Les essais CEM : une certification essentielle pour votre produit

J’ai passé la majeure partie de ma carrière dans l’industrie de l'électronique à travailler avec ou pour le compte de petites entreprises et start-ups. Je les ai aidées à donner vie à leurs projets. Durant ces missions, j'ai été régulièrement confronté à des idées reçues concernant la conformité en matière de compatibilité électromagnétique (CEM).

En effet, la plupart de ces entreprises ne savaient pas que leurs produits nécessitaient de passer par des essais CEM, certaines ignorant les délais et coûts de la certification, d'autres encore ne sachant pas comment les exigences s'appliquaient à leurs produits.

Parmi celles qui connaissaient la certification CEM, nombre d'entre elles croyaient à tort que leur produit n'avait pas d'émetteur ou d'émetteur-récepteur WiFi, Bluetooth ou RF, et qu'il n'avait donc pas besoin d'être soumis à des « tests RF ».

D'autres pensaient qu'étant donné leur faible capacité de production, elles n'étaient pas tenues d'obtenir une certification ou pourraient passer à travers les mailles du filet.

L'exemple le plus parlant est celui d'une entreprise qui a eu recours à des cartes électroniques disponibles dans le commerce (des cartes Arduino et des cartes de connexion, par exemple) et qui s'est contentée de les câbler dans un boîtier en pensant qu'elle n'aurait pas besoin de faire certifier son dispositif.

Presque tous les pays ont leurs propres réglementations en matière de CEM et leurs propres exigences de certification.

Les similitudes entre les réglementations d'un pays à l'autre peuvent apparaître lorsque les pays ont des frontières communes ou lorsque l'autorité de certification/réglementation d'un autre pays oriente l'élaboration de la réglementation.

Par exemple, le Canada et les États-Unis ont des exigences très similaires, et la plupart des pays d'Europe imposent la conformité aux règles CE. Les exigences communes permettent de simplifier le processus de certification et de le rentabiliser si vous devez certifier votre appareil pour chaque région dans laquelle vous envisagez de commercialiser votre produit.

Certains pays exigent que vous testiez votre produit en tenant compte de leurs réglementations dans un laboratoire situé sur leur territoire. Cette procédure peut considérablement augmenter le coût et les délais de certification, car vous devrez envoyer les appareils à plusieurs laboratoires.

Dans cet article, nous nous concentrerons sur les éléments rayonnants non intentionnels, c'est-à-dire les dispositifs qui ne produisent pas d'émissions RF intentionnelles. Vous ne pouvez pas concevoir un circuit électronique sans produire d'émissions. À chaque fois qu'un courant variable circule dans un conducteur, il crée un champ magnétique et émet donc de l’énergie électromagnétique.

Des réglementations et des directives existent pour s'assurer que ces émissions n'interfèrent pas avec d'autres appareils ou signaux radio en veillant à ce qu'elles soient inférieures aux limites spécifiées.

Pourquoi la conformité de la compatibilité électromagnétique est-elle importante ?

Sans réglementation CEM, des dispositifs mal conçus pourraient créer un environnement où les communications radio seraient impossibles et endommager ou détruire les fonctionnalités d'autres appareils connectés ou situés à proximité.

L'utilisation de téléphones portables, le contrôle du trafic aérien par radio, l'accès à Internet par WiFi, les communications par satellite et toutes sortes d'autres technologies basées sur les ondes électromagnétiques seraient potentiellement impossibles.

Vous pensez peut-être que j'exagère, mais j'ai vu des appareils non certifiés perturber les signaux de télévision en clair à tel point que certaines chaînes perdaient toute qualité de signal et devenaient impossibles à regarder dans le même bâtiment que l'appareil, ou que les radios CB ne fonctionnaient pas à proximité.

À titre d'exemple, lors d'un événement réunissant des fabricants, j'ai vu un robot équipé de moteurs à haute fréquence et à haute intensité, qui n'avait été soumis à aucun test, interférer avec le pacemaker d'un homme âgé.

En quoi cela vous concerne-t-il et concerne votre produit ? Que se passe-t-il si vous fabriquez une seule unité à des fins industrielles ? Et si vous fabriquez des cartes de branchement que vous vendrez sur Tindie ?

Pour citer le site Internet de la directive sur la compatibilité électromagnétique de la Commission européenne, « les équipements (appareils et installations fixes) doivent être conformes aux exigences de compatibilité électromagnétique lorsqu'ils sont mis à disposition sur le marché et/ou mis en service. »

Que vous vendiez un seul appareil pour un usage unique ou que vous fabriquiez un million d’appareils destinés à être distribués, vous êtes légalement tenu de certifier l’équipement. Cette exigence s'applique même si vous assemblez plusieurs cartes standard dans un boîtier au lieu de fabriquer des PCB.

Les mêmes exigences s'appliquent aux États-Unis (règles FCC), au Canada (exigences ISED) et à tous les autres pays.

• En savoir plus sur les normes et les réglementations du secteur sur les EMI et la CEM

Si vous pensiez pouvoir contourner les réglementations, sachez que j'ai travaillé avec des clients produisant de faibles volumes qui ont été épinglés car ils ne disposaient pas des documents de conformité à la compatibilité électromagnétique de leurs produits.

L'un d'entre eux était une entreprise individuelle américaine dont les volumes de vente ne dépassaient pas quelques centaines d'unités par an. Cette entreprise avait expédié une commande à un distributeur en Europe et les douanes du pays de destination ont retenu l'envoi jusqu'à ce que les documents CE soient présentés.

Un autre commercialisait des éléments rayonnants intentionnels (un produit RF), là encore en faible quantité, et a écopé d'une amende de plusieurs centaines de milliers de dollars par la FCC car le produit n'était pas certifié.

Réaliser un faible volume de ventes ne vous permettra pas de passer entre les mailles du filet si votre produit est examiné par une autorité réglementaire.

Certifier votre produit vous reviendra beaucoup moins cher que la destruction d'une cargaison pour non-conformité ou le paiement d'une amende.

Comment faire certifier votre produit pour la compatibilité électromagnétique ?

En fin de compte, votre produit doit être soumis à des tests dans un laboratoire de certification agréé ou approuvé par les autorités réglementaires pour lesquelles vous souhaitez certifier votre produit.

Trouver un laboratoire dans votre budget et qui offre les services dont vous avez besoin peut s'avérer difficile.

Si votre emploi du temps le permet, rendez-vous dans un salon de l'électronique afin de discuter avec les ingénieurs qui travaillent dans ces laboratoires. Même les salons professionnels relativement petits axés sur les activités de fabrication et l'assemblage d'appareils électroniques sont susceptibles d'accueillir des représentants de plusieurs laboratoires.

Ne choisissez pas nécessairement l'entreprise qui propose le devis le plus bas.

Vous devrez travailler en étroite collaboration avec le laboratoire pendant le processus de certification, surtout si c’est la première fois que vous suivez cette procédure.

Idéalement, le laboratoire avec lequel vous travaillez vous accompagnera tout au long du processus de développement de votre produit. À mesure que vous développerez des prototypes, vous vous rendrez au laboratoire avec le matériel, ou vous pourrez lui envoyer, afin qu'il effectue des tests de pré-conformité.

En testant les prototypes plutôt que le produit fini, vous pourrez apporter des modifications en temps utile si des problèmes sont détectés. Vous gagnerez ainsi du temps et de l'argent.

Si vous constatez des problèmes, les ingénieurs les plus compétents vous suggéreront des pistes pour les résoudre en s'appuyant sur leur vaste expérience, et ne se contenteront pas de vous dire que c'est un échec.

Mieux encore, si vous assistez à la pré-certification, vous pourrez appliquer certaines suggestions sur place et refaire rapidement les tests. Vous pourrez ainsi retourner chez vous avec une liste de modifications à effectuer plutôt qu'une simple liste de problèmes.

Quelles sont les certifications CEM nécessaires et combien coûtent-elles ?

Si vous prévoyez de vendre vos produits en Amérique du Nord et en Europe, vous devez commencer par tester la conformité aux règles de la FCC pour les États-Unis, aux exigences de l'ISED pour le Canada et aux exigences de la directive CE pour l'Europe. Cela couvrira probablement la majorité des clients potentiels de votre produit.

Les réglementations CEM établies par les gouvernements du monde entier sont similaires, mais pas identiques. Par exemple, si vous souhaitez commercialiser votre produit en Australie ou en Nouvelle-Zélande, vous devrez peut-être tester les normes CEM AS/NZS. Notez que l'Australie et la Nouvelle-Zélande ont des accords de reconnaissance mutuels qui peuvent s'appliquer aux directives CE de l'UE.

Pour un simple élément rayonnant non intentionnel doté d'un seul mode de fonctionnement, d'une seule connexion au secteur et sans port de signal I/O, vous devriez payer environ 2 000 $ pour les tests de conformité CEM de la FCC et de l'ISED et 4 500 $ supplémentaires si les tests de conformité à la directive de la CE sont également effectués. Toutefois, le montant final dépendra du laboratoire que vous choisirez et de l'appareil testé.

Pour les appareils alimentés par batterie et sans capacité de charge, le coût serait moins élevé car les tests sur secteur ne sont pas nécessaires. En revanche, pour les appareils qui ont plusieurs modes de fonctionnement ou des câbles de signal/IO qui doivent être testés, le coût serait plus élevé car des tests supplémentaires doivent être effectués. Les installations de test coûtent des millions de dollars et sont employées par des ingénieurs très expérimentés dont les tarifs sont généralement élevés. Par conséquent, plus le plan de test de votre appareil est complexe ou long, plus il sera onéreux.

Si l'appareil possède des fonctionnalités sans fil qui n'utilisent pas un module radio pré-approuvé ou qui utilisent un module pré-approuvé en dehors des règles d'utilisation, tel qu'indiqué dans son manuel d'utilisation et dans l'octroi de l'autorisation supplémentaire, il devra alors être testé et certifié sans fil, ce qui entraînera une certification supplémentaire. Vous devez vérifier que le manuel d'utilisation et la fiche technique de tout module précertifié afin de vous assurer que votre antenne (si elle nécessite une antenne externe ou est compatible avec cette antenne) est spécifiquement mentionnée et que vous avez respecté les exigences d'alimentation et de layout.

En outre, veillez à utiliser uniquement le module pour les modes de fonctionnement et les niveaux de puissance indiqués dans le manuel. Si vous ne respectez pas ces exigences, votre utilisation du module ne serait pas classée comme pré-approuvée et votre appareil devra être testé comme un élément rayonnant intentionnel.

Le processus de certification CEM

Idéalement, votre processus de tests de conformité commencera par des tests préalables au stade du prototype initial. Si vos bureaux ne sont pas situés à proximité du laboratoire avec lequel vous travaillez, vous pouvez lui envoyer votre prototype ou votre appareil avec tous les câbles, accessoires et instructions d'utilisation nécessaires à sa configuration et aux tests.

Simon Howkins et Parm Singh, ingénieurs chez QAI Labs au Canada, vous suggèrent de suivre ces conseils pour que vos tests se déroulent dans les meilleures conditions :

- Lorsque vous arrivez dans un laboratoire CEM pour tester votre produit en vue de sa conformité, soyez bien préparé. Anticipez les événements inattendus. Vous devrez apporter un appareil parfaitement opérationnel qui peut fonctionner en continu dans son mode de fonctionnement typique le moins favorable. Si votre appareil a plusieurs modes de fonctionnement, ils doivent tous être préalablement analysés en vue de déterminer le mode le moins favorable. Si votre appareil a besoin d'un équipement auxiliaire ou de soutien pour fonctionner, vous devrez également l'apporter.

- Si vous ne pouvez pas apporter un appareil parfaitement opérationnel, vous devrez utiliser des charges et des équipements auxiliaires simulés. Il est fort possible que votre produit ne passe pas les tests du premier coup et qu'il doive être modifié pour être conforme aux réglementations CEM. Pour effectuer ces modifications en laboratoire, vous devez disposer de tous les outils et composants nécessaires. Il peut s'agir de ferrites, de filtres RF, de matériaux de blindage, de condensateurs, d'inducteurs, de résistances et de tous les outils dont vous aurez besoin pour effectuer les modifications.

Nous vous recommandons également d'apporter un cutter avec des lames de rechange aiguisées. Vous pourrez ainsi couper facilement de petites pistes ou gratter le masque de soudure pour créer un pad de soudure, ce qui vous permettra d'ajouter un condensateur ou tout autre composant au circuit si besoin. 

Intégrer la certification CEM à votre projet

Simon Howkins a formulé plusieurs recommandations pour se préparer au mieux à la certification CEM :

Voici les erreurs les plus fréquemment observées : oublier d'intégrer les bons aspects de conception CEM dans le dispositif dès le début de la conception, prévoir des délais insuffisants pour les tests et la certification de l'appareil, faire les tests et la certification de l'appareil à la dernière minute et ne pas être prêt pour le premier jour de tests de pré-analyse.

L'e-book gratuit d'Andy Eadie intitulé « Get EMC Design Right First Time » est une excellente ressource pour vous aider à intégrer une conception CEM adaptée dès le départ. Je l’ai recommandé à de nombreux clients et tous m’ont dit que les conseils sont à la fois utiles et faciles à comprendre. Consacrer du temps aux tests de pré-conformité, de pré-analyse ou de R&D préliminaire sur les prototypes dans le cycle de conception vous permet de déterminer comment le dispositif se situe par rapport aux réglementations.

Selon les disponibilités du laboratoire, la réalisation du test de certification dans son intégralité peut prendre un certain temps après l'achèvement des tests de pré-certification. Faire les tests de conformité à la dernière minute et découvrir que l'appareil est défaillant peut s'avérer coûteux si le produit est déjà en cours de fabrication et doit être modifié. Sans oublier que les délais peuvent être dépassés si de nouveaux prototypes doivent être fabriqués et testés.

Si vous êtes situé dans une région où il n'y a pas de laboratoire CEM à proximité et que vous n'êtes pas en mesure de vous déplacer, vous pouvez envoyer votre produit ou vos prototypes à un laboratoire avec des instructions expliquant comme le configurer pour le tester.

Des choix simples en matière de conception de PCB, qui facilitent la conformité

Depuis environ quatre ans, je recommande les e-books et les formations EMC Fast Pass d'Andy Eadie, car je pense qu'ils permettent de comprendre facilement comment fonctionnent la conformité et la conception CEM. Je l'ai contacté pour lui demander quels seraient ses meilleurs conseils pour cet article, et voici ce qu'il m'a répondu :

1. Empiler des couches de PCB
   Si vous voulez réussir les tests CEM, je vous recommande de commencer par choisir une bonne configuration d'empilement. Vous devez impérativement veiller à toujours fournir un plan de référence ininterrompu (GND ou PWR) sur une couche adjacente pour tous les signaux numériques (commutation). Si le routage est trop dense pour le faire, ajoutez deux couches supplémentaires.

2. Utiliser des condensateurs de découplage
   Équipez chaque circuit intégré et chaque broche d'alimentation du connecteur d'au moins un condensateur de découplage. La meilleure pratique actuellement recommandée consiste à normaliser les valeurs des condensateurs à une seule valeur, par exemple 100 nF. Vous éviterez ainsi de créer accidentellement des résonances au niveau du plan d'alimentation.

3. Ajouter des résistances en série aux communications à basse vitesse hors carte et entre les cartes
   C'est une bonne solution pour vous sortir d'une situation compliquée. Pour les interfaces de communication à faible vitesse telles que les bus LCD parallèles et SPI, prévoyez une résistance de série zéro ohm sur chaque piste avant qu'elle ne quitte la carte. Si votre carte échoue aux tests d'émissions, vous pouvez utiliser des résistances de terminaison 10R-33R afin d'atténuer les harmoniques et de réduire les émissions.

4. Ajouter un filtre Pi sur toutes les entrées de l'alimentation à découpage
   Sans filtre EMI sur la tension d'entrée d'une alimentation à découpage, votre conception a plus de chances d'échouer aux tests d'émissions.

Concernant le troisième conseil, je vous suggère d'aller un peu plus loin et d'ajouter des empreintes pour des condensateurs supplémentaires, des ferrites et d'autres composants de filtrage sur votre carte si vous êtes novice en matière de conception pour la conformité CEM. Ajouter des empreintes prendra peu d'espace. Cependant, le fait de devoir les ajouter, et de faire potentiellement réviser votre carte, peut nécessiter du temps et de l'argent. Je vois souvent des cartes commerciales produites en série sur lesquelles il manque un certain nombre de passifs. On pourrait croire qu'ils pensaient pouvoir s'en tirer en supprimant ces composants pour réduire les coûts, mais il est également possible qu'il s'agisse d'empreintes ajoutées lorsqu'un ingénieur a pensé qu'il pourrait y avoir un problème de compatibilité électromagnétique et qu'il a joué la carte de la sécurité en ajoutant l'empreinte.

• En savoir plus sur les choix de conception pour faciliter la conformité CEM

Je tiens à remercier Simon Howkins, ingénieur commercial CEM, et Parm Singh, directeur du département CEM chez QAI Labs, pour leurs conseils avisés. Andy Eadie, consultant et formateur chez EMC Fast Pass, avec ses excellents e-books et ses formations, a également été une précieuse ressource pour moi pendant des années. La certification CEM est un sujet très complexe qui dépasse les simples bonnes pratiques de conception. La réglementation mondiale en matière de CEM comporte tellement de nuances qu'il est logique de travailler avec des experts sur cet aspect en particulier, afin d'en assurer la réussite. En collaborant avec une entreprise telle que QAI dès le début, vous pourrez vous concentrer sur votre produit et les tests de conformité seront beaucoup moins stressants. Au fur et à mesure que vous acquerrez de l'expérience dans la conception et les tests CEM pour votre entreprise, vous aurez moins besoin de pré-certification et de conseils de la part d'experts. Néanmoins, je vous recommande de les intégrer à votre plan de projet.

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