß der Norm PN-EN 61000-4-2 sollte das Gerät gegen zehnfache Entladung an einem Messpunkt beständig sein. Die Reihe von Entladungen stoppte die Arbeit des Geräts vollständig. Das Problem wurde durch die Verwendung von abgeschirmtem FFC-Band gelöst, das das Motherboard mit dem Grafikcontroller verband. Die durchgeführten Tests waren positiv. Die Verwendung von FFC-Tape führte jedoch zu einigen zusätzlichen Problemen. Das Forschungs- und Entwicklungsteam konzentrierte sich auf die Suche nach einer alternativen Methode.

Die Isolierung des spezifischen Entladungsbereichs ermöglichte es, die Stelle zu lokalisieren, an der der Impuls in das Innere des Geräts eingedrungen ist. Weitere Tests zeigten, dass die Übertragung der elektrischen Ladung über Touchscreen-Signalleitungen erfolgte. Das Gehäuse besaß eine Buchse für das Display samt Schutzglas. Bei der Montage verwendeten die Ingenieure jedoch kein Isoliermaterial, was zu einem dünnen Luftspalt führte (Abbildung 2). Im besten Fall hat die Luft eine Durchbruchspannung von 2,8 kV/mm. Die Norm forderte eine Entladungsbeständigkeit von 8 kV.

Die Forscher verwendeten ein Acrylband, um die Lücke zu füllen. Es sorgte für eine ordnungsgemäße Isolierung und beseitigte das Problem (Abbildung 3). Weitere Tests zeigten, dass diese Lösung richtig war. Das Gerät erhielt das Kriterium der Note „A“ und das Ziel wurde erreicht. Während der Tests gab es kein Zurücksetzen oder Anhalten des Arbeitsablaufs des Geräts. Die richtige Isolierung härtete das Bedienfeld gegen elektrische Entladungen in der Luft ab und ermöglichte es, auf die Verwendung von abgeschirmtem FFC-Band zu verzichten.

Störaussendung – Forschung, Ergebnisse, Lösungen

Bei der Forschung zur EMI-Emission handelte es sich um sogenannte „Ingenieurtests“. Sie wurden mit Hilfe einer Antenne durchgeführt, die in einem Abstand von 3 Metern zum Gerät eingestellt war. Laut Norm sollte der Abstand auf 10 Meter eingestellt werden. Die Differenz zwischen den Abständen wurde durch eine Anhebung des Emissionsgrenzwertes auf bis zu 40 dBμV/m ausgeglichen. Diese Methode ist eine gängige Praxis.

Der erste Schritt zur Lösung von Problemen mit übermäßiger elektromagnetischer Emission bestand darin, eine Schaltung zu suchen, die die größten Interferenzen erzeugt. Die Forscher führten Tests mit nicht angeschlossenen Peripheriegeräten durch. Es stellte sich heraus, dass die Hauptemissionsquelle der TFT-Block war (Abbildung 1). Abbildung 4 zeigt das Emissionsdiagramm des Geräts mit eingeschaltetem (blaue Farbe) und ausgeschaltetem TFT-Block (grüne Farbe).

Nach der Analyse des TFT-Blockdiagramms wiesen die Ingenieure auf mögliche Störquellen hin: Spannungswandler für LED-Hintergrundbeleuchtung, RGB-Signalleitungen und SPI-Interface-Leitungen für die Kommunikation zwischen dem TFT-Block und der Hauptplatine. Es wurde eine Reihe von Tests mit verschiedenen Kombinationen von passiven Elementen durchgeführt, bis ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt wurde. Schließlich setzten die Forscher die unten genannten Modifikationen um.

Sie fügten eine Reihe von Drosselspulen für die Stromversorgung des LED-Konverters und für die Kopplung zwischen der Masse des Wandlers und dem RGB-Controller hinzu. Diese Maßnahme zielte darauf ab, die Unterdrückung von Interferenzen zu erhöhen, die durch internes Schalten des Wandlers verursacht werden. Die Emissionsverringerung, die sich aus dem RGB-Signal ergibt, wurde erreicht, indem der Widerstand auf jeder RGB- und Taktleitung in Reihe geschaltet wurde. Die Ingenieure haben auch Verbesserungen an der Kommunikationsschnittstelle zwischen Motherboard und Displayblock vorgenommen. Sie verwendeten Ferrit-Suppressoren auf dem SPI-Bus. Die Verbesserungen waren erfolgreich. Das Ergebnis lag im schlimmsten Fall 3 dBμV/m unter dem angestrebten Grenzwert (Abbildung 5). Die vorgenommenen Änderungen ermöglichten es dem Gerät, die Anforderungen an die Störemission zu erfüllen. Das zufriedenstellende Ergebnis wurde durch weitere Tests in einem autorisierten Labor bestätigt.

Schlüsse

Wenn man darüber nachdenkt, ein neues elektronisches Gerät auf den europäischen Markt zu bringen, ist die Erforschung der elektromagnetischen Verträglichkeit heutzutage ein Muss. Die EMV-Anforderungen steigen, wenn das Endgerät in anspruchsvollen Umgebungen wie Bahnsystemen, industrieller Automatisierung und medizinischen Anwendungen installiert werden soll. Tests, die in einem autorisierten Labor durchgeführt werden, sind in der Regel recht teuer. Getestete Geräte entsprechen nicht immer der Norm, was bedeutet, dass Korrekturen vorgenommen werden müssen und die Gesamtzertifizierungszeit verlängert wird. Bei der Lösungsfindung lohnt es sich, nicht nur das Erreichen des angestrebten Ergebnisses, sondern auch die Wirtschaftlichkeit und Effizienz der Lösung zu berücksichtigen.

In der oben erwähnten Fallstudie führte die Verwendung von abgeschirmtem FFC-Band zum gewünschten Ergebnis. Diese Methode verursachte jedoch zusätzliche Kosten, wenn man die Massenproduktion in Betracht zieht. Deshalb bestand die Notwendigkeit, in alternative Lösungen zu investieren. Die während der Tests erworbenen Kenntnisse können die Lösung von Problemen verbessern, die bei ähnlichen Geräten auftreten. Es lohnt sich auch, daran zu denken, dass die Forschung während der Prototyping-Phase stattfinden sollte.