Urządzenie z wyświetlaczem LCD i Panelem dotykowym, a testy EMC – Studium przypadku

Spełnienie wymagań kompatybilności elektromagnetycznej jest jednym z warunków koniecznych przy certyfikacji i wprowadzaniu produktów na rynek europejski. Tekst przedstawia studium przypadku kompatybilności na przykładzie urządzenia wyposażonego w wyświetlacz TFT z pojemnościowym panelem dotykowym (do aplikacji medycznej). Kompatybilność elektromagnetyczna bezpośrednio wpływa na poprawność i niezawodność działania urządzenia końcowego. Badania przeprowadzono w ramach dwóch obszarów: odporności urządzenia na zaburzenia zewnętrzne oraz na emisję zaburzeń. W trakcie opisywanych badań pojawiły się dwa problemy. Urządzenie zawieszało się w trakcie testów odporności na wyładowania elektrostatyczne (ang. electrostatic discharge, ESD) oraz nie spełniało wymogów emisji zaburzeń (ang. electromagnetic interference, EMI) w zakresie pomiarowym wynoszącym 30MHz – 1GHz.

Odporność na wyładowania elektrostatyczne – badanie, wyniki, rozwiązania

Badane urządzenie powinno spełniać wymagania normy dotyczącej kompatybilności elektromagnetycznej PN-EN 61000-4-2. Celem było spełnienie kryterium oceny „B”. Pierwsze próby testowe spowodowały zawieszanie się wyświetlacza TFT. Zdarzało się, że kontroler graficzny ulegał samoczynnemu resetowaniu, w wyniku czego urządzenie działało dalej bez interfejsu graficznego. Dopiero ponowne uruchomienie całego urządzenia przywracało normalny tryb pracy. Opisany wynik badania mieścił się w kryterium oceny C, a więc nie był wystarczający do uzyskania pożądanej certyfikacji.

Podczas dalszych prób udało się wskazać konkretny punkt pomiarowy, w którym wyładowanie powodowało wyłączenie wyświetlacza. Newralgicznym miejscem okazała się krawędź w okolicach taśmy FFC panelu pojemnościowego. Początkowo szukano rozwiązania software’owego, ponieważ główna płyta kontrolna kontynuowała pracę pomimo wyłączenia się wyświetlacza LCD. Zastosowano cykliczną inicjalizację kontrolera wyświetlacza i panelu dotykowego, aby zapewnić nieprzerwany ciąg pracy. Niestety takie rozwiązanie okazało się niewystarczające. Według normy PN-EN 61000-4-2 urządzenie powinno być odporne na dziesięciokrotne wyładowanie w jednym punkcie pomiarowym. Seria wyładowań powodowała całkowite zatrzymanie pracy urządzenia. Rozwiązaniem problemu okazało się wykorzystanie ekranowanej taśmy FFC łączącej płytę główną z kontrolerem graficznym. Testy przeprowadzone w takiej konfiguracji przebiegły pomyślnie, jednak zastosowanie taśmy wygenerowało kilka dodatkowych trudności. Rozwiązanie okazało się niewystarczające, tak więc skupiono się na poszukiwaniu alternatywnej metody.

Wyodrębnienie konkretnego obszaru wyładowania pozwoliło zlokalizować miejsce, w którym impuls przebijał się do wnętrza urządzenia. Dalsze testy wykazały, że ładunek przenosi się po liniach z panelu dotykowego. W obudowie znajdowała się wnęka na wyświetlacz razem ze szkłem ochronnym. Podczas montażu nie zastosowano jednak materiału izolującego, przez co utworzyła się cienka szczelina powietrzna. (rysunek 2) Powietrze w najlepszym wypadku posiada napięcie przebicia 2,8 kV na każdy mm. Do uzyskania certyfikacji wymagane było osiągnięcie odporności na wyładowania na poziomie 8 kV.

Aby zapewnić właściwą izolację oraz całkowicie wyeliminować przerwę, zastosowano taśmę akrylową jako wypełnienie wnęki (rysunek 3). Szereg kolejnych testów pokazał słuszność rozwiązania. Urządzenie uzyskało kryterium oceny „A”. Cel został osiągnięty. Nie wystąpił reset ani wstrzymanie działania urządzenia przez cały zakres badania. Zapewnienie właściwej izolacji uodporniło panel sterujący na wyładowania występujące w powietrzu oraz pozwoliło zrezygnować z zastosowania ekranowanej taśmy FFC.

Emisja zakłóceń elektromagnetycznych – badanie, wyniki, rozwiązania

Badania prowadzone w zakresie emisji zakłóceń elektromagnetycznych miały charakter testów inżynierskich. Przeprowadzono je przy użyciu anteny ustawionej w odległości 3 m od urządzenia. Zgodnie z zapisami normy, odległość ta jest wyznaczona na 10 m. Różnice w odległości zrekompensowano poprzez podniesienie granicę emisji do 40 dB. Taka metoda jest powszechnie stosowaną praktyką.

Pierwszym etapem rozwiązywania problemów z nadmiernym poziomem emisji elektromagnetycznej, było poszukiwanie obwodu generującego największe zakłócenia. W tym celu przeprowadzono testy z odłączonymi peryferiami. Okazało się, że głównym źródłem emisji był blok TFT (patrz: rysunek 1). Na rysunku 4 przedstawiono wykres emisji urządzenia z włączonym (kolor niebieski) i odłączonym blokiem TFT (kolor zielony).

Po analizie schematu bloku TFT, jako możliwe źródło zakłóceń wskazano przetwornicę napięcia podświetlenia LED, linie sygnału RGB oraz linie interfejsu SPI służące do komunikacji między blokiem TFT, a główna płytą. Przeprowadzono serię testów z różnymi kombinacjami elementów pasywnych, aż do uzyskania zadowalającego wyniku. Ostatecznie wprowadzono kilka modyfikacji do urządzenia.

Dodano cewkę dławiącą na samym zasilaniu przetwornicy LED oraz na sprzężeniu masy obwodu przetwornicy i masy sterownika RGB. Zmiana ta miała na celu zwiększenie tłumienia zaburzeń powodowanych przez kluczowanie przetwornicy. Ograniczenie emisji wynikającej z sygnału RGB, uzyskano poprzez dodanie szeregu rezystorów na każdej linii RGB oraz linii zegara. Wprowadzono również poprawki do interfejsu komunikacyjnego pomiędzy płytą główną, a kontrolerem wyświetlacza i panelu dotykowego. Użyto ferrytów jako elementów dławiących na szynie interfejsu SPI. Opisane wyżej usprawnienia dały wynik, który w najgorszym przypadku miał poziom o 3 dB niższy niż założony limit (rysunek 5).

Zastosowane zmiany spowodowały, że urządzenie finalnie spełniło wymagania EMC z zakresu emisji zakłóceń elektromagnetycznych, co potwierdzono późniejszymi badaniami w akredytowanej jednostce.

Wnioski

Badania kompatybilności elektromagnetycznej są dzisiaj nieodzownym wymogiem przy wprowadzaniu nowych urządzeń elektronicznych na rynek europejski. Poziom wymagań odnośnie uzyskiwanych wskaźników rośnie, jeżeli urządzenie końcowe ma być docelowo zamontowane w wymagających warunkach, np. w pociągach, automatyce przemysłowej, czy jak w przypadku przytoczonego w artykule modułu – w aplikacji medycznej. Badania prowadzone w certyfikowanym laboratorium są zazwyczaj dość kosztowne. Testowane urządzenie nie zawsze spełnia nomy, co powoduje konieczność wprowadzenia poprawek oraz wydłuża czas certyfikacji. Podczas znajdywania rozwiązań warto mieć na uwadze nie tylko samo osiągnięcie pożądanego wyniku, ale również ekonomiczność i wydajność rozwiązania. W przedstawionym studium, podczas badań ESD początkowo osiągnięto cel. Wykorzystanie ekranowanej taśmy FFC dało wymagany rezultat. Jednak metoda ta z punktu widzenia produkcji masowej całego urządzenia generowała dodatkowe koszty, dlatego też zainwestowano w znalezienie alternatywnego rozwiązania. Wiedza płynąca z przeprowadzonych na podobnych urządzeniach testów może wpłynąć na usprawnienie rozwiązywania pojawiających się problemów. Warto również przeprowadzać tego typu badania już w fazie prototypowania.

Paweł Dominik
Inżynier aplikacyjny, Unisystem Sp. z o.o.
[email protected]