L’une des conditions préalables à l’obtention de la certification et au lancement d’un produit sur le marché européen est de répondre aux exigences de compatibilité électromagnétique. Ce texte présente une étude de cas de compatibilité sur l’exemple d’un dispositif pour des applications médicales. L’appareil est équipé d’un écran TFT et d’un écran tactile capacitif. Les chercheurs ont effectué des tests sur les décharges électrostatiques et les émissions électromagnétiques. Deux problèmes sont apparus. L’appareil se bloquait pendant les tests ESD et il ne répondait pas aux exigences d’émission dans la plage de mesure de 30 MHz à 1 GHz.
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Résistance aux décharges électrostatiques – recherche, résultats, solutions
L’appareil testé doit répondre aux exigences de compatibilité électromagnétique de la norme PN-EN 61000-4-2. L’objectif était de répondre au critère de la note « B ». Les premiers tests ont provoqué le décrochage de l’écran TFT. Parfois, le contrôleur graphique se réinitialisait automatiquement. En conséquence, l’appareil fonctionnait toujours mais sans interface graphique. Le redémarrage de l’ensemble de l’appareil a rétabli le mode de travail normal. Le résultat du test décrit a obtenu le critère de note « C ». Ce n’était pas suffisant selon les directives de la norme.
Des recherches plus approfondies ont permis de mettre en évidence un point de mesure spécifique où la décharge provoquait l’extinction de l’écran. Le bord près de la bande FFC du panneau capacitif s’est avéré être un point critique. Au début, les ingénieurs étaient à la recherche d’une solution logicielle car la carte de contrôle principale continuait de fonctionner malgré l’écran LCD éteint. Pour recevoir un flux de travail continu de l’affichage, il a été utilisé une réinitialisation du contrôleur de l’écran. Malheureusement, cette solution s’est avérée une fois de plus insuffisante. Selon la norme PN-EN 61000-4-2, l’appareil doit être résistant à une décharge décuplée en un seul point de mesure. La série de décharges a complètement arrêté le fonctionnement de l’appareil. Le problème a été résolu en utilisant une bande FFC blindée qui reliait la carte mère au contrôleur graphique. Les tests effectués à l’extérieur étaient positifs. Cependant, l’utilisation de bandes FFC a généré quelques problèmes supplémentaires. L’équipe de R&D s’est concentrée sur la recherche d’une méthode alternative.
L’isolement d’une zone de décharge spécifique a permis de localiser l’endroit où l’impulsion a pénétré à l’intérieur de l’appareil. D’autres tests ont montré que la charge électrique était transférée via des lignes de signal à écran tactile. Le boîtier avait une douille pour l’écran ainsi qu’un verre de protection. Cependant, les ingénieurs n’ont pas utilisé de matériau isolant lors de l’assemblage, ce qui a créé un mince espace d’air (figure 2). Au mieux, l’air a une tension de claquage de 2,8 kV/mm. La norme exigeait une résistance aux décharges au niveau de 8 kV.
| Matériel | Tension de claquage [kV/mm] | Épaisseur minimale pour 8kV [mm] |
|---|---|---|
| Air | 1,2-2,8 | 6,7 |
| Verre | 7,9 | 1 |
| ABS | 16 | 0,5 |
| Ruban akrylique | 16,7 | 0,47 |
Les chercheurs ont utilisé un ruban acrylique pour combler le vide. Il a permis d’assurer une bonne isolation et d’éliminer le problème (figure 3). D’autres tests ont montré que cette solution était la bonne. L’appareil a reçu un critère de degré « A » et l’objectif a été atteint. Il n’y a pas eu de réinitialisation ou de suspension du flux de travail de l’appareil pendant les tests. Une isolation appropriée a renforcé le panneau de commande contre les décharges électriques en suspension dans l’air et a permis de renoncer à l’utilisation de ruban FFC blindé.
Émission d’interférences – recherche, résultats, solutions
La recherche sur l’émission d’interférences électromagnétiques était appelée des « tests d’ingénieurs ». Ils ont été réalisés à l’aide d’une antenne placée à 3 mètres de l’appareil. Selon la norme, la distance doit être fixée à 10 mètres. La différence entre les distances a été compensée par l’augmentation de la limite d’émission à 40 dBμV/m. Cette méthode est une pratique courante.
La première étape pour résoudre les problèmes de niveau excessif d’émission électromagnétique a été de rechercher un circuit générant les plus grandes interférences. Les chercheurs ont effectué des tests avec des périphériques déconnectés. Il s’est avéré que la principale source d’émission était le bloc TFT (figure 1). La figure 4 montre le graphique d’émission de l’appareil avec le bloc TFT activé (couleur bleue) et désactivé (couleur verte).
Après l’analyse du schéma fonctionnel TFT, les ingénieurs ont mis en évidence les sources possibles d’interférences : convertisseur de tension de rétroéclairage LED, lignes de signal RVB et lignes d’interface SPI pour la communication entre le bloc TFT et la carte mère. Une série d’essais a été menée avec diverses combinaisons d’éléments passifs jusqu’à l’obtention d’un résultat satisfaisant. Enfin, les chercheurs ont mis en œuvre les modifications mentionnées ci-dessous.
Ils ont ajouté une série de bobines d’arrêt sur l’alimentation du convertisseur LED et sur le couplage entre la masse du convertisseur et le contrôleur RGB. Cette action visait à augmenter la suppression des interférences causées par la commutation interne du convertisseur. La diminution d’émission résultant du signal RVB a été obtenue en ajoutant en série la résistance sur chaque ligne RVB et d’horloge. Les ingénieurs ont également apporté des améliorations à l’interface de communication entre la carte mère et le bloc d’affichage. Ils ont utilisé des suppresseurs de ferrite sur le bus SPI. Les améliorations ont été couronnées de succès. Le résultat a été, dans le pire des cas, inférieur de 3 dBμV/m à la limite visée (figure 5). Les modifications appliquées ont permis au dispositif de répondre aux exigences d’émission d’interférences. Le résultat satisfaisant a été confirmé par d’autres tests dans un laboratoire autorisé.
Conclusions
Si l’on envisage de lancer un nouvel appareil électronique sur le marché européen, la recherche sur la compatibilité électromagnétique est aujourd’hui indispensable. Le niveau des exigences CEM augmente si l’appareil final doit être installé dans des environnements exigeants, tels que les systèmes ferroviaires, l’automatisation industrielle et les applications médicales. Les tests effectués dans un laboratoire agréé sont généralement assez coûteux. Les appareils testés ne répondent pas toujours à la norme, ce qui signifie qu’il est nécessaire d’appliquer des corrections et d’allonger le temps global de certification. Lors de la recherche de solutions, il convient de tenir compte non seulement de l’atteinte du résultat visé, mais aussi de l’économie et de l’efficacité de la solution.
Dans l’étude de cas mentionnée ci-dessus, l’utilisation de ruban FFC blindé a donné le résultat requis. Cependant, cette méthode générait des coûts supplémentaires lorsque l’on envisageait la production de masse. C’est pourquoi il était nécessaire d’investir dans une solution alternative. Les connaissances acquises au cours des tests peuvent améliorer la résolution de problèmes survenant dans des appareils similaires. Il convient également de rappeler que la recherche doit avoir lieu pendant la phase de prototypage.
