Dispositivo con pantalla LCD y panel táctil y pruebas CEM – Estudio de caso

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Cumplir los requisitos de compatibilidad electromagnética es uno de los requisitos previos para la certificación y la comercialización de productos en el mercado europeo. El texto presenta un caso práctico de compatibilidad utilizando el ejemplo de un dispositivo equipado con una pantalla TFT con panel táctil capacitivo (para una aplicación médica). La compatibilidad electromagnética afecta directamente a la corrección y fiabilidad del funcionamiento del dispositivo final. La investigación se llevó a cabo en dos ámbitos: la inmunidad del dispositivo a las perturbaciones externas y a las emisiones perturbadoras. En el transcurso de la investigación descrita surgieron dos problemas. El dispositivo falló durante las pruebas de inmunidad a las descargas electrostáticas (ESD) y no cumplió los requisitos de emisión de interferencias electromagnéticas (EMI) en el rango de medición de 30MHz – 1GHz.

Figura 1. Diagrama de bloques del dispositivo sometido a prueba

Resistencia a las descargas electrostáticas: pruebas, resultados, soluciones

El dispositivo sometido a prueba debe cumplir los requisitos de la norma CEM EN 61000-4-2. El objetivo era cumplir el criterio de evaluación «B». En las primeras pruebas se colgó la pantalla TFT. Ocasionalmente, el controlador de gráficos se reiniciaba a sí mismo, lo que provocaba que el dispositivo siguiera funcionando sin interfaz gráfica. Sólo el reinicio de toda la unidad restableció el funcionamiento normal. El resultado de la prueba descrito entraba dentro del criterio de evaluación C y, por lo tanto, no era suficiente para obtener la certificación deseada.

Las pruebas posteriores permitieron determinar un punto de medición específico en el que la descarga provocaba la desconexión de la pantalla. La zona crítica resultó ser el borde cercano a la tira FFC del panel capacitivo. Inicialmente, se buscó una solución de software, ya que la placa de control principal seguía funcionando a pesar de que la pantalla LCD se apagaba. La inicialización cíclica del controlador de la pantalla y del panel táctil se utilizó para garantizar una secuencia ininterrumpida de funcionamiento. Por desgracia, esta solución ha resultado insuficiente. Según la norma EN 61000-4-2, el dispositivo debe ser capaz de soportar una descarga de diez veces en un solo punto de medición. Una serie de descargas paralizaron por completo la unidad. La solución al problema parecía ser el uso de una cinta FFC blindada que conectaba la placa base al controlador gráfico. Las pruebas realizadas con esta configuración fueron un éxito, pero el uso de la cinta generó varias dificultades adicionales. La solución resultó insuficiente, por lo que la atención se centró en encontrar un método alternativo.

Figura 2. Sección transversal cerca de la tira FFC del panel capacitivo en la versión original del dispositivo

Aislando una zona específica de la descarga, fue posible localizar dónde había penetrado el pulso. Otras pruebas demostraron que la carga se desplaza a lo largo de las líneas del panel táctil. La carcasa contenía un hueco para la pantalla junto con un cristal protector. Sin embargo, no se utilizó ningún material aislante durante la instalación, lo que dio lugar a una delgada cámara de aire. (Figura 2) En el mejor de los casos, el aire tiene una tensión de ruptura de 2,8 kV por mm. Para obtener la certificación, se requería una resistencia a la descarga de 8 kV.

MaterialTensión de ruptura [kV/mm]Espesor mínimo para 8kV [mm]
Aire1,2-2,86,7
Vidrio7,91
ABS160,5
Cinta acrílica16,70,47
Cuadro 1. Ejemplos de valores de tensión de ruptura

Para garantizar un aislamiento adecuado y eliminar por completo el hueco, se utilizó cinta acrílica como relleno de la cavidad (figura 3). Una serie de pruebas posteriores demostró la validez de la solución. El dispositivo obtuvo el criterio de evaluación «A». El objetivo se ha alcanzado. El dispositivo no se reinició ni se detuvo durante toda la prueba. Garantizar un aislamiento adecuado hizo que el panel de control fuera inmune a las descargas que se producen en el aire y permitió prescindir del uso de cinta FFC apantallada.

Figura 3. Sección transversal cerca del FFC del panel capacitivo en la versión con cinta acrílica añadida
Figura 4. Diagrama de nivel de emisión electromagnética de un módulo que incluye una pantalla TFT y un panel táctil capacitivo con el bloque TFT encendido (azul) y apagado (verde).

Emisiones de interferencias electromagnéticas – investigaciones, resultados, soluciones

La investigación realizada sobre las emisiones de interferencias electromagnéticas se llevó a cabo en forma de pruebas de ingeniería. Para ello se utilizó una antena situada a una distancia de 3 m del aparato. Según las disposiciones de la norma, esta distancia se fija en 10 m. Las diferencias de distancia se compensaron elevando el límite de emisión a 40 dB. Este método es una práctica habitual.

El primer paso para hacer frente a las emisiones electromagnéticas excesivas era buscar el circuito que generaba más interferencias. Para ello, se realizaron pruebas con los periféricos desconectados. Resultó que la principal fuente de emisiones era el bloque TFT (véase la figura 1). La figura 4 muestra un gráfico de las emisiones del dispositivo con el bloque TFT encendido (azul) y apagado (verde).

Tras analizar el esquema del bloque TFT, se identificaron como posibles fuentes de interferencias el convertidor de tensión de la retroiluminación LED, las líneas de señal RGB y las líneas de interfaz SPI para la comunicación entre el bloque TFT y la placa base. Se realizaron una serie de pruebas con distintas combinaciones de elementos pasivos hasta obtener un resultado satisfactorio. Con el tiempo, se introdujeron varias modificaciones en el dispositivo.

Se añadió una bobina de choque en la propia alimentación del inversor LED y en el acoplamiento a masa del circuito inversor y la masa del controlador RGB. Con este cambio se pretendía aumentar la supresión de las perturbaciones causadas por la codificación del inversor. La limitación de la emisión resultante de la señal RGB, se consiguió añadiendo una serie de resistencias en cada línea RGB y en la línea de reloj. También se han introducido mejoras en la interfaz de comunicación entre la placa base y la pantalla y el controlador del panel táctil. Se utilizaron ferritas como elementos de choque en el bus de interfaz SPI. Las mejoras descritas anteriormente produjeron un resultado que, en el peor de los casos, tenía un nivel 3 dB por debajo del límite objetivo (Figura 5).

Figura 5. Gráfico y tabla de la Medición 3, método de medición de cuasicresta

Gracias a los cambios aplicados, el dispositivo cumplía por fin los requisitos de CEM en materia de emisiones de interferencias electromagnéticas, lo que se confirmó mediante pruebas posteriores en un organismo acreditado.

Conclusiones

Las pruebas de CEM son hoy un requisito indispensable para la introducción de nuevos dispositivos electrónicos en el mercado europeo. El nivel de requisitos de rendimiento aumenta si el dispositivo final va a instalarse finalmente en entornos exigentes, como trenes, automatización industrial o, como en el caso del módulo citado en el artículo, en una aplicación médica. Las pruebas en un laboratorio certificado suelen ser bastante caras. El dispositivo sometido a prueba no siempre cumple los nomos, lo que obliga a realizar correcciones y aumenta el tiempo de certificación. A la hora de buscar soluciones, conviene tener en cuenta no sólo la consecución del resultado deseado en sí, sino también la rentabilidad y eficacia de la solución. En el estudio que aquí se presenta, durante el estudio de la EDS se alcanzó inicialmente el objetivo. El uso de cinta FFC apantallada produjo el resultado requerido. Sin embargo, este método, desde el punto de vista de la producción en serie de todo el dispositivo, generaba costes adicionales, por lo que se invirtió en encontrar una solución alternativa. El conocimiento de las pruebas realizadas en equipos similares puede mejorar la resolución de los problemas que surjan. También es útil llevar a cabo este tipo de investigación ya en la fase de creación de prototipos.

Paul Dominik
Ingeniero de aplicaciones, Unisystem Sp. z o.o.
[email protected]

2018-03-20

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