La certificazione EMC: un passaggio fondamentale per i tuoi prodotti

Ho trascorso la maggior parte della mia carriera nel campo dell'elettronica lavorando con o per conto di piccole imprese e startup, aiutandole a trasformare le loro idee in un prodotto fisico. Alcuni malintesi ricorrenti che ho dovuto affrontare con quasi tutti i clienti riguardavano la conformità alla compatibilità elettromagnetica. Molti non avevano idea del fatto che i loro prodotti avrebbero avuto bisogno dei test EMC, alcuni non erano a conoscenza della durata e del costo della certificazione EMC e altri non sapevano come i requisiti si applicassero ai loro prodotti.

Tra quelli che conoscevano la certificazione, molti credevano erroneamente che il loro prodotto non fosse dotato di un WiFi, di un Bluetooth o di un altro trasmettitore o ricetrasmettitore RF, e che quindi non ci fosse bisogno di sottoporlo a un "test RF". Altri ritenevano che un'azienda che produce solo alcune decine o centinaia di schede non fosse obbligata a certificarsi, o che potesse cavarsela senza ottenere la certificazione. Il mio aneddoto preferito è quello di un'azienda che è ricorsa all'utilizzo di schede elettroniche disponibili in commercio (ad esempio, Arduino e schede breakout) e le ha collegate insieme in un involucro pensando di non dover certificare il dispositivo ottenuto.

Direttive sulla compatibilità elettromagnetica

Quasi tutti i Paesi hanno le proprie direttive sulla compatibilità elettromagnetica e i propri requisiti di certificazione EMC. È possibile riscontrare somiglianze tra i regolamenti dei vari Paesi quando sono confinanti o quando l'autorità di certificazione/regolamentazione di un altro Paese presiede lo sviluppo del regolamento. Ad esempio, Canada e Stati Uniti hanno requisiti molto simili e la maggior parte dei Paesi europei richiede solo la conformità alle norme CE. I requisiti comuni consentono un processo di certificazione più semplice ed economico rispetto a quello che si avrebbe se si dovesse certificare il dispositivo per ogni regione in cui si intende commercializzare il prodotto. Ci sono Paesi che richiedono di testare il prodotto rispetto alle normative in un laboratorio posto all'interno dei loro confini. In questo modo, però, aumentano significativamente i costi e i tempi della certificazione, poiché è necessario inviare dispositivi per i test a più laboratori.

In questo articolo, ci concentreremo in particolare sui radiatori non intenzionali, dispositivi che non irradiano emissioni RF intenzionalmente. Non è possibile costruire un circuito elettronico senza emissioni di qualche tipo; ad ogni corrente variabile che fluisce attraverso un conduttore, si crea un campo magnetico e quindi si irradia energia elettromagnetica. Esistono regolamenti e direttive per garantire che queste emissioni non interferiscano con altri dispositivi o segnali radio, assicurando che siano inferiori ai limiti specificati.

Perché la compatibità elettromagnetica è importante

Se non esistessero le normative EMC, dei dispositivi mal progettati potrebbero creare un ambiente in cui la comunicazione radio non sarebbe possibile, oltre a danneggiare o distruggere la funzionalità di altri dispositivi collegati o nelle vicinanze. Senza questi regolamenti, l'uso di telefoni cellulari, il controllo del traffico aereo via radio, l'accesso a Internet tramite WiFi, le comunicazioni satellitari e ogni sorta di altra tecnologia basata sulle onde elettromagnetiche potrebbero non essere possibili.

Quelli appena presentati potrebbero sembrare esempi limite, tuttavia, ho visto dispositivi non certificati interferire con i segnali TV free-to-air fino a compromettere la qualità del segnale di alcuni canali in maniera tale che risultava impossibile guardarli nello stesso edificio del dispositivo, o radio CB nelle vicinanze messe fuori uso. Per fare un esempio estremo, a un evento Maker ho visto un robot con motori ad alta frequenza e ad alto amperaggio, non sottoposto ad alcun test, mettere in difficoltà un anziano signore con un pacemaker fino a quando non lo hanno spento.

In che modo tutto questo discorso si collega a te e al tuo prodotto? Magari stai realizzando una singola unità da installare in un impianto industriale. Oppure costruisci schede breakout da vendere su Tindie. Per citare il sito Web della direttiva sulla compatibilità elettromagnetica della Commissione europea, "le attrezzature (apparecchi e impianti fissi) devono rispettare i requisiti EMC quando vengono immessi sul mercato e/o messi in servizio".

Che tu venda un solo dispositivo per un singolo uso o che produca un milione di dispositivi per la distribuzione, sei obbligato per legge a certificare l'attrezzatura. L'obbligo vale anche nel caso in cui si assemblino più schede standard in un involucro anziché creare un PCB. Gli stessi requisiti si applicano agli Stati Uniti (norme FCC), al Canada (requisiti ISED) e a ogni altra nazione.

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Forse pensi di poter passare inosservato quando si tratta di regolamenti. Tuttavia, diversi clienti con ridotti volumi di produzione con cui ho lavorato in passato sono stati scoperti senza documenti di conformità per i loro prodotti. Uno di essi era un'azienda individuale americana con un volume di vendite di solo alcune centinaia di unità all'anno. Aveva spedito un ordine a un distributore in Europa e la dogana del Paese di destinazione ha trattenuto la spedizione fino a quando non è stato possibile presentare i documenti CE.

Un altro vendeva radiatori intenzionali (un prodotto RF), sempre in volumi ridotti, ed è stato multato per diverse centinaia di migliaia di dollari dalla FCC per aver venduto un prodotto non certificato. Il solo fatto di realizzare un basso volume di vendita non ti salverà nel caso in cui il tuo prodotto venga sottoposto all'attenzione di un'autorità di regolamentazione.

Certificare il tuo prodotto sarà sicuramente molto più economico che vedere stroncata una spedizione per mancanza di conformità o essere multati.

Come ottenere la certificazione EMC dei tuoi prodotti

In definitiva, il prodotto deve essere sottoposto a un laboratorio di certificazione approvato dagli enti normativi per i quali desideri certificare il tuo prodotto. Trovare un laboratorio EMC che rientri nel tuo budget e offra i servizi di cui hai bisogno può essere un'impresa non facile. Se ne hai la possibilità, visitare una fiera di elettronica (se la tua città non ne ospita nemmeno una) è un'ottima occasione per poter parlare con gli ingegneri di diversi laboratori. Anche alle fiere relativamente piccole, dedicate al business della produzione/assemblaggio di dispositivi elettronici, è possibile incontrare diversi rappresentanti di vari laboratori.

L'azienda che offre il preventivo più basso non sarà necessariamente la migliore con cui svolgere i test per la compatibilità elettromagnetica. Dovrai lavorare a stretto contatto con il laboratorio durante il processo di certificazione, soprattutto se è la prima volta che affronti la procedura. Idealmente, il laboratorio scelto collaborerà con te durante l'intero processo di sviluppo del prodotto. Durante lo sviluppo dei prototipi, è possibile visitare il laboratorio con l'hardware o inviare l'hardware al laboratorio per eseguire test di pre-conformità sul prototipo.

Testare i prototipi in anticipo ti permette di apportare modifiche tempestive all'hardware in caso di problemi, facendoti risparmiare tempo e denaro rispetto all'invio dell'articolo finale per i test. Se riscontri dei problemi, gli ingegneri di un buon laboratorio ti consiglieranno come risolverli in base alla loro vasta esperienza, piuttosto che limitarsi a constatare un fallimento. Ancor meglio, partecipare di persona alla pre-certificazione ti permetterà di mettere in pratica alcuni di questi suggerimenti sul posto e di ripetere rapidamente i test, in modo da poter tornare in ufficio con un elenco di modifiche piuttosto che con un elenco di problemi.

Di quali certificazioni hai bisogno e a quale prezzo

Se hai intenzione di vendere i tuoi prodotti in Nord America e in Europa, un buon punto di partenza è testare la conformità alle norme FCC di USANA, ai requisiti dell'ISED Canada e alle direttive CE EMC europee. Probabilmente, in questo modo coprirai la maggior parte dei potenziali clienti del prodotto. Le normative EMC stabilite dai governi di tutto il mondo sono simili, ma non sono tutte uguali. Ad esempio, se intendi commercializzare il tuo prodotto in Australia o in Nuova Zelanda, potresti dover eseguire i test anche secondo gli standard EMC AS/NZS; l'Australia e la Nuova Zelanda hanno accordi di riconoscimento reciproco che potrebbero applicarsi alle direttive EMC dell'UE che stai già testando.

Per un semplice radiatore non intenzionale con una sola modalità di funzionamento, una connessione di rete CA e nessuna porta segnale/IO, puoi aspettarti di pagare circa 2.000 $ per i test di conformità EMC FCC e ISED Canada e altri 4.500 $ se viene eseguito anche il test di conformità alla direttiva EMC CE. L'importo da pagare, tuttavia, dipenderà dal laboratorio con cui lavori e dal dispositivo che stai testando.

Per i dispositivi alimentati a batteria senza capacità di ricarica, il costo è inferiore poiché il test della rete CA diventa superfluo. D'altra parte, per i dispositivi con più modalità di funzionamento o cavi di segnale/IO da testare, il costo è più elevato in quanto è necessario effettuare ulteriori test. Le strutture di collaudo richiedono milioni di dollari per essere allestite e sono gestite da ingegneri di grande esperienza con tariffe orarie tipicamente significative. Di conseguenza, più complesso o lungo è il piano di test per il dispositivo, maggiore sarà il costo.

Se il dispositivo dispone di funzionalità wireless che non utilizzano un modulo radio pre-approvato o utilizzano un modulo pre-approvato al di fuori delle regole di utilizzo, come specificato nel manuale d'uso e nella concessione dell'autorizzazione, il dispositivo dovrà essere sottoposto a test e certificazione wireless a un costo aggiuntivo. È importante controllare il manuale dell'utente e la scheda tecnica di qualsiasi modulo pre-certificato per assicurarsi che l'antenna (se richiede o consente un'antenna esterna) sia specificatamente menzionata e che siano stati seguiti alla lettera i requisiti di alimentazione e layout.

Inoltre, è necessario assicurarsi di utilizzare il modulo solo per le modalità di funzionamento e i livelli di alimentazione specificati nel manuale. Se non rispetti questi requisiti, il tuo utilizzo del modulo non sarà classificato come pre-approvato e il dispositivo dovrà essere testato come radiatore intenzionale.

L'esperienza di certificazione EMC

Idealmente, la tua esperienza con i test di conformità inizierà con il pre-test nella fase iniziale del prototipo. Se non sei vicino al laboratorio con cui lavori, puoi spedire il prototipo o il dispositivo con tutti i cavi, gli accessori e le istruzioni per l'uso, in modo che possa essere configurato e testato.

Simon Howkins e Parm Singh di QAI Labs in Canada suggeriscono quanto segue per facilitare il più possibile l'esperienza di test:

Quando ci si reca in un laboratorio EMC per testare la conformità del prodotto, è meglio essere preparati per qualsiasi evenienza.  Aspettati l'inaspettato. Dovrai portare un dispositivo completamente operativo in grado di funzionare continuamente nella sua tipica modalità di funzionamento nelle condizioni peggiori. Se il dispositivo ha più modalità di funzionamento, dovrebbero essere tutte pre-scansionate per determinare la modalità peggiore. Se il dispositivo necessita di apparecchiature ausiliarie o di supporto per il funzionamento, anche queste dovranno essere portate in laboratorio.

Se non è possibile portare l'effettiva attrezzatura ausiliaria e di supporto, è necessario utilizzare carichi simulati e attrezzatura ausiliaria. È molto probabile che il prodotto non superi i test al primo tentativo e che sia necessario modificarlo affinché sia conforme alle normative EMC. Per apportare queste modifiche in laboratorio, porta tutti gli strumenti e i componenti necessari. Ciò potrebbe includere ferriti, filtri RF, materiali di schermatura, condensatori, induttori, resistori ed eventuali strumenti necessari per le modifiche.

Uno strumento che potresti non aver considerato è un coltello tipo Exacto con lame affilate di ricambio. Con un coltello Exacto affilato è facile tagliare piccole tracce o raschiare la maschera di saldatura per creare una piazzola di saldatura, permettendoti così di aggiungere un condensatore o qualsiasi altro componente al circuito, se necessario. 

Inserisci la certificazione nel tuo piano di progetto

Ecco un altro consiglio di Simon di QAI Labs per prepararsi con successo alla direttiva sulla compatibilità elettromagnetica.

Gli errori più comuni che si riscontrano nel laboratorio EMC da parte delle start-up includono il fatto: di non incorporare aspetti di progettazione EMC validi nel dispositivo fin dall'inizio del ciclo di progettazione, di non inserire nel programma un tempo sufficiente per il collaudo e la certificazione del dispositivo, di lasciare il collaudo e la certificazione del dispositivo all'ultimo minuto e di non essere preparati quando si arriva in laboratorio per il primo giorno di test pre-scansione.

L'eBook gratuito di Andy Eadie "Get EMC Design Right First Time" è un'ottima risorsa per incorporare un buon design EMC fin dall'inizio. L'ho consigliato a molti clienti e tutti hanno trovato i consigli utili e di facile comprensione. Riservare del tempo nel piano di progetto per i test di pre-conformità, pre-scansione o una fase di ricerca e sviluppo preliminare sui prototipi nel ciclo di progettazione ti permette di determinare come si posiziona il dispositivo rispetto alle normative.

A seconda della programmazione di un laboratorio, può essere necessario un po' di tempo per eseguire il test di certificazione completo dopo aver completato i test di pre-certificazione. Lasciare i test di conformità EMC all'ultimo minuto e poi scoprire che il dispositivo non funziona può essere costoso se il prodotto è già in fase di fabbricazione e dovrà essere modificato. Per non parlare del fatto che le scadenze potrebbero non essere rispettate se è necessario costruire e testare nuovi prototipi.

Se ti trovi in un'area in cui non è presente alcun laboratorio EMC nelle vicinanze e non hai la possibilità di viaggiare, è possibile spedire il prodotto o i prototipi a un laboratorio con le istruzioni su come configurarlo per il test.

Semplici scelte di progettazione PCB che favoriscono la conformità

Per circa quattro anni, ho consigliato ai clienti gli eBook e i corsi di formazione EMC Fast Pass di Andy Eadie, poiché ritengo che offrano una guida molto semplice e di facile comprensione alla conformità e alla progettazione EMC. Ho contattato Andy per chiedergli quali sarebbero stati i suoi migliori consigli per questo articolo, ed ecco cosa mi ha detto:

1. Stack di layer PCB
   Un ottimo punto di partenza quando progetti un PCB per superare i test EMC è scegliere una buona configurazione di stack-up. Uno degli aspetti più importanti è garantire di fornire sempre un piano di riferimento ininterrotto (GND o PWR) su un layer adiacente per tutti i segnali digitali (switching). Se il routing è troppo denso per farlo, aggiungi altri 2 layer.

2. Condensatori di disaccoppiamento
   Dota ogni singolo IC e pin di alimentazione del connettore di almeno un condensatore di disaccoppiamento. La migliore pratica attualmente consigliata è standardizzare i valori dei condensatori a un valore come 100 nF. In questo modo è possibile evitare di creare accidentalmente delle risonanze sul piano di alimentazione.

3. Aggiungere resistenze in serie alle comunicazioni a bassa velocità fuori scheda e tra schede
   Questo è un utile lasciapassare. Per interfacce di comunicazione a bassa velocità come bus LCD in parallelo e SPI, includi un resistore in serie a zero ohm su ogni traccia prima che lasci la scheda. Se la tua scheda non supera il test delle emissioni, puoi invece inserire dei resistori di terminazione 10R-33R in grado di smorzare le armoniche e ridurre le emissioni.

4. Filtro Pi su tutti gli ingressi SMPS
   Senza un filtro EMI sulla tensione di ingresso di un SMPS, è molto probabile che un progetto fallisca i test sulle emissioni veicolate. Includi sempre un filtro EMI come un filtro pi sull'ingresso di ciascun SMPS.

Personalmente, suggerirei di fare un ulteriore passo avanti con il suggerimento 3 e di aggiungere dei footprint per condensatori aggiuntivi, ferriti e altri componenti del filtro sulla scheda se non si è nuovi alla progettazione per la compatibilità elettromagnetica. Non costa nulla, se non un po' di spazio per aggiungere dei footprint sulla scheda. Tuttavia, doverli aggiungere e magari far revisionare la scheda può essere costoso sia in termini economici che di tempo. Vedo spesso schede commerciali prodotte in serie con molti passivi mancanti. Si potrebbe pensare che abbiano pensato di farla franca rimuovendo quei componenti per ridurre i costi, ma è anche possibile che si tratti di footprint aggiunti nel momento in cui un ingegnere si è reso conto della possibilità di un problema di EMC e ha giocato d'anticipo aggiungendo il footprint.

• Ulteriori informazioni sulle scelte di progettazione per favorire la conformità EMC

Ringrazio Simon Howkins, Sales Engineer di EMC, e Parm Singh, Direttore del Dipartimento EMC presso QAI Labs per i saggi consigli su questo articolo. Inoltre, Andy Eadie di EMC Fast Pass, con i suoi eccellenti eBook e corsi di formazione, si è rivelato una risorsa preziosa per me per anni, e più recentemente con i suggerimenti di cui sopra. La certificazione EMC è un argomento molto complicato al di là della semplice buona pratica di progettazione. Ci sono così tante sfumature nella regolamentazione EMC globale che ha senso lavorare con gli esperti su questo aspetto del progetto per garantirne il successo. L'integrazione di un'azienda come QAI nel tuo piano di progetto fin dalle prime fasi può consentirti di concentrarti sul tuo prodotto e di rendere i test di conformità molto meno stressanti. Man mano che acquisisci maggiore esperienza nella progettazione e nei test EMC relativi alla tua attività, avrai meno bisogno di certificazioni preliminari e della guida degli esperti, ma è sempre consigliabile inserirle nel tuo piano di progetto.

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