Сертификация ЭМС и ваша продукция

Большую часть своей карьеры в области электроники я провел, работая с малыми предприятиями и стартапами и помогая им превращать идеи в физические продукты. В работе почти с каждым клиентом я сталкивался с некоторыми заблуждениями в отношении соответствия требованиям к электромагнитной совместимости (ЭМС). Многие вообще не имели понятия о том, что их продукция должна проверяться на электромагнитную совместимость, некоторые не представляли себе длительность и стоимость сертификации, а другие были не в курсе требований, которые применяются к их продукции.

Среди тех, кто знал о сертификации, многие ошибочно полагали, что, поскольку в их продукции отсутствует Wi-Fi, Bluetooth или другой радиочастотный передатчик или приемопередатчик, ей не требуется проходить «радиочастотное тестирование». Другие считали, что, поскольку компания производит всего несколько десятков или сотен печатных плат, их не потребуется сертифицировать или они смогут обойтись без сертификата. Больше всего меня впечатлила компания, которая решила использовать серийно выпускаемые электронные платы (например, Arduino и коммутационные платы), просто соединяя их в корпусе и полагая, что ей не потребуется сертифицировать свое устройство.

Почти в каждой стране действуют собственные нормы электромагнитной совместимости и требования к сертификации. Сходство норм между странами может возникнуть в том случае, если страны граничат между собой или правила разрабатываются органом по сертификации/регулированию другой страны. Например, в Канаде и США действуют очень похожие требования, а в большинстве европейских стран требуется только соответствие правилам CE. Единые требования позволяют упростить процесс сертификации и сделать его экономически более эффективным по сравнению с процедурой сертификации устройства в каждом регионе, где предполагается продавать продукт. В некоторых странах требуется провести испытание продукта на соответствие национальным нормативным требованиям в лаборатории, расположенной на территории страны. В такой ситуации сертификация может стать существенно дороже и займет больше времени, поскольку придется отправлять устройства для испытаний в несколько лабораторий.

В этой статье мы остановимся на непреднамеренных излучателях, то есть устройствах, в которых не предусмотрено преднамеренное радиочастотное излучение. Создать электронную схему, которая вообще ничего не излучает, невозможно: всякий раз, когда по проводнику протекает переменный ток, возникает магнитное поле и, следовательно, излучается электромагнитная энергия. Существуют нормы и предписания, гарантирующие отсутствие помех для других устройств или радиосигналов при условии, что уровень этих излучений не превышает установленных предельных значений.

Почему важно соответствие нормативным требованиям

Если бы норм электромагнитной совместимости не существовало, то плохо спроектированные устройства могли бы создавать условия, в которых радиосвязь стала бы невозможной, а также ухудшать или нарушать работу других подключенных или расположенных поблизости устройств. Без таких норм пользоваться сотовыми телефонами, управлять по радиосвязи воздушным движением, выходить в Интернет через Wi-Fi, пользоваться спутниковой связью и всеми другими технологиями на основе электромагнитных волн было бы невозможно..

Может показаться, что я чрезмерно категоричен, однако мне приходилось наблюдать, как несертифицированные устройства создают для сигналов общедоступного некодированного телевещания помехи такого уровня, что качество сигнала в некоторых каналах теряется полностью и они становится недоступны для просмотра в том здании, где находится устройство, или что поблизости не работают системы персональной радиосвязи. Вот совсем экстремальный пример: на одном из мероприятий Maker, на котором я присутствовал, робот с мощными высокочастотными электромоторами, не прошедшими никаких испытаний, создавал трудности пожилому человеку с кардиостимулятором, пока его не отключили.

Как это связано с вами и вашей продукцией? Допустим, вы разработали единый блок для установки на промышленном объекте или изготавливаете коммутационные платы для продажи на Tindie. Как сказано на сайте Директивы Европейской комиссии по электромагнитной совместимости, «оборудование (устройства и стационарные установки) должно соответствовать требованиям ЭМС при поступлении на рынок и/или вводе в эксплуатацию».

Сколько бы устройств вы ни продавали — единственный экземпляр для однократного использования или миллион устройств для широкого сбыта — по закону вы обязаны сертифицировать оборудование. Это требование применимо даже в том случае, если вы не изготавливаете печатную плату, а собираете несколько готовых плат в корпусе. Аналогичные требования действуют в США (правила FCC), Канаде (требования ISED) и любой другой стране.

• Подробнее об отраслевых стандартах и нормах электромагнитных помех и совместимости

Вам может показаться, что, когда речь идет о нормативных актах, можно остаться незамеченным. Однако мне доводилось работать с небольшими производителями, которые ранее попадались на отсутствии документов о соответствии их продукции нормативным требованиям. Одним из таких клиентов был американский индивидуальный предприниматель, который продавал всего несколько сотен устройств в год. Он отправил заказ европейскому дистрибьютору, но таможня принимающей страны задержала груз до предъявления документов CE.

Другая компания продавала преднамеренные излучатели (изделия с радиочастотным излучением), тоже в небольшом количестве, и за продажу несертифицированного оборудования была оштрафована FCC на несколько сотен тысяч долларов. Сам по себе малый объем продаж не спасет вас, если ваша продукция привлечет внимание регулирующего органа.

Сертификация продукции безусловно обойдется гораздо дешевле, чем уничтожение товара или штраф из-за несоответствия нормативным требованиям.

Как сертифицировать продукт

В конечном итоге изделие должно быть направлено в сертификационную лабораторию, уполномоченную или допущенную регулирующими органами, в которых вы хотите сертифицировать свое изделие. Поиск лаборатории, которая вписывается в ваш бюджет и предоставляет все необходимые услуги, может оказаться непростой задачей. Если вам позволяют сроки, съездите на выставку электроники (если ее нет в вашем городе) — это отличный способ пообщаться с инженерами из разных лабораторий. Даже на относительно небольших выставках, посвященных производству и сборке электронных устройств, скорее всего, будут присутствовать представители нескольких лабораторий.

Компания, предлагающая самую низкую цену, не всегда будет оптимальной для испытаний. В процессе сертификации вам придется довольно тесно взаимодействовать с лабораторией, особенно если вы проходите эту процедуру впервые. В идеале, лаборатория должна сотрудничать с вами на протяжении всего процесса разработки вашего изделия. По мере создания прототипов вам придется посещать лабораторию с оборудованием или отправлять туда оборудование и проводить предварительное тестирование прототипа на соответствие нормативным требованиям.

Тестирование прототипов на ранней стадии позволяет своевременно вносить изменения в оборудование в случае обнаружения проблем, при этом экономится драгоценное время и деньги в отличие от варианта, когда изделие тестируется только на стадии готовности. При обнаружении проблем инженеры хорошей лаборатории не просто сообщат о том, что устройство не работает, а подскажут, как решить проблемы, основываясь на своем богатом опыте. Более того, принимая участие в предварительной сертификации, можно реализовать некоторые из этих предложений прямо на месте и быстро провести повторные испытания, чтобы по возвращении в офис у вас был готовый перечень изменений, а не просто набор проблем.

Какие сертификаты вам нужны и по какой цене

Если вы планируете продавать свою продукцию в Северной Америке и Европе, целесообразно начать с испытаний на соответствие правилам FCC в США, требованиям ISED в Канаде и требованиям европейской директивы CE по электромагнитной совместимости. Скорее всего, это позволит охватить большинство потенциальных покупателей вашей продукции. Государственные нормы электромагнитной совместимости по всему миру похожи, но не всегда одинаковы. Например, если вы собираетесь продавать свое оборудование в Австралии или Новой Зеландии, вам также может потребоваться испытать его на соответствие стандартам ЭМС AS/NZS. У Австралии и Новой Зеландии имеются соглашения о взаимном признании, которые могут применяться к директивам ЕС по электромагнитной совместимости, на соответствие которым вы уже прошли испытание.

За испытания на соответствие требованиям FCC и канадского стандарта ISED простого непреднамеренного излучателя с одним режимом работы, одним подключением к сети переменного тока и отсутствием портов ввода-вывода сигналов придется заплатить примерно 2000 долларов США и еще 4500 долларов США, если также проводятся испытания на соответствие требованиям директивы CE. Однако окончательная сумма будет зависеть от конкретной лаборатории, а также от тестируемого устройства.

Для устройств с питанием от батареек без возможности зарядки стоимость будет меньше, поскольку нет необходимости в испытаниях с сетью переменного тока. С другой стороны, для устройств с несколькими режимами работы или кабелями для ввода-вывода сигнала, которые необходимо проверить, стоимость будет выше, поскольку потребуется провести дополнительные испытания. Создание испытательных комплексов обходится в миллионы долларов и в них работают высококвалифицированные специалисты, у которых, как правило, высокая почасовая оплата. Поэтому, чем сложнее или продолжительнее программа испытаний вашего устройства, тем дороже она будет стоить.

Если в устройстве имеются функции беспроводной связи, для которых не используется предварительно одобренный радиомодуль, или предварительно одобренный модуль используется с нарушением правил его применения, указанных в руководстве по эксплуатации и разрешении на использование, то такое устройство необходимо испытывать и сертифицировать за дополнительную плату. Важно изучить руководство по эксплуатации и технические характеристики любого предварительно сертифицированного модуля, чтобы убедиться, что ваша антенна (если с устройством требуется или допустимо использовать внешнюю антенну) там явно указана и что вы точно соблюдали требования к питанию и конфигурации.

Кроме того, модуль должен использоваться только в тех режимах работы и при тех уровнях мощности, которые указаны в его руководстве. Если эти требования не выполняются, то используемый модуль не будет считаться предварительно одобренным и ваше устройство необходимо будет тестировать как преднамеренный излучатель.

Опыт сертификации

В идеальной ситуации ваш опыт испытаний на соответствие нормативным требованиям начинается с предварительного тестирования на начальной стадии разработки прототипа. Если ваша испытательная лаборатория находится далеко, вы можете отправить свой прототип или устройство вместе со всеми кабелями, аксессуарами и инструкциями по эксплуатации почтой, чтобы там его настроили и испытали.

Вот что рекомендуют Саймон Хокинс (Simon Howkins) и Парм Сингх (Parm Singh) из канадской лаборатории QAI Labs, чтобы испытания прошли максимально успешно.

Отправляясь в лабораторию ЭМС для испытания своего устройства на соответствие нормативным требованиям, лучше основательно подготовиться.Будьте готовы к неожиданностям. У вас должно быть полностью работоспособное устройство, которое может длительно работать в наихудшем для него режиме. Если для вашего устройства предусмотрено несколько режимов работы, их все следует предварительно проверить, чтобы определить наихудший. Если для работы вашего устройства требуется дополнительное или вспомогательное оборудование, его также необходимо доставить в лабораторию.

Если вспомогательное и дополнительное оборудование доставить невозможно, следует прибегнуть к имитации нагрузок и вспомогательного оборудования. Вполне возможно, что изделие не пройдет испытания с первой попытки и его придется доработать, чтобы оно соответствовало нормам ЭМС. Чтобы выполнить такие доработки прямо в лаборатории, захватите с собой все необходимые инструменты и компоненты, которые могут вам пригодится. К ним могут относиться ферриты, радиочастотные фильтры, экранирующие материалы, конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы и любые инструменты, которые потребуются для проведения работ.

Инструмент, о котором вы могли и вовсе не подумать — нож Exacto с запасными острыми лезвиями. Острым ножом Exacto легко вырезать небольшие дорожки или счистить паяльную маску, создав паяльную площадку, чтобы добавить в схему конденсатор или любой другой компонент, если возникнет такая необходимость.

Включение сертификации в план проекта

А вот еще несколько мудрых советов Саймона из QAI Labs для успешной подготовки к сертификации ЭМС.

Среди распространенных ошибок начинающих компаний, с которыми сталкиваются специалисты лабораторий ЭМС, следует отметить отсутствие должного внимания к аспектам ЭМС на начальном этапе проектирования устройства, отсутствие в графике работ достаточного времени для испытаний и сертификации устройства, откладывание испытаний и сертификации устройства на последний момент и неготовность к началу предварительных испытаний.

Бесплатная электронная книга Энди Иди (Andy Eadie) Get EMC Design Right First Time — это отличный ресурс, который поможет с самого начала внедрить в проектирование правильный подход к ЭМС. Я рекомендовал эту книгу многим клиентам, и все они говорили мне, что эти рекомендации полезны и просты для понимания. Наличие в плане реализации проекта времени на предварительную проверку соответствия, предварительное сканирование или предварительное конструкторское тестирование на прототипах в ходе проектирования позволяет определить, насколько устройство соответствует нормативным требованиям.

В зависимости от графика работы лаборатории может потребоваться некоторое время для проведения полных сертификационных испытаний после завершения предварительного тестирования. Когда испытания на соответствие требованиям ЭМС откладываются на последний момент, обнаружение неполадок в работе устройства может обойтись очень дорого, если продукт уже выпускается и его приходится дорабатывать. Не говоря уже о том, что необходимость изготовить и испытать новые прототипы может привести к срыву сроков.

Если рядом с вами нет лаборатории ЭМС и у вас нет возможности отправиться в другой регион, вы можете отправить свое изделие или прототипы в лабораторию по почте, сопроводив их инструкциями по настройке для проведения испытаний.

Простые варианты проектирования печатных плат, способствующие соблюдению нормативных требований

Уже около четырех лет я рекомендую клиентам электронные книги и учебные курсы EMC Fast Pass Энди Иди (Andy Eadie), поскольку считаю, что в них предлагается очень простое и понятное руководство по соблюдению требований и проектированию ЭМС. Я связался с Энди, чтобы узнать, какие советы он дал бы по теме этой статьи, и вот что он ответил.

1. Стек слоев печатной платы
   Выбор хорошей конструкции стека — это отличное начало при разработке печатной платы с прицелом на прохождение испытаний на ЭМС. Одним из наиболее важных аспектов проектирования является наличие на соседнем уровне целостной опорной плоскости (земли или питания) для всех цифровых (коммутирующих) сигналов. Если из-за этого получается слишком плотная трассировка, добавьте еще два слоя.

2. Развязывающие конденсаторы
   К каждому контакту питания микросхем и разъемов должен быть подключен хотя бы один развязывающий конденсатор. В настоящее время рекомендуется использовать конденсаторы одной емкости, например 100 нФ. Это помогает избежать случайных резонансов в плоскости питания.

3. Установка последовательных резисторов на внутренние и внешние низкоскоростные линии
   Это полезная лазейка. Устанавливайте последовательный резистор с нулевым сопротивлением на каждой дорожке низкоскоростных коммуникационных интерфейсов, таких как параллельные шины ЖК-дисплеев и последовательные порты, перед выходом с платы. Если плата не выдержала испытания на излучение, вместо них можно установить нагрузочные резисторы 10R-33R, которые подавят гармоники и уменьшат излучение.

4. П-образный фильтр на всех входах импульсных источников питания
   Без фильтра электромагнитных помех на входе напряжения импульсных источников питания конструкция, скорее всего, не пройдет испытания на излучение. Устанавливайте фильтр электромагнитных помех, например П-образный фильтр, на входе каждого импульсного источника питания.

Если вы новичок в проектировании с учетом требований ЭМС, я бы предложил немного расширить третий совет и добавить на плату посадочные места для дополнительных конденсаторов, ферритов и других компонентов фильтров. Для этого требуется всего лишь немного пространства. Однако, если эти компоненты придется добавлять с возможной переработкой платы, это может привести к значительным финансовым и временным затратам. Я часто вижу платы серийного производства с большим количеством недостающих компонентов. Можно, конечно, предположить, что разработчики решили отказаться от этих компонентов для снижения стоимости, но не исключено, что это просто посадочные места, добавленные инженером на случай возможной проблемы электромагнитной совместимости.

• Подробнее о вариантах проектирования для обеспечения соответствия требованиям к ЭМС

Я должен поблагодарить Саймона Хокинса, инженера по продажам услуг ЭМС, и Парма Сингха, директора департамента ЭМС в QAI Labs, за мудрые советы в ходе написания этой статьи. Кроме того, в течение многих лет я пользуюсь превосходными электронными книгами и учебными курсами Энди Иди из EMC Fast Pass, которые и в этот раз мне очень помогли. Сертификация на соответствие требованиям электромагнитной совместимости — очень сложная тема, выходящая за рамки обычных рекомендаций по проектированию. В международном регулировании электромагнитной совместимости так много нюансов, что для достижения успеха на этом этапе проектирования рекомендуется обращаться к специалистам. Подключив к проекту такую компанию, как QAI, на ранней стадии проектирования, вы сможете сосредоточиться на разработке устройства и провести испытания на соответствие требованиям с гораздо меньшими затратами. По мере приобретения опыта в проектировании и испытании ЭМС в вашей сфере ваши потребности в подготовке к сертификации и рекомендациях специалистов будут снижаться, но всегда рекомендуется учитывать их при планировании проекта.

Чтобы быть уверенным в своем преимуществе, используйте лучшее программное обеспечение для проектирования радиочастотных печатных плат из всех доступных — Altium Designer^®. Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам со следующей серией печатных плат? Свяжитесь со специалистом Altium.