Appareils avec écran LCD et écran tactile et tests CEM – Étude de cas

Le respect des exigences de compatibilité électromagnétique est l’une des conditions préalables à la certification et à la mise sur le marché européen des produits. Le texte présente une étude de cas de compatibilité sur l’exemple d’un appareil équipé d’un écran TFT avec un écran tactile capacitif (pour une application médicale). La compatibilité électromagnétique affecte directement le fonctionnement correct et fiable de l’appareil final. Les recherches ont porté sur deux axes : la résistance du dispositif aux perturbations extérieures et à l’émission de perturbations. Deux problèmes se sont posés au cours de la recherche décrite. L’appareil s’est écrasé lors d’essais de décharge électrostatique (ESD) et n’a pas satisfait aux exigences en matière d’interférences électromagnétiques (EMI) dans la plage de mesure de 30 MHz à 1 GHz.

Résistance aux décharges électrostatiques – étude, résultats, solutions

L’appareil testé doit répondre aux exigences de la norme PN-EN 61000-4-2 en matière de compatibilité électromagnétique. L’objectif était de répondre au critère de la note « B ». Les premières tentatives de test ont provoqué le blocage de l’écran TFT. Dans certains cas, le contrôleur graphique se réinitialisait de lui-même, ce qui faisait que l’appareil continuait à fonctionner sans interface graphique. Seul le redémarrage de l’ensemble de l’appareil rétablirait le fonctionnement normal. Le résultat de l’essai décrit correspondait au critère de catégorie C et n’était donc pas suffisant pour obtenir la certification souhaitée.

Lors d’autres tests, il a été possible d’indiquer un point de mesure spécifique où la décharge a provoqué l’extinction de l’écran. Le bord près de la bande FFC du panneau capacitif s’est avéré être un endroit critique. Au départ, une solution logicielle a été recherchée, car la carte de commande principale continuait à fonctionner malgré l’extinction de l’écran LCD. L’initialisation cyclique du contrôleur d’affichage et de l’écran tactile est adoptée pour assurer une séquence de fonctionnement ininterrompue. Malheureusement, cette solution s’est avérée insuffisante. Selon la norme PN-EN 61000-4-2, l’appareil doit être résistant à une décharge dix fois supérieure en un point de mesure. Une série de décharges a fait que l’appareil a complètement cessé de fonctionner. La solution au problème s’est avérée être l’utilisation d’une bande FFC blindée reliant la carte mère au contrôleur graphique. Les tests effectués dans cette configuration ont été concluants, mais l’utilisation de la bande a généré plusieurs difficultés supplémentaires. La solution s’est avérée insuffisante, l’accent a donc été mis sur la recherche d’une méthode alternative.

En isolant une zone de décharge spécifique, il a été possible de localiser l’endroit où l’impulsion a pénétré dans l’appareil. D’autres tests ont montré que la charge se déplace le long des lignes de l’écran tactile. Le boîtier contenait une baie d’affichage avec verre de protection. Cependant, aucun matériau isolant n’a été utilisé lors de l’installation, ce qui a créé un mince espace d’air. (Figure 2) Au mieux, l’air a une tension de claquage de 2,8 kV par mm. Pour obtenir la certification, il était nécessaire d’atteindre une immunité aux décharges au niveau de 8 kV.

Pour assurer une bonne isolation et éliminer complètement l’espace, du ruban acrylique a été utilisé pour remplir la cavité (figure 3). Un certain nombre de tests ultérieurs ont montré l’exactitude de la solution. L’appareil a obtenu le critère de classification « A ». L’objectif a été atteint. Il n’y a pas eu de réinitialisation ou de pause de l’appareil sur toute la plage de test. Assurer une bonne isolation a rendu le panneau de commande résistant aux décharges se produisant dans l’air et a permis de renoncer à l’utilisation de ruban FFC blindé.

Émission d’interférences électromagnétiques – recherche, résultats, solutions

Les recherches menées dans le domaine des émissions d’interférences électromagnétiques étaient de la nature d’essais d’ingénierie. Ils ont été réalisés à l’aide d’une antenne placée à une distance de 3 m de l’appareil. Selon les dispositions de la norme, cette distance est fixée à 10 m. Les différences de distance ont été compensées par l’augmentation de la limite d’émission à 40 dB. Cette méthode est une pratique courante.

La première étape de la résolution des problèmes de niveaux excessifs d’émissions électromagnétiques a consisté à rechercher le circuit qui générait le plus d’interférences. À cette fin, des tests ont été effectués avec les périphériques déconnectés. Il s’est avéré que la principale source d’émission était le bloc TFT (voir Figure 1). La figure 4 montre le graphique des émissions d’un appareil avec le bloc TFT activé (bleu) et déconnecté (vert).

Après analyse du schéma fonctionnel TFT, le convertisseur de tension de rétroéclairage LED, les lignes de signal RVB et les lignes d’interface SPI utilisées pour la communication entre le bloc TFT et la carte mère ont été indiqués comme une source possible d’interférence. Une série d’essais a été effectuée avec différentes combinaisons de composants passifs jusqu’à l’obtention d’un résultat satisfaisant. Finalement, plusieurs modifications ont été apportées à l’appareil.

Une bobine d’étranglement a été ajoutée sur l’alimentation du convertisseur LED lui-même et sur le couplage de masse du circuit du convertisseur et la masse du pilote RGB. Cette modification visait à augmenter la suppression des perturbations causées par la clé de disque. La réduction des émissions résultant du signal RVB est obtenue en ajoutant une série de résistances sur chaque ligne RVB et ligne d’horloge. Des améliorations ont également été apportées à l’interface de communication entre la carte mère et l’écran et le contrôleur de l’écran tactile. Les ferrites étaient utilisées comme manettes sur le bus d’interface SPI. Les améliorations décrites ci-dessus ont donné un résultat qui, dans le pire des cas, était inférieur de 3 dB à la limite présumée (figure 5).

Les modifications appliquées ont permis à l’appareil de répondre enfin aux exigences CEM en matière d’émission d’interférences électromagnétiques, ce qui a été confirmé par des tests ultérieurs dans un organisme accrédité.

Applications

Les tests de compatibilité électromagnétique sont aujourd’hui une condition indispensable pour l’introduction de nouveaux appareils électroniques sur le marché européen. Le niveau d’exigence pour les indicateurs obtenus augmente si le dispositif final doit être installé dans des conditions exigeantes, par exemple dans des trains, l’automatisation industrielle ou, comme dans le cas du module cité dans l’article – dans une application médicale. Les tests effectués dans un laboratoire certifié sont généralement assez coûteux. L’appareil testé ne répond pas toujours aux normes, ce qui entraîne la nécessité de corrections et prolonge le temps de certification. Lors de la recherche de solutions, il convient de tenir compte non seulement de l’obtention du résultat souhaité, mais aussi de la rentabilité et de l’efficacité de la solution. Dans l’étude présentée, la recherche sur l’EDD a initialement atteint son objectif. L’utilisation de ruban FFC blindé a donné le résultat requis. Cependant, cette méthode a généré des coûts supplémentaires du point de vue de la production en série de l’ensemble de l’appareil, ils ont donc investi dans la recherche d’une solution alternative. Les connaissances issues des tests effectués sur des appareils similaires peuvent améliorer la résolution de problèmes émergents. Il est également intéressant de mener ce type de recherche dès la phase de prototypage.