Durante el desarrollo de un nuevo producto electrónico, ¿conviene hacer una revisión de diseño de compatibilidad electromagnética (CEM)? ¿Qué momento es el más adecuado? Existe el dicho: “más vale prevenir que curar”. Teniendo en cuenta este dicho, como mínimo, conviene hacer una o dos revisiones de diseño de CEM, antes de ir al laboratorio de CEM, para superar las normas necesarias para el Marcado CE y por supuesto, antes de empezar a vender el producto en la UE.
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Bastantes ingenieros diseñan un nuevo producto, lo comprueban tan solo funcionalmente y después lo envían a un laboratorio de pruebas de cumplimiento de CEM, con la esperanza de que pase y, como es lógico, el 85% de las veces no pasa. Esta es una manera arriesgada de administrar el diseño de CEM de un nuevo producto. Estos mismos ingenieros, ¿diseñarían y construirían un nuevo producto, nunca lo probarían funcionalmente y se lo enviarían a su cliente para que evaluara su funcionalidad? Por supuesto que no, entonces ¿por qué hacer el equivalente con respecto a la CEM?
La forma de realizar una revisión de diseño de CEM es, junto con un experto de CEM (interno o externo a la empresa), revisar a nivel conceptual el estado del diseño del prototipo, analizando a nivel teórico los puntos débiles de CEM. Otra forma de realizar una revisión interna es usar instrumentos varios de relativo bajo coste, para realizar medidas para conocer el buen o mal comportamiento electromagnético del prototipo.
Estas medidas se enfocan al objetivo de encontrar posibles problemas, no a medir con alta precisión como lo hacen los laboratorios de CEM. Por tanto, estos instrumentos son más asequibles. Pero siempre se debe tener en cuenta que realizar medidas de campos electromagnéticos bien hechas no es fácil. Por ello, estos instrumentos, deben ser usados por un especialista que sea capaz de obtener un buen rendimiento de sus limitadas prestaciones. Lógicamente, si no se dispone de este tipo de instrumentos ni de un especialista en medidas de CEM, lo más recomendable es contratar unas horas a un laboratorio de CEM para realizar estas medidas investigativas, estando nosotros presentes para analizar el comportamiento electromagnético del prototipo.
Una revisión de diseño de CEM no es una revisión completa del prototipo de un producto. El análisis más bien se enfoca en algunos problemas específicos de CEM. No aborda otros problemas como la fiabilidad, los aspectos térmicos, la seguridad, etc, y es mejor dejarlos para revisiones finales más formales. Además, en una revisión de diseño de CEM no es necesario considerar todas las normas de CEM. Esencialmente hay cuatro normas a considerar: emisiones conducidas y radiadas, descargas electrostáticas y transitorios rápidos.
Según el tipo de producto, a nivel de detalle, durante la revisión de diseño de CEM se puede analizar posibles problemas en las tarjetas de circuito impreso, en el cableado, en los conectores, problemas relacionados con el nivel de blindaje de la envoltura, o problemas varios a nivel de sistema. Al mismo tiempo, se debe considerar el entorno electromagnético donde deberá operar el producto (doméstico, industrial) o el sector específico (medicina, automoción, defensa, etc).
Es siempre recomendable revisar el producto con el experto de CEM, los diseñadores de hardware, software, mecánicos, y el jefe del proyecto. Juntos, deben identificar y evaluar los riesgos de CEM, y discutir las diferentes opciones de diseño. El fabricante conoce bien su producto y el experto de CEM conoce bien los conceptos y las limitaciones de CEM. Juntos, pueden encontrar las mejores soluciones prácticas de CEM teniendo en cuenta sus costos en producción. La contratación de un experto de CEM externo puede aportar una visión general que puede ayudar mucho a encontrar una buena solución, gracias a su experiencia y a haber participado en muchas revisiones de CEM de productos con problemas muy distintos. El experto de CEM tiene también un buen conocimiento en la aplicación de diversas soluciones de CEM y aporta un importante valor añadido al fabricante que lo contrata.
¿Cuál es el mejor momento para realizar una revisión de diseño de CEM?
En la mayoría de los proyectos, un momento ideal para una revisión de diseño de CEM es durante las fases iniciales de diseño eléctrico y mecánico. Una primera revisión de CEM se debería efectuar tan pronto se tiene una primera versión de un prototipo del producto, suficientemente avanzado a nivel funcional. Antes también se pueden realizar revisiones parciales de partes del producto. En las tarjetas de circuito impreso un buen momento sería cuando el diseño de la tarjeta está completo, antes de ordenar su fabricación. En esta etapa, el diseño suele ser lo suficientemente maduro como para hacer recomendaciones, pero con la facilidad de realizar cambios. No obstante, siempre es mejor, considerar el análisis de CEM en la etapa inicial del concepto del producto. Esto es particularmente útil cuando se debe decidir el tipo y material de la envoltura considerada como blindaje, el tipo de tarjetas de circuito impreso, los conectores y los cables. La mayoría de las revisiones de CEM pueden realizarse en un día o menos. Pero nunca debe realizar la revisión una sola persona. Siempre es bueno hacerlo en equipo para tener diversas visiones durante el análisis. A menudo, el mismo acto de explicar el diseño a otra persona descubre problemas inesperados. Y los colegas pueden aportar también nuevas sugerencias (inesperadas).
Tareas generales
Hay cuatro tareas preliminares que deben realizarse antes de la revisión de diseño de CEM:
1. Identificar y evaluar las amenazas de CEM
Tener en cuenta el entorno electromagnético donde el nuevo producto deberá operar. Este entorno determina las amenazas típicas que incluyen el nivel general de EMI, como las descargas electrostáticas (ESD), las perturbaciones en la red y las emisiones conducidas y radiadas. A menudo se especifican como requisitos de prueba, en el plan de test, pero es posible que se deban modificar en función del entorno previsto real. Por ejemplo, en una revisión para un dispositivo médico, se debe tener en cuenta si se va a usar en ambulancias. Los requisitos originales para su uso en hospitales son distintos a los de un automóvil. El producto, para funcionar en una ambulancia debe tener niveles más altos de inmunidad que si debe funcionar en un hospital.
2. Identificar los circuitos críticos que afectan el entorno o son afectados por las amenazas de CEM
Los circuitos digitales son muy vulnerables a las ESD y los transitorios rápidos, y los circuitos analógicos son muy vulnerables a las EMI de RF. Los relojes digitales y otras fuentes de EMI repetitivas son fuentes de emisiones radiadas. Los circuitos de alimentación son vulnerables a las perturbaciones en la red y también pueden contribuir a las emisiones conducidas.
3. Identificar otras limitaciones del diseño que pueden afectar a algunas decisiones de diseño de CEM
Estas limitaciones incluyen los costos, los volúmenes de producción, el espacio disponible y el costo de incumplimiento de alguna norma. Incidentalmente, en situaciones muy sensibles a los costos, es conveniente prever soluciones que faciliten su aplicación en caso necesario. En el montaje superficial es difícil añadir una solución si no se ha previsto antes. Siempre es conveniente tener un plan B.
4. Identificar las prestaciones adecuadas de CEM
Aquí es donde se aplica la creatividad en el diseño. Se debe iniciar en el diseño de las tarjetas de circuito impreso. Un 70% de los problemas de CEM son debidos a un mal diseño electromagnético de las tarjetas de circuito impreso. Por supuesto, si no se diseña las tarjetas de circuito impreso, se debe trabajar a nivel de sistema, como integrador. Esto puede incluir problemas mecánicos (blindajes), junto con cables, conectores, alimentación y la arquitectura de masas y tierra. Cuando se compra la tarjeta de control en el mercado, se debe tener especial cuidado al considerar que no la podemos rediseñar. Por ello conviene tener una envoltura metálica y un correcto conjunto de conectores y cableado.
Es muy arriesgado comprar tarjetas de control en el mercado sin considerar que pueden tener problemas de emisiones radiadas y de inmunidad en general. El diseño del producto debe considerar estas limitaciones.
A nivel de sistema (fuera de la caja), es bueno analizar desde fuera hacia dentro. Se debe observar los cables / conectores, la construcción de la envoltura (caja) y las interfaces de los sistemas (una vez más, red / señal / conexión a tierra). A nivel de tarjeta de circuito impreso (dentro de la caja) se analiza desde dentro hacia fuera. Se debe analizar el esquema del circuito y el diseño de la tarjeta, junto con sus interfaces (alimentación / señal / masas / tierra).
Medidas de preevaluación de CEM
La realización de medidas de preevaluación de CEM siempre es positiva para saber el estado electromagnético de un nuevo diseño. Teniendo en las manos los resultados de las medidas de preevaluación, podemos estar mejor orientados para realizar el análisis de los problemas de CEM. Antes de ir a hacer las pruebas de CEM para el Marcado CE en el laboratorio de CEM con un nuevo prototipo, siempre es aconsejable y rentable hacer unas medidas de preevaluación. Se trata de hacer unas medidas con instrumentos de preevaluación para detectar posibles problemas de CEM. Estos instrumentos tienen limitaciones en comparación a los instrumentos del laboratorio. Están adaptados para encontrar problemas antes de llevar el nuevo prototipo al laboratorio de CEM, reduciendo así la probabilidad de tener que volver varias veces.
Se pueden hacer medidas de emisiones conducidas, emisiones radiadas, descargas electrostáticas (ESD) al aire y pruebas de EFT (transitorios rápidos). Si se detectan problemas, se puede empezar una lista de posibles soluciones básicas. Usualmente es recomendable empezar por realizar las medidas de emisiones conducidas. Luego las medidas radiadas. Si alguna de las dos ya sobrepasa los límites, conviene solucionar el problema. Si los resultados de las medidas de emisiones son correctos pasamos a las pruebas de inmunidad. A nivel de inmunidad primero es conveniente aplicar las descargas electrostáticas y luego los transitorios rápidos. Con este conjunto de medidas de preevaluación debería ser suficiente para detectar la mayoría de los problemas de CEM en un nuevo prototipo.
Conclusiones
Después de cada revisión de CEM, es conveniente documentar adecuadamente el hallazgo de los problemas y sus posibles soluciones. Siempre es recomendable hacer como mínimo una revisión de diseño de CEM durante el desarrollo de un nuevo producto. Si además se realizan medidas de preevaluación, se contribuye a asegurar el cumplimiento de las normas en el laboratorio de CEM en el primer intento durante las pruebas para el Marcado CE. En todo caso, si se hacen revisiones de CEM, cuando aparece algún problema en el laboratorio, será más fácil encontrar una solución más simple al tener mejor preparado el producto desde el punto de vista electromagnético. Si no se hacen revisiones de CEM, la probabilidad de fallar en las pruebas de CEM en el laboratorio es alta.
Es recomendable trabajar en equipo con los diseñadores de hardware, software, mecánicos, y el jefe del proyecto. Resulta conveniente contratar un experto de CEM. El fabricante conoce bien su producto y el experto de CEM conoce bien los conceptos de CEM y, juntos, pueden encontrar más fácilmente los problemas y soluciones de CEM.
Por último, siempre es bueno estar presente durante las pruebas en el laboratorio, sea a nivel de preevaluación como a nivel del Marcado CE. Nuestra presencia ayuda al ingeniero de test para determinar el comportamiento funcional del producto durante las pruebas de inmunidad y nos ayuda a aprender a diseñar mejor los nuevos productos a nivel electromagnético.
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