Destinatari: Questo articolo è rivolto ai responsabili qualità OEM/ODM, ai responsabili conformità delle aziende di marca e alle agenzie di approvvigionamento scolastico che devono leggere un rapporto di prova di immunità. Analizziamo i risultati delle prove di immunità radiata (RS) e di immunità condotta (CS) di tutti gli 11 SKU della gamma Smart Reading Pen (B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2, Y6), spieghiamo le modalità di guasto e mostriamo quali dettagli dell'involucro e del PCB determinano il superamento o il fallimento a 3 V/m.
Una penna per la lettura che non sopravvive a un insegnante che passa con un punto di accesso Wi-Fi non è una penna per la lettura conforme alla direttiva EMC europea 2014/30/UE. L'immunità è il complemento delle emissioni: invece di chiedersi "la penna inquina?", ci chiediamo "la penna continua a funzionare quando il mondo inquina intorno a lei?". Gli standard pertinenti sono EN 61000-4-3 (RS, radiata, da 80 MHz a 6 GHz a 3 V/m), EN 61000-4-6 (CS, condotta, da 150 kHz a 80 MHz a 3 V) e EN 61000-4-2 (ESD, trattato in un articolo correlato).
Consiglio per l'acquirente: Quando acquistate una penna per la lettura destinata alle scuole, chiedete il rapporto di prova EN 61000-4-3. Il criterio di superamento è che la penna continui a riprodurre l'audio senza interruzioni a 3 V/m. Un fornitore che fallisce a 1 V/m non è pronto per il mercato.
1. I tre standard di immunità secondo cui testiamo
| Standard | Tipo | Severità | Accoppiamento | Criterio di superamento |
|---|---|---|---|---|
| EN 61000-4-3 | Radiata (RS) | 3 V/m (80 % AM, seno 1 kHz) | Antenna a 3 m | Audio continua, nessun reset |
| EN 61000-4-6 | Condotta (CS) | 3 V rms (80 % AM, seno 1 kHz) | CDN su USB | Audio continua, nessun reset |
| EN 61000-4-2 | ESD (contatto / aria) | ±4 kV contatto / ±8 kV aria | Pistola di scarica | Nessun blocco, audio riprende |
| EN 61000-4-4 | Burst (EFT) | ±1 kV su USB, ±0,5 kV su segnale | Pinza capacitiva | Audio continua |
| EN 61000-4-5 | Surge | ±0,5 kV differenziale su USB | Accoppiatore | Audio continua, nessun latch |
La prova più difficile nella pratica è la RS, perché il guasto è a volte un'interruzione audio di 7 secondi che l'utente percepisce come un "salto". La più semplice nella pratica è la Surge, perché la porta USB è corta e il circuito di protezione contro le sovratensioni è composto da soli 2 componenti. Questo articolo si concentra su RS e CS.
2. Configurazione di prova RS e sonda di campo
La prova di immunità radiata posiziona la penna per la lettura su un tavolo non conduttivo all'interno di una camera semi-anecoica, illuminata da un'antenna biconica/log-periodica a 3 m di distanza. Una sonda di campo monitora l'intensità del campo nella posizione della penna; il computer della camera esegue una scansione da 80 MHz a 6 GHz con passo dell'1 % e permanenza di 1 secondo per frequenza, con modulazione di ampiezza all'80 % a 1 kHz.
Durante la scansione, la penna riproduce una traccia audio di prova continua ("the quick brown fox jumps over the lazy dog") da un file WAV a 44,1 kHz al 70 % del volume massimo. Il microfono di riferimento è posizionato a 30 cm dalla griglia dell'altoparlante. Qualsiasi calo del livello di pressione sonora superiore a 2 dB per più di 50 ms viene registrato come un guasto RS.
La scansione richiede 92 minuti per SKU per orientamento. Testiamo quattro orientamenti (orizzontale, verticale, di taglio, USB verso l'alto) e due polarizzazioni (antenna orizzontale e verticale), per un totale di 8 scansioni. Il costo per SKU per ciclo è di 4 200 $ di tempo camera presso il nostro partner di certificazione; eseguiamo il ciclo trimestralmente.
3. Margine di superamento RS per SKU a 3 V/m
Il criterio di superamento a 3 V/m è "nessuna interruzione". In pratica vogliamo almeno il 30 % di margine, il che significa che la penna deve continuare a funzionare correttamente a 4 V/m. La tabella seguente mostra l'intensità di campo alla quale la penna inizia a perdere audio per almeno una banda di frequenza.
| Modello | SoC | Intensità di campo del primo drop (V/m) | Supera a 3 V/m? | Banda di frequenza peggiore |
|---|---|---|---|---|
| B1 | M0 + SE | 4,6 | Supera | 220–280 MHz |
| B2 | M0 + SE | 4,6 | Supera | 220–280 MHz |
| F8 | M4F | 4.2 | Superato | 480–520 MHz |
| K7 | M4F | 4.0 | Superato | 480–520 MHz |
| KF1 | M4F | 3.8 | Superato | 480–520 MHz |
| L5 | M33 TZ-M | 5.4 | Superato | 720–960 MHz |
| P2 | M0 + SE | 4.4 | Superato | 220–280 MHz |
| Q6 | M33 TZ-M | 4.8 | Superato | 720–960 MHz |
| Q8 | M33 TZ-M | 4.6 | Superato | 720–960 MHz |
| T2 | A53 SE | 5.6 | Superato | 2.4–2.5 GHz |
| Y6 | A53 SE | 5.4 | Superato | 2.4–2.5 GHz |
Tutti gli 11 SKU superano a 3 V/m. La soglia di prima caduta varia tra 3,8 V/m sul K7 e 5,6 V/m sul T2. Il T2 e lo Y6 beneficiano del migliore PSRR (power supply rejection ratio) del codec audio più grande, che rende il percorso audio più tollerante all'accoppiamento di energia RF amplificata attraverso il cavo USB.
Le bande di frequenza peggiori si raggruppano in tre gruppi: 220–280 MHz sulle serie B e P (dove si trova la terza armonica del convertitore boost), 480–520 MHz sulle serie F e K (dove si trova la terza armonica del clock a 168 MHz del Cortex-M4F), 720–960 MHz sulle serie L e Q (dove si trova la quinta armonica del clock a 192 MHz del Cortex-M33) e 2,4–2,5 GHz su T2 e Y6 (che è l'intervallo di frequenza fondamentale della radio BLE, soggetto a self-desense).
4. Setup del test CS e accoppiamento CDN
Il test di immunità condotta inietta energia RF attraverso una CDN (coupling-decoupling network) collegata al cavo USB. Il livello di iniezione è 3 V rms da 150 kHz a 80 MHz, con modulazione AM all'80%. L'uscita audio della penna è controllata per rilevare dropout.
Il test CS è molto più veloce (12 minuti per porta CDN) ma più insidioso perché l'impedenza di modo comune della CDN a 1 MHz è 150 Ω, e l'impedenza di modo comune del cavo USB alla stessa frequenza è 30 Ω. Il disadattamento provoca una sovratensione sulla porta USB della penna in corrispondenza delle risonanze, che viene smorzata con un anello in ferrite sull'ingresso USB.
| Modello | Livello CS di prima caduta (V rms) | Frequenza peggiore | Superato a 3 V? |
|---|---|---|---|
| B1 | 4.4 | 1,4 MHz | Superato |
| B2 | 4.4 | 1,4 MHz | Superato |
| F8 | 4.0 | 11.4 MHz | Superato |
| K7 | 3.9 | 11.4 MHz | Superato |
| KF1 | 3.8 | 11.4 MHz | Superato |
| L5 | 4.6 | 4.2 MHz | Superato |
| P2 | 4.4 | 1.4 MHz | Superato |
| Q6 | 4.2 | 4.2 MHz | Superato |
| Q8 | 4.1 | 4.2 MHz | Superato |
| T2 | 4.8 | 8.6 MHz | Superato |
| Y6 | 4.7 | 8.6 MHz | Superato |
Tutti gli 11 SKU superano la CS a 3 V rms. Il livello di prima caduta è compreso tra 3,8 e 4,8 V, ampiamente sopra la soglia di 3 V.
5. Le tre modalità di guasto ricorrenti
Tre modalità di guasto sono alla base dell'88 % dei tentativi di re-test RS:
- Interruzione audio a 480 MHz sulle serie F e K — causata dalle armoniche del clock a 168 MHz. Soluzione: aggiungere un condensatore da 33 pF in parallelo all'induttore di boost e una ferrite sulla porta USB.
- Reset di avvio a 720 MHz su Q6 — causato da un calo di tensione sul rail VDD. Soluzione: aumentare la capacità di massa sul rail dell'amplificatore audio da 22 μF a 47 μF.
- Desensibilizzazione BLE a 2,4 GHz su T2 — causata dall'auto-desensibilizzazione della radio quando l'audio è al volume massimo. Soluzione: ridurre l'uscita audio a fondo scala da 1,0 Vrms a 0,85 Vrms durante la trasmissione BLE.
| Modalità di guasto | Frequenza | SKU interessati | Soluzione | Margine recuperato |
|---|---|---|---|---|
| Interruzione a 480 MHz | 480 MHz | F8, K7, KF1 | 33 pF + ferrite | +1,2 dB |
| Reset a 720 MHz | 720 MHz | Q6, Q8 | 22 → 47 μF di massa | +1,6 dB |
| Desensibilizzazione 2.4 GHz | 2.4 GHz | T2, Y6 | Guadagno trim amp | +0,9 dB |
6. La storia dell'alloggiamento e del cavo
La penna di lettura è un piccolo volume conduttivo con porta USB, altoparlante audio, microfono, sensore della fotocamera e batteria. L'alloggiamento in plastica è in ABS sulle serie B, F, P e in PC/ABS sulle serie L, K, Q, T, Y. La plastica è una barriera ma non una schermatura; non metallizziamo l'interno dell'alloggiamento perché, alla nostra scala, il costo supera il beneficio.
Il cavo USB è la storia più interessante. Il cavo è lungo 30 cm sugli SKU in bundle e 1 m sull'opzione OEM. Il cavo da 1 m si comporta come un'antenna in modo comune nella banda 220–400 MHz e riduce il margine RS di circa 1 dB. Lo documentiamo e consigliamo di utilizzare il cavo da 30 cm per le installazioni EU nel caso peggiore.
| Cavo | Margine RS caso peggiore (B1 a 280 MHz) | Raccomandazione |
|---|---|---|
| 30 cm schermato | Prima caduta a 4,6 V/m | Bundle standard |
| 1 m schermato | Prima caduta a 3,6 V/m | Opzione OEM con nota di attenzione |
| 1 m non schermato | Prima caduta a 2,8 V/m | Non spedito |
Un responsabile IT di un distretto scolastico che legga questo può richiedere che il cavo schermato da 30 cm sia inserito nell'ordine; lo facciamo a 0,40 $ per penna contro 0,18 $ per il cavo da 1 m non schermato.
7. Programmi OEM e re-test post-certificazione
Un OEM con Pattern A che ridisegna il routing dell'amplificatore audio o aggiunge una scheda figlia per un modulo wireless specifico OEM necessita di un re-test di immunità. Il costo varia in base a ciò che è cambiato.
| Modifica OEM | Costo re-test | Tempo | Nuovo certificato? |
|---|---|---|---|
| Colore dell'alloggiamento (nessuna modifica metallica) | 0 $ | 0 | No |
| Solo lunghezza cavo | $800 | 3 settimane | Sì (delta) |
| Re-routing amplificatore audio | $2 400 | 6 settimane | Sì |
| Aggiunta modulo wireless | $4 200 | 8 settimane | Sì |
| Cambio batteria | $1 200 | 4 settimane | Sì |
Raccomandiamo vivamente che le modifiche lato OEM durante il ciclo di vita del programma siano limitate a componenti non rilevanti per la EMC; il modo più economico per spedire alle scuole UE è acquistare uno SKU già certificato.
8. Il verdetto finale per distributori e gare d'appalto
L'immunità è il punto in cui le penne di lettura economiche perdono il loro vantaggio di costo. Un B1 a 4,6 V/m e un T2 a 5,6 V/m superano entrambi il test, ma il vantaggio di margine di 0,6 dB del T2 si traduce in una probabilità inferiore del 20 % di un guasto in campo al prossimo aggiornamento Wi-Fi della scuola. Se state partecipando a una gara per un programma scolastico di 12 000 penne, i numeri favoriscono lo SKU di livello superiore.
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