La certificación de EMC y tu producto

He pasado la mayor parte de mi carrera en electrónica trabajando con pequeñas empresas y startups, ayudándoles a transformar sus ideas en un producto físico. Algunos conceptos erróneos recurrentes a los que me he enfrentado con casi todos los clientes tenían que ver con el cumplimiento de la compatibilidad electromagnética. Muchos no tenían ni idea de que sus productos necesitarían ensayos de EMC, algunos no eran conscientes de la duración y el coste de la certificación y otros no sabían cómo se aplicaban los requisitos a sus productos.

De aquellos que conocían la certificación EMC, muchos creían erróneamente que, debido a que su producto no tenía wifi, Bluetooth o cualquier otro transmisor o transceptor de RF, no necesitaba someterse a pruebas de RF. Otros pensaban que, al tratarse de una empresa que solo fabrica pocas docenas o cientos de placas de PCB, no se les exigiría la certificación o que podrían seguir adelante sin ella. Para mí, el mejor caso fue el de una empresa que decidió utilizar placas electrónicas disponibles en el mercado (por ejemplo, placas Arduino o de breakout) y, simplemente, las conectó todas juntas en una carcasa pensando que no necesitaría certificar el dispositivo.

Casi todos los países tienen sus propias normas y requisitos de certificación de EMC. Las similitudes en las normativas entre países pueden surgir cuando los países comparten fronteras o cuando la autoridad de certificación/regulación de otro país guía el desarrollo de la normativa. Por ejemplo, Canadá y EE. UU. tienen requisitos muy similares y la mayoría de los países de Europa solo requieren el cumplimiento de las normas CE. Los requisitos comunes permiten que el proceso de certificación EMC sea más sencillo y rentable de lo que resultaría si tuvieras que certificar tu dispositivo para cada región en la que tienes intención de comercializar tu producto. Hay países que requieren que sometas tu producto a ensayos de cumplimiento de sus normas en un laboratorio dentro de sus fronteras. Esto puede aumentar significativamente el coste y el tiempo de la certificación, ya que implicará el envío de dispositivos para pruebas a múltiples laboratorios.

En este artículo, nos centraremos específicamente en los radiadores no intencionales, que son dispositivos que no tienen emisiones de RF intencionales. No es posible construir un circuito electrónico sin emisiones de algún tipo; cada vez que tienes corriente variable circulando por un conductor, estás creando un campo magnético y, por tanto, irradiando energía electromagnética. Existen normas y directivas para garantizar que estas emisiones no interfieran con otros dispositivos o señales de radio, asegurándose de que estén por debajo de los límites especificados.

Por qué es importante el cumplimiento de las normas EMC

Si no hubiera normas de EMC, los dispositivos mal diseñados podrían crear un entorno en el que la comunicación por radio no sería posible, así como dañar o destruir la funcionalidad de otros dispositivos conectados o cercanos. Sin estas normas, el uso de teléfonos móviles, el control del tráfico aéreo por radio, el acceso a Internet a través de wifi, las comunicaciones por satélite y todo tipo de tecnologías basadas en ondas electromagnéticas no serían posibles.

Puede que pienses que estoy llevando los ejemplos al extremo; sin embargo, he visto aparatos no certificados que interfieren con las señales de TV en abierto (hasta tal punto que algunos canales pierden toda la calidad de la señal y no se pueden ver en el mismo edificio en el que se encuentra el dispositivo) o cerca de los cuales las radios BC dejan de funcionar. Como ejemplo extremo, en un evento de Maker, vi cómo un robot con motores de alta frecuencia y alto amperaje que no se había sometido a ningún ensayo estuvo causando problemas a un señor mayor con marcapasos hasta que apagaron el robot.

¿Qué tiene esto que ver contigo y tu producto? ¿Y si vas a fabricar una sola unidad para instalarla en una planta industrial? ¿Qué pasa si vas a fabricar placas de interconexión para vender en Tindie? Citando el sitio web de la Directiva de Compatibilidad Electromagnética de la Comisión Europea, "los equipos (aparatos e instalaciones fijas) deben cumplir con los requisitos de EMC cuando se comercializan o se ponen en servicio".

Tanto si vas a vender un solo dispositivo para un único uso como si vas a fabricar un millón de unidades para su distribución, estás legalmente obligado a certificar el equipo. Este requisito se aplica incluso si ensamblas varias placas estándar en una carcasa en lugar de fabricar una PCB. Los mismos requisitos se aplican en EE. UU. (normas FCC), Canadá (requisitos ISED) y todos los demás países.

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Tal vez creas que puedes pasar desapercibido cuando se trata de normas. Sin embargo, he trabajado con clientes de bajo volumen a los que les habían pillado antes sin documentos de cumplimiento para sus productos. Uno fue una empresa estadounidense unipersonal que tenía volúmenes de ventas de tan solo unos cientos de unidades al año. Había enviado un pedido a un distribuidor de Europa y la aduana del país de destino retuvo el envío hasta que presentaron los documentos de CE.

Otro vendía radiadores intencionales (un producto de radiofrecuencia), también en volúmenes pequeños, y la FCC le impuso una multa de varios cientos de miles de dólares por vender el producto sin certificar. El mero hecho de tener un volumen pequeño de ventas no te salvará en caso de que tu producto llame la atención de una autoridad reguladora.

Sin duda, certificar tu producto será mucho más económico que la destrucción de un pedido por incumplimiento o recibir una multa.

Cómo certificar tu producto

En última instancia, tu producto debe ir a un laboratorio de certificación EMC respaldado o aprobado por los organismos reguladores para los que deseas certificarlo. Encontrar un laboratorio que esté dentro de tu presupuesto y ofrezca los servicios que necesitas puede resultar difícil. Si tu calendario te lo permite, viajar a una feria de electrónica (si no hay una en tu localidad) es una excelente forma de poder charlar con ingenieros de distintos laboratorios. Incluso es posible que las ferias comerciales relativamente pequeñas centradas en el negocio de la fabricación y montaje de productos electrónicos tengan presentes varios representantes de distintos laboratorios.

La empresa que ofrece el presupuesto más bajo no será necesariamente la mejor. Tendrás que colaborar bastante estrechamente con el laboratorio durante el proceso de certificación EMC, especialmente si es la primera vez que pasas por el procedimiento. Idealmente, el laboratorio con el que trabajes te acompañará durante todo el proceso de desarrollo de tu producto. A medida que desarrolles prototipos, tendrás que visitar el laboratorio con el hardware o enviárselo, y realizarás pruebas previas al cumplimiento sobre el prototipo.

Probar los prototipos con antelación puede permitirte hacer cambios oportunos en el hardware si se detectan problemas, lo que te ahorrará un tiempo y un dinero muy valiosos en comparación con si sólo envías el artículo final para someterlo a las pruebas. Si surgen problemas, los ingenieros de un buen laboratorio te darán algunas ideas sobre cómo resolver los problemas basándose en su amplia experiencia, en lugar de simplemente decirte que ha fallado. Lo que es mejor: asistir a la certificación previa en persona te permitirá poner en práctica algunas de estas sugerencias sobre el terreno y volver a realizar las pruebas rápidamente para que puedas volver a tu oficina con una lista de cambios en lugar de con solo una lista de problemas.

Qué certificaciones necesitas y a qué precio

Si tienes previsto vender tus productos en Norteamérica y Europa, un buen punto de partida es comprobar el cumplimiento de las normas FCC de EE. UU., los requisitos ISED de Canadá y los requisitos de la Directiva europea CE sobre compatibilidad electromagnética. Esto probablemente cubra la mayoría de los clientes potenciales de tu producto. Las normas de EMC establecidas por gobiernos de todo el mundo son similares, pero no todas son iguales. Por ejemplo, si vas a comercializar tu producto en Australia o Nueva Zelanda, es posible que tengas que hacer ensayos para cumplimiento de las normas AS/NZS EMC también. Australia y Nueva Zelanda tienen acuerdos de reconocimiento mutuo que pueden aplicarse a las directivas EMC de la UE para las que ya estás haciendo ensayos.

Para un radiador no intencionado sencillo con un modo de funcionamiento, una conexión a la red de CA y sin puertos de señal/IO, pagarás aproximadamente 2000 USD por los ensayos de conformidad de FCC e ISED de Canadá y otros 4500 USD, si también realizas los ensayos de conformidad de la Directiva CE de compatibilidad electromagnética. Sin embargo, la cantidad que pagues dependerá del laboratorio con el que trabajes y del dispositivo que estés probando.

Para los dispositivos alimentados por batería sin capacidad de carga, el coste sería menor, ya que la prueba de la red de CA se vuelve innecesaria. Por otro lado, para los dispositivos que tienen varios modos de funcionamiento o cables de señal/IO que necesitan ser probados, el coste sería mayor, ya que es necesario realizar pruebas EMC adicionales. Las instalaciones de pruebas cuestan millones de dólares y cuentan con ingenieros muy experimentados que suelen elevadas tarifas por hora significativas. En consecuencia, cuanto más complejo o largo sea el plan de ensayos para tu dispositivo, más costará.

Si el dispositivo tiene funcionalidades inalámbricas que no utilizan un módulo de radio previamente aprobado o está utilizando un módulo previamente aprobado fuera de las normas para su uso, como se especifica en su manual de usuario y concesión de autorización, entonces el dispositivo requeriría pruebas y certificación EMC inalámbricas con un coste adicional. Es importante comprobar el manual del usuario y la hoja de datos de cualquier módulo previamente certificado para asegurarse de que la antena (si requiere o permite una antena externa) se mencione específicamente, y también de que se hayan seguido los requisitos de alimentación y disposición explícitamente.

Además, asegúrate de utilizar el módulo solo para los modos de funcionamiento y los niveles de potencia especificados en su manual. Si no sigues estos requisitos, el uso del módulo no se clasificaría como aprobado previamente y tu dispositivo deberá someterse a ensayos como radiador intencionado.

La experiencia de certificación EMC

Idealmente, tu experiencia con las pruebas de cumplimiento EMC empezará con las pruebas previas en la etapa inicial del prototipo. Si no estás cerca del laboratorio con el que vas a trabajar, puedes enviarles por correo tu prototipo o dispositivo con todos los cables, accesorios e instrucciones de funcionamiento para configurarlo y probarlo.

Simon Howkins y Parm Singh, de QAI Labs en Canadá, sugieren lo siguiente para que tu experiencia con las pruebas sea lo más fluida posible:

Cuando vayas a un laboratorio de EMC para probar el cumplimiento de tu producto, es mejor llevar más preparación de la necesaria.  Espera lo inesperado. Tendrás que llevar un dispositivo totalmente operativo que pueda funcionar de forma continua en su modo de funcionamiento típico en el peor de los casos. Si tu dispositivo tiene varios modos de funcionamiento, todos deben escanearse previamente para determinar el modo en el peor de los casos. Si tu dispositivo necesita equipo auxiliar o de apoyo para funcionar, también tendrás que llevarlo al laboratorio.

Si no se puede llevar el equipo auxiliar y de apoyo real, se deben utilizar cargas y equipos auxiliares simulados. Es muy posible que tu producto no pase la prueba a la primera y que haya que hacerle modificaciones para que cumpla con las normas de EMC. Para hacer estas modificaciones en el laboratorio, trae todas las herramientas y componentes que vayas a necesitar. Entre ellos puede que se incluyan ferritas, filtros de RF, materiales de blindaje, condensadores, inductores, resistencias y cualquier herramienta que necesites para realizar las modificaciones.

Una herramienta que tal vez no te hayas planteado llevar es un cúter con cuchillas de repuesto. Un cúter afilado facilita el corte de pequeñas pistas o el raspado de la máscara de soldadura para hacer una almohadilla, permitiéndote así añadir un condensador o cualquier otro componente al circuito, en caso de que fuera necesario. 

Integración de la certificación EMC en tu plan de proyecto

Simon, de QAI Labs, me dio más consejos interesantes sobre cómo preparar bien la certificación EMC:

Los errores más comunes que se observan en el laboratorio de EMC de las startups incluyen no incorporar buenos aspectos de diseño de EMC en el dispositivo desde el principio del ciclo de diseño, no reservar en el calendario tiempo suficiente para las pruebas y la certificación del dispositivo, dejar los ensayos y certificación del dispositivo para el último minuto y no estar preparado cuando se va al laboratorio para el primer día de ensayos previos al escaneado.

El libro electrónico gratuito "Get EMC Design Right First Time", de Andy Eadie, es un excelente recurso para ayudarte a incorporar un buen diseño de EMC desde el principio. Lo he recomendado a muchos clientes y todos me han comentado que les ha resultado muy útil y fácil de entender. Asignar tiempo en tu plan de proyecto a las pruebas previas a la conformidad, de exploración previa o preliminares de I+D sobre los prototipos, dentro del ciclo de diseño, te permite determinar cómo se va a comportar el dispositivo con respecto a la normativa EMC.

Según la programación del laboratorio, puede llevar algún tiempo realizar la prueba de certificación completa una vez que hayas terminado las pruebas previas a la certificación. Dejar las pruebas de cumplimiento de EMC para el último momento y descubrir que el dispositivo está fallando puede salir bastante caro si el producto está en fabricación y requiere modificaciones. Sin mencionar que, en caso de tener que construir y probar nuevos prototipos, se podrían incumplir los plazos.

Si te encuentras en una zona donde no hay un laboratorio de EMC cerca y no puedes desplazarte, puedes enviar tu producto o prototipos a un laboratorio con instrucciones sobre cómo configurarlo para que lo prueben.

Opciones sencillas de diseño de PCB que contribuyen con el cumplimiento

Llevo unos cuatro años recomendando los libros electrónicos y los cursos de formación de EMC Fast Pass de Andy Eadie a clientes, ya que creo que ofrecen una guía muy sencilla y fácil de entender sobre el cumplimiento y el diseño de EMC. Me puse en contacto con Andy para preguntarle cuáles serían sus mejores consejos para este artículo y esto es lo que me dijo:

1. Apilado de capas de PCB
   Un buen punto de partida para diseñar una PCB que supere las pruebas de EMC es elegir una buena configuración de stackup. Uno de los aspectos más importantes es garantizar que siempre indiques un plano de referencia ininterrumpido (GND o PWR) en una capa adyacente para todas las señales digitales (de conmutación). Si el enrutamiento es demasiado denso para ello, añade otras dos capas.

2. Condensadores de desacoplamiento
   Proporciona a cada CI y pin de alimentación del conector al menos un condensador de desacoplamiento. La práctica recomendada actualmente es normalizar los valores del condensador a un valor único, como, por ejemplo, 100 nF. Esto ayuda a evitar la creación accidental de resonancias en el plano de potencia.

3. Adición de resistencias en serie a las comunicaciones de baja velocidad entre placas y fuera de placa
   Este es un gran consejo para evitar problemas. Para interfaces de comunicación de baja velocidad, como buses LCD paralelos y SPI, incluye una resistencia en serie de cero ohmios en cada pista antes de que salga de la placa. Si tu placa no supera las pruebas de emisiones, puedes colocar en su lugar resistencias de terminación 10R-33R a fin de amortiguar los armónicos y reducir las emisiones.

4. Filtro Pi en todas las entradas de SMPS
   Sin un filtro para EMI en la entrada de tensión de una SMPS, es más que probable que un diseño no supere las pruebas EMC de emisiones realizadas. Incluye siempre un filtro para EMI, como un filtro Pi, en la entrada de cada SMPS.

Personalmente, te sugeriría que lleves el consejo 3 un paso más allá y añadas footprints para condensadores adicionales, ferritas y otros componentes de filtrado a tu placa si eres nuevo en el diseño para cumplimiento de EMC. Añadir footprints a tu placa no supondrá más que un poco de espacio. Sin embargo, tener que añadirlos y quizás hacer otra revisión de la placa puede resultar caro, tanto desde el punto de vista económico como del tiempo empleado. A menudo veo placas comerciales producidas en masa a las que les faltan muchos pasivos. Podrías pensar que creyeron que podrían salirse con la suya simplemente eliminando esos componentes para reducir costes, pero también es posible que se trate de footprints añadidos cuando un ingeniero pensó que podría haber un problema de compatibilidad electromagnética y prefirió ir sobre seguro añadiendo el footprint.

• Obtén más información sobre las opciones de diseño para colaborar con el cumplimiento de EMC

Quiero dar las gracias a Simon Howkins, ingeniero de ventas de EMC, y a Parm Singh, director del departamento de EMC en QAI Labs, por sus sabios consejos para este artículo. Asimismo, Andy Eadie, de EMC Fast Pass, con sus excelentes libros electrónicos y formación, ha sido un recurso valioso para mí durante años y, más recientemente, con los consejos anteriores. La certificación EMC es un tema muy complicado que va más allá de unas meras buenas prácticas de diseño. En lo que a este aspecto se refiere, hay tantos matices en la normativa mundial de EMC que tiene sentido trabajar con expertos para garantizar el éxito del proyecto. Integrar a una empresa como QAI en tu plan de proyecto desde el principio te permite centrarte en el producto y hace que las pruebas de cumplimiento resulten mucho menos estresantes. A medida que ganes experiencia en el diseño y las pruebas de EMC relevantes para tu empresa, necesitarás menos certificación previa y orientación de expertos, pero siempre es aconsejable incluirlas en el plan de proyecto.

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