Jednym z warunków koniecznych do uzyskania certyfikacji i wprowadzenia produktu na rynek europejski jest spełnienie wymagań kompatybilności elektromagnetycznej. W tekście przedstawiono case study kompatybilności na przykładzie urządzenia do zastosowań medycznych. Urządzenie wyposażone jest w wyświetlacz TFT oraz pojemnościowy ekran dotykowy. Naukowcy przeprowadzili badania nad wyładowaniami elektrostatycznymi i emisją elektromagnetyczną. Pojawiły się dwa problemy. Urządzenie zawieszało się podczas testów ESD i nie spełniało wymagań emisyjnych w zakresie pomiarowym 30 MHz – 1 GHz.
Odporność na wyładowania elektrostatyczne – badania, wyniki, rozwiązania
Badane urządzenie powinno spełniać wymagania normy kompatybilności elektromagnetycznej PN-EN 61000-4-2. Celem było spełnienie kryterium oceny „B”. Pierwsze testy spowodowały zawieszanie się wyświetlacza TFT. Czasami kontroler graficzny resetował się samoczynnie. W rezultacie urządzenie nadal działało, ale bez interfejsu graficznego. Ponowne uruchomienie całego urządzenia przywróciło normalny tryb pracy. Opisany wynik testu uzyskał ocenę „C”. Nie było to wystarczające zgodnie z wytycznymi normy.
Dalsze badania zaowocowały wskazaniem konkretnego punktu pomiarowego, w którym wyładowanie powodowało wyłączenie wyświetlacza. Punktem krytycznym okazała się krawędź w pobliżu taśmy FFC panelu pojemnościowego. Początkowo inżynierowie szukali rozwiązania programowego, ponieważ główna płyta sterująca nadal działała pomimo wyłączenia wyświetlacza LCD. Aby uzyskać ciągły przepływ pracy wyświetlacza, zastosowano ponowną inicjalizację kontrolera wyświetlacza. Niestety, to rozwiązanie ponownie okazało się niewystarczające. Zgodnie z normą PN-EN 61000-4-2 urządzenie powinno być odporne na dziesięciokrotne rozładowanie w jednym punkcie pomiarowym. Seria wyładowań całkowicie zatrzymała pracę urządzenia. Problem został rozwiązany poprzez zastosowanie ekranowanej taśmy FFC, która łączyła płytę główną z kontrolerem graficznym. Przeprowadzone testy dały wynik pozytywny. Użycie taśmy FFC generowało jednak pewne dodatkowe problemy. Zespół badawczo-rozwojowy skupił się na znalezieniu alternatywnej metody.
Izolacja określonego obszaru wyładowania pozwoliła na zlokalizowanie miejsca, w którym impuls przeniknął do wnętrza urządzenia. Dalsze testy wykazały, że ładunek elektryczny był przenoszony za pomocą linii sygnałowych ekranu dotykowego. W obudowie umieszczono gniazdo na wyświetlacz wraz ze szkłem ochronnym. Jednak inżynierowie nie użyli materiału izolacyjnego podczas montażu, co stworzyło cienką szczelinę powietrzną (rysunek 2). W najlepszym przypadku powietrze ma napięcie przebicia 2,8 kV/mm. Norma wymagała odporności na wyładowania na poziomie 8 kV.
| Materiał | Napięcie przebicia [kV/mm] | Minimalna grubość dla 8kV [mm] |
|---|---|---|
| Powietrze | 1,2-2,8 | 6,7 |
| Szkło | 7,9 | 1 |
| ABS | 16 | 0,5 |
| Taśma akrylowa | 16,7 | 0,47 |
Naukowcy użyli taśmy akrylowej, aby wypełnić tę lukę. Zapewniło to odpowiednią izolację i wyeliminowało problem (rysunek 3). Dalsze testy wykazały, że to rozwiązanie było słuszne. Urządzenie otrzymało kryterium stopnia „A” i cel został osiągnięty. Podczas testów nie było resetowania ani zawieszenia przepływu pracy urządzenia. Właściwa izolacja utwardziła centralę przed unoszącymi się w powietrzu wyładowaniami elektrycznymi i pozwoliła zrezygnować z używania ekranowanej taśmy FFC.
Emisja zakłóceń – badania, wyniki, rozwiązania
Badania nad emisją zakłóceń elektromagnetycznych były tzw. „testami inżynierskimi”. Przeprowadzono je za pomocą anteny umieszczonej w odległości 3 metrów od urządzenia. Zgodnie z normą odległość powinna być ustalona na 10 metrów. Różnica między odległościami została zniwelowana poprzez podniesienie limitu emisji do 40 dBμV/m. Ta metoda jest standardową praktyką.
Pierwszym krokiem w rozwiązywaniu problemów z nadmiernym poziomem emisji elektromagnetycznej było wyszukanie obwodu generującego największe zakłócenia. Naukowcy przeprowadzili testy z odłączonymi urządzeniami peryferyjnymi. Okazało się, że głównym źródłem emisji był blok TFT (rys. 1). Rysunek 4 przedstawia wykres emisji urządzenia z włączonym (kolor niebieski) i wyłączonym blokiem TFT (kolor zielony).
Po analizie schematu blokowego TFT inżynierowie wskazali możliwe źródła zakłóceń: przetwornicę napięcia podświetlenia LED, linie sygnałowe RGB oraz linie interfejsu SPI do komunikacji między blokiem TFT a płytą główną. Przeprowadzono szereg testów z różnymi kombinacjami elementów pasywnych, aż do uzyskania zadowalającego wyniku. Na koniec badacze wprowadzili niżej wymienione modyfikacje.
Dodali szeregowe cewki dławikowe na zasilaniu przetwornicy LED oraz na sprzężeniu masy przetwornicy ze sterownikiem RGB. Działanie to miało na celu zwiększenie tłumienia zakłóceń spowodowanych wewnętrznym przełączaniem przekształtnika. Spadek emisji, który wynika z sygnału RGB, uzyskano poprzez szeregowe dodanie rezystancji na każdej linii RGB i zegara. Inżynierowie wprowadzili również ulepszenia w interfejsie komunikacyjnym między płytą główną a blokiem wyświetlacza. Używali tłumików ferrytowych w magistrali SPI. Ulepszenia zakończyły się sukcesem. W najgorszym przypadku wynik był o 3 dBμV/m niższy od docelowej wartości granicznej (rysunek 5). Zastosowane zmiany pozwoliły na spełnienie wymagań w zakresie emisji zakłóceń. Zadowalający wynik został potwierdzony dalszymi badaniami w autoryzowanym laboratorium.
Wnioski
Jeśli ktoś myśli o wprowadzeniu nowego urządzenia elektronicznego na rynek europejski, badania nad kompatybilnością elektromagnetyczną są w dzisiejszych czasach koniecznością. Poziom wymagań EMC rośnie, jeśli urządzenie końcowe ma być instalowane w wymagającym środowisku, takim jak systemy kolejowe, automatyka przemysłowa i aplikacje medyczne. Testy przeprowadzane w autoryzowanym laboratorium są zazwyczaj dość drogie. Testowane urządzenie nie zawsze spełnia normę, co oznacza, że istnieje konieczność naniesienia poprawek i wydłuża się całkowity czas certyfikacji. Szukając rozwiązań, warto wziąć pod uwagę nie tylko osiągnięcie zamierzonego rezultatu, ale także ekonomię i efektywność rozwiązania.
We wspomnianym wyżej case study zastosowanie ekranowanej taśmy FFC dało wymagany rezultat. Metoda ta generowała jednak dodatkowe koszty, biorąc pod uwagę masową produkcję. Dlatego pojawiła się potrzeba zainwestowania w alternatywne rozwiązanie. Wiedza zdobyta podczas testów może usprawnić rozwiązywanie problemów występujących w podobnych urządzeniach. Warto również pamiętać, że badania powinny odbywać się w fazie prototypowania.
