Uno de los requisitos previos para obtener la certificación y lanzar un producto al mercado europeo es cumplir con los requisitos de compatibilidad electromagnética. Este texto presenta un estudio de caso de compatibilidad en el ejemplo de un dispositivo para aplicaciones médicas. El dispositivo está equipado con una pantalla TFT y una pantalla táctil capacitiva. Los investigadores realizaron pruebas sobre descargas electrostáticas y emisiones electromagnéticas. Aparecieron dos problemas. El dispositivo se colgaba durante las pruebas ESD y no cumplía con los requisitos de emisión en el rango de medición de 30 MHz a 1 GHz.
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Resistencia a ESD: investigación, resultados, soluciones
El dispositivo probado debe cumplir con los requisitos de la norma de compatibilidad electromagnética PN-EN 61000-4-2. El objetivo era cumplir con el criterio de calificación ‘B’. Las primeras pruebas hicieron que la pantalla TFT se colgara. A veces, el controlador gráfico se reiniciaba automáticamente. Como resultado, el dispositivo seguía funcionando pero sin interfaz gráfica. Reiniciar todo el dispositivo restauró el modo de trabajo normal. El resultado de la prueba descrito obtuvo el criterio de calificación ‘C’. No era suficiente de acuerdo con las pautas del estándar.
Investigaciones posteriores dieron como resultado señalar un punto de medición específico donde la descarga provocó el apagado de la pantalla. El borde cerca de la cinta FFC del panel capacitivo resultó ser un punto crítico. Al principio, los ingenieros buscaban una solución de software, ya que la placa de control principal seguía funcionando a pesar de que la pantalla LCD se apagaba. Para recibir un flujo de trabajo continuo de la pantalla, se utilizó una reinicialización del controlador de la pantalla. Desafortunadamente, esta solución nuevamente fue insuficiente. De acuerdo con la norma PN-EN 61000-4-2, el dispositivo debe ser resistente a la descarga diez veces mayor en un punto de medición. La serie de descargas detuvo por completo el funcionamiento del dispositivo. El problema se resolvió mediante el uso de cinta FFC blindada que conectaba la placa base con el controlador gráfico. Las pruebas realizadas dieron positivo. Sin embargo, el uso de cinta FFC generó algunos problemas adicionales. El equipo de investigación y desarrollo se centró en encontrar un método alternativo.
El aislamiento del área de descarga específica permitió localizar el lugar donde el impulso penetró en el interior del dispositivo. Otras pruebas mostraron que la carga eléctrica se transfería a través de líneas de señal de pantalla táctil. La carcasa tenía un enchufe para la pantalla junto con vidrio protector. Sin embargo, los ingenieros no usaron un material aislante durante el ensamblaje y eso creó un espacio de aire delgado (figura 2). En el mejor de los casos, el aire tiene una tensión de ruptura de 2,8 kV/mm. La norma requería resistencia a descargas al nivel de 8 kV.
| Material | Tensión de ruptura [kV/mm] | Espesor mínimo para 8kV [mm] |
|---|---|---|
| Aire | 1,2-2,8 | 6,7 |
| Vidrio | 7,9 | 1 |
| ABS | 16 | 0,5 |
| Cinta akrílica | 16,7 | 0,47 |
Los investigadores usaron una cinta acrílica para llenar el vacío. Aseguró un aislamiento adecuado y eliminó el problema (figura 3). Otras pruebas demostraron que esta solución era correcta. El dispositivo recibió un criterio de grado ‘A’ y se logró el objetivo. No hubo reinicio ni suspensión del flujo de trabajo del dispositivo durante las pruebas. El aislamiento adecuado endureció el panel de control contra descargas eléctricas en el aire y permitió renunciar al uso de cinta FFC blindada.
Emisión de interferencias: investigación, resultados, soluciones
La investigación sobre las emisiones de EMI se denominó «pruebas de ingeniería». Se llevaron a cabo con el uso de una antena colocada a 3 metros del dispositivo. De acuerdo con el estándar, la distancia debe establecerse en 10 metros. La diferencia entre distancias se compensó elevando el límite de emisión hasta 40 dBμV/m. Este método es una práctica estándar.
El primer paso para resolver problemas con un nivel excesivo de emisión electromagnética fue buscar un circuito que generara las mayores interferencias. Los investigadores realizaron pruebas con periféricos desconectados. Resultó que la principal fuente de emisión era el bloque TFT (figura 1). La Figura 4 muestra el gráfico de emisión del dispositivo con el bloque TFT encendido (color azul) y apagado (color verde).
Después del análisis del diagrama de bloques TFT, los ingenieros señalaron posibles fuentes de interferencias: convertidor de voltaje de retroiluminación LED, líneas de señal RGB y líneas de interfaz SPI para la comunicación entre el bloque TFT y la placa principal. Se realizaron una serie de pruebas con diversas combinaciones de elementos pasivos hasta obtener un resultado satisfactorio. Finalmente, los investigadores implementaron las modificaciones mencionadas a continuación.
Agregaron una serie de bobinas de estrangulamiento en la fuente de alimentación del convertidor LED y en el acoplamiento entre la masa del convertidor y el controlador RGB. Esta acción tenía como objetivo aumentar la supresión de las interferencias causadas por la conmutación interna del convertidor. La disminución de la emisión que resulta de la señal RGB se obtuvo sumando en serie la resistencia en cada RGB y línea de reloj. Los ingenieros también realizaron mejoras en la interfaz de comunicación entre la placa base y el bloque de visualización. Usaron supresores de ferrita en el bus SPI. Las mejoras fueron exitosas. El resultado fue, en el peor de los casos, 3 dBμV/m inferior al límite objetivo (figura 5). Los cambios aplicados permitieron que el dispositivo cumpliera con los requisitos de emisión de interferencias. El resultado satisfactorio fue confirmado por pruebas adicionales en un laboratorio autorizado.
Conclusiones
Si se piensa en lanzar un nuevo dispositivo electrónico en el mercado europeo, la investigación sobre compatibilidad electromagnética es hoy en día imprescindible. El nivel de requisitos de EMC crece si el dispositivo final se va a instalar en entornos exigentes, como sistemas ferroviarios, automatización industrial y aplicaciones médicas. Las pruebas realizadas en laboratorio autorizado suelen ser bastante caras. Los dispositivos probados no siempre cumplen con el estándar, lo que significa que es necesario aplicar correcciones y extiende el tiempo total de certificación. A la hora de encontrar soluciones, vale la pena tener en cuenta no sólo la consecución del resultado deseado, sino también la economía y la eficiencia de la solución.
En el estudio de caso mencionado anteriormente, el uso de cinta FFC blindada dio el resultado requerido. Sin embargo, este método generaba costos adicionales al considerar la producción en masa. Por eso era necesario invertir en soluciones alternativas. El conocimiento obtenido durante las pruebas puede mejorar la resolución de problemas que ocurren en dispositivos similares. También vale la pena recordar que la investigación debe realizarse durante la fase de creación de prototipos.
