Odbiorcy: Ten artykuł jest skierowany do inżynierów sprzętu, operatorów laboratoriów badań EMC oraz menedżerów ds. zgodności OEM, którzy muszą rozumieć projekt PCB pióra czytającego oraz kompatybilność EMC na platformach B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2 i Y6, obejmując stack-up, uziemienie, ESD, udary, emisję promieniowaną i przewodzoną oraz zgodność z CE RED / FCC Part 15.
Pióro czytające to produkt mały, ale gęsty elektromagnetycznie. W obudowie 145 mm na 28 mm mieszczą się mikrokontroler Cortex-M4 lub M7, sterownik LED pracujący przy 30 kHz, przetwornik audio sigma-delta DAC, ładowarka USB-C, akumulator litowy z BMS oraz tor sygnałowy czujnika pracujący przy 30 do 60 fps. Każdy z tych podsystemów może być potencjalnym źródłem zakłóceń EMC. Poniżej przedstawiamy zasady projektowania PCB, dzięki którym pióra B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2 i Y6 przechodzą CE RED, FCC Part 15, UKCA, RCM oraz ISED za pierwszą wizytą w laboratorium, a także poprawki wdrożone w terenie w trakcie 86 wydań oprogramowania i ponad 47 000 wysłanych egzemplarzy.
1. Stack-up PCB i liczba warstw
Każda płyta główna pióra czytającego to 4-warstwowy PCB na FR-4 z miedzią 1 oz na każdej warstwie. Stack-up jest następujący: górna warstwa sygnałowa + komponenty, wewnętrzna-1 masa, wewnętrzna-2 zasilanie, dolna warstwa sygnałowa + komponenty. Łączna grubość płytki wynosi 1,6 mm; stała dielektryczna 4,4; tangens strat 0,018. 4-warstwowy stack-up jest obowiązkowy ze względu na EMC; testowaliśmy płytki 2-warstwowe i konsekwentnie nie spełniają one wymagań emisji promieniowanej powyżej 30 MHz z marginesem błędu 6 do 10 dB.
Wymiary płytki różnią się w zależności od modelu. Płyta główna B1, B2, P2 ma wymiary 130 mm na 22 mm. Płyta główna K7 \/ KF1 ma wymiary 135 mm na 24 mm. Płyta główna L5, Q8, T2 ma wymiary 140 mm na 26 mm z dodatkową płytką-córką czujnika o wymiarach 9 mm na 6 mm. F8 i Q6 mają wymiary 128 mm na 22 mm. Węższe płytki (B1, B2, P2) wymagają najstaranniejszego prowadzenia ścieżek, aby utrzymać EMI pod kontrolą, ponieważ dostępna jest mniejsza powierzchnia miedzi dla ścieżki powrotnej masy.
Płaszczyzna masy na warstwie wewnętrznej-1 jest ciągła, z wyjątkiem strefy wykluczenia anteny (nieistotnej, ponieważ nie mamy anteny), przejścia sygnału czujnika oraz przejścia złącza USB-C. Ciągła płaszczyzna masy jest jednym czynnikiem, który w największym stopniu decyduje o spełnieniu wymagań emisji promieniowanej; każde wycięcie w płaszczyźnie masy powyżej 5 mm tworzy antenę szczelinową, która rezonuje w zakresie 200 do 500 MHz i spowoduje niezaliczenie EN 55032 Class B.
Wskazówka dla kupującego: Gdy audytujesz PCB pióra czytającego u nowego dostawcy, poproś o plik gerber płaszczyzny masy warstwy wewnętrznej-1. Jeśli widoczne są wycięcia szersze niż 5 mm lub duże wycięcia miedzi wokół wzmacniacza audio – zrezygnuj. Odrzuciliśmy 14 projektów PCB pierwszych artykułów w latach 2024–2025 z powodu naruszeń płaszczyzny masy, które spowodowałyby niezaliczenie CE przy pierwszej wizycie w laboratorium.
2. Podsystemy i ich sygnatury EMC
Pióro czytające posiada pięć podsystemów, z których każdy ma odrębną sygnaturę EMC. (1) Mikrokontroler Cortex-M4 lub M7 taktowany zegarem 168 MHz (M4) lub 240 MHz (M7); trzecia harmoniczna przy 504 MHz lub 720 MHz jest dominującą emisją promieniowaną. (2) PWM sterownika LED przy 30 kHz ze szczytowym prądem 1 A; krawędź PWM generuje podstawową częstotliwość 30 kHz oraz harmoniczne przy 60 kHz, 90 kHz itd., które przewodzą się z powrotem do linii akumulatora. (3) Przetwornik audio sigma-delta DAC z zegarem nadpróbkowania 256x wynoszącym 11,29 MHz; tworzy to widmo szumu skupione wokół 11,29 MHz z wstęgami bocznymi w paśmie podstawowym audio. (4) Ładowarka USB-C i kontroler CC; emisja przewodzona na kablu USB to znany tryb awarii dla każdego produktu 5 V. (5) Zegar CMOS czujnika przy 24 MHz; trzecia harmoniczna przy 72 MHz wpada w pasmo broadcast FM i przyciągnie uwagę niedoświadczonych operatorów laboratorium EMC.
Strategia łagodzenia zakłóceń jest wielowarstwowa. Dla mikrokontrolera stosujemy rozpraszanie spektrum zegara w modelach L5, Q8 i T2, aby rozłożyć pik 504 lub 720 MHz na zakres częstotliwości 2%, co zmniejsza amplitudę szczytową o 4 do 6 dB. Dla sterownika LED dodajemy dławik trybu wspólnego oraz kondensator buforowy 100 uF na pinie zasilania LED, aby filtrować krawędź PWM. Dla przetwornika audio DAC stosujemy filtr pi (LC + LC) na zasilaniu analogowym oraz koralik ferrytowy na zasilaniu cyfrowym. Dla USB-C dodajemy tablicę diod TVS oraz dławik trybu wspólnego na liniach D+/D-. Dla zegara czujnika ekranujemy kabel flex czujnika uziemioną taśmą miedzianą.
| Podsystem | Częstotliwość | Środek łagodzący | Ryzyko testowe |
|---|---|---|---|
| Mikrokontroler Cortex-M4\/M7 | 168\/240 MHz | Rozpraszanie spektrum (L5\/Q8\/T2), ścieżki ochronne | Wysokie |
| PWM sterownika LED | 30 kHz | Dławik trybu wspólnego, kondensator buforowy | Średnie |
| Przetwornik audio DAC | 11,29 MHz | Filtr pi, koralik ferrytowy | Średnie |
| USB-C CC | 5 V | Tablica TVS, dławik trybu wspólnego | Wysokie |
| Zegar CMOS czujnika | 24 MHz | Ekranowany flex, ferryt | Niskie |
3. ESD, udary i odporność na zaburzenia przewodzone
ESD to najczęstsza usterka terenowa piór czytających. Dziecko dotyka końcówki pióra po przejściu po dywanie, a pióro musi wytrzymać wyładowanie kontaktowe 8 kV i wyładowanie powietrzne 15 kV zgodnie z IEC 61000-4-2. Nasze pióra są klasyfikowane na 8 kV kontaktowo i 15 kV powietrznie na każdej odsłoniętej powierzchni metalowej (obudowa USB-C, kratka głośnika, przycisk zasilania).
Strategia ESD składa się z trzech warstw. (1) Tablica diod TVS (USBLC6-2SC6 lub równoważna) na każdym pinie zewnętrznego złącza. (2) Kondensator Y 1 nF na obudowie USB-C do masy w celu powolnego odprowadzania ładunku. (3) Uziemiony metalowy pierścień wokół kratki głośnika zapewniający preferowaną ścieżkę wyładowania. Taka kombinacja zazwyczaj zapewnia 8 kV kontaktowo bez resetu oraz 15 kV powietrznie z miękkim resetem, który odzyskuje sprawność w ciągu 200 ms.
Badanie udarów zgodnie z IEC 61000-4-5 jest wymagane dla produktów z zewnętrznymi kablami. Pióra czytające posiadają jedynie kabel USB-C, więc testujemy przy 1 kV między liniami oraz 2 kV linia-do-ziemi. Tablica diod TVS obsługuje udar; BMS dodaje drugą warstwę ochrony, izolując ogniwo podczas zdarzenia udarowego. Nie zaobserwowaliśmy żadnych usterek terenowych związanych z udarami w całej zainstalowanej bazie ponad 47 000 sztuk.
Odporność na zaburzenia przewodzone zgodnie z IEC 61000-4-6 jest badana od 150 kHz do 80 MHz przy 3 Vrms z modulacją AM 80% 1 kHz. Pióra czytające przechodzą ten test z łatwością, ponieważ nie mają długiego kabla sygnałowego pełniącego rolę anteny odbiorczej. Kabel flex czujnika jest najdłuższym kablem wewnętrznym – ma 35 mm i jest znacznie poniżej długości rezonansowej dla testowanego zakresu częstotliwości.
4. Emisja promieniowana i przewodzona
Emisja promieniowana zgodnie z EN 55032 Class B (lub FCC Part 15 Class B) to badanie, które najczęściej nie jest spełniane przy pierwszym artykule pióra czytającego. Limit od 30 MHz do 1 GHz wynosi 40 dBuV\/m przy 3 m dla Class B; Class A to 47 dBuV\/m, ale większość kanałów sprzedaży detalicznej wymaga Class B.
Testujemy każdy model w trzech laboratoriach: SGS Shanghai, TUV SUD Shenzhen oraz Intertek Hong Kong. Wszystkie ponad 47 000 wysłanych do tej pory piór przeszło testy za pierwszą wizytą w jednym z tych trzech laboratoriów; projekt jest dojrzały, a reguły layoutu są wbudowane. Podczas ostatniej wizyty w laboratorium w marcu 2026 r. model Y6 przeszedł test z marginesem 4,2 dB przy 720 MHz, co jest najmniejszym marginesem, jaki akceptujemy przed ponownym spinem.
Emisja przewodzona na kablu USB-C zgodnie z EN 55032 Class B jest badana od 150 kHz do 30 MHz. Limit wynosi 56 dBuV quasi-peak przy 0,5 do 5 MHz, malejąc do 60 dBuV przy 30 MHz. Pióra czytające przechodzą test z marginesem 6 do 8 dB dzięki dławikowi trybu wspólnego na liniach USB-C oraz koralikowi ferrytowemu na linii VBUS.
| Test | Norma | Limit | Typowy margines |
|---|---|---|---|
| Emisja promieniowana | EN 55032 Class B | 40 dBuV\/m @ 3 m | 4-6 dB |
| Emisja przewodzona | EN 55032 Class B | 56-60 dBuV | 6-8 dB |
| ESD kontaktowe | IEC 61000-4-2 | 8 kV | Zaliczono |
| Wyładowania elektrostatyczne przez powietrze | IEC 61000-4-2 | 15 kV | Zaliczono |
| Udar | IEC 61000-4-5 | 1 kV / 2 kV | Zaliczono |
| Odporność na zaburzenia przewodzone | IEC 61000-4-6 | 3 Vrms | Zaliczono |
5. CE RED, FCC Part 15 oraz globalna matryca certyfikacji
Ponieważ pióra czytające nie zawierają żadnego nadajnika radiowego (brak Wi-Fi, brak Bluetooth), podlegają dyrektywie CE EMC 2014/30/UE, a nie CE RED 2014/53/UE. Zestaw badań stanowią EN 55032 (emisje) oraz EN 55035 (odporność). W przypadku FCC właściwym przepisem jest Part 15 Subpart B dla nieintencjonalnych nadajników. Zestaw badań to FCC Part 15.109 dla promieniowania oraz 15.107 dla zaburzeń przewodzonych.
Dla UKCA zestaw badań to BS EN 55032 oraz BS EN 55035, identyczne jak wersje unijne, lecz z oznakowaniem UKCA zamiast CE. Dla Australii RCM zestaw badań to AS/NZS CISPR 32, również funkcjonalnie identyczny. Dla Kanady ISED zestaw badań to ICES-003, który jest funkcjonalnie zgodny z FCC Part 15 Class B.
Dla Japonii VCCI zestaw badań to VCCI-CISPR 32, ponownie funkcjonalnie identyczny. Dla Arabii Saudyjskiej SFDA oraz ZEA ESMA zestaw badań to ponownie CISPR 32 z krajowym oznakowaniem. Dla Brazylii INMETRO badamy zgodnie z ABNT NBR IEC CISPR 32. Dla Meksyku NOM zestaw badań to NMX-I-163-NYCE-2015 (NOM-001-SCFI-2018). Dla Korei Południowej KC badamy zgodnie z KN 32 oraz KN 35.
W praktyce jeden raport z badań EMC wykonany w akredytowanym laboratorium w ramach systemu CB obejmuje wszystkie te rynki. Raport z badań zawiera certyfikat CB, a my dołączamy odchylenia krajowe. Koszt wynosi od 6 500 do 9 800 USD za model za raport CB, plus od 400 do 1 200 USD za każde odchylenie krajowe. Dla 11 modeli posiadamy aktualne certyfikaty CB oraz wszystkie główne odchylenia krajowe. Przewodnik aktualizacja certyfikacji pióra czytającego po zmianie produktu opisuje, co uruchamia ponowną certyfikację.
6. Reguły projektowania PCB zapewniające EMC za pierwszym podejściem
Jeśli projektujesz pióro czytające od podstaw (lub audytujesz projekt partnera ODM), poniższe reguły PCB zostały zweryfikowane w 86 wydaniach firmware oraz ponad 47 000 sztukach. (1) Stos 4-warstwowy z ciągłą wewnętrzną warstwą masy (inner-1). (2) Wszystkie kondensatory odsprzęgające w odległości do 1,5 mm od odpowiedniego pinu układu scalonego. (3) Ferrytowe perełki o paśmie 20 Hz na każdej linii zasilającej wchodzącej do bloku analogowego. (4) Ścieżki ochronne wokół taśmy flex sensora z przelotkami łączącymi ochronę z masą co 5 mm. (5) Dławik wspólnego trybu na liniach USB-C D+/D- oraz na zasilaniu sterownika LED. (6) Tablica diod TVS na każdym pinie zewnętrznego złącza. (7) Rozpraszanie widma zegara w głównym MCU w modelach L5, Q8, T2. (8) Filtr Pi (10 uH + 10 uF + 10 uH) na analogowym zasilaniu przetwornika DAC audio. (9) Ciągły pierścień masy wokół otworów głośnika i mikrofonu.
Te reguły stanowią różnicę między 6-tygodniowym a 16-tygodniowym cyklem laboratoryjnym. Zmierzyliśmy koszt pominięcia każdej reguły: pominięcie rozpraszania widma zegara dodaje od 3 do 4 tygodni poprawek; pominięcie dławika wspólnego trybu na USB-C dodaje 2 tygodnie; pominięcie ścieżki ochronnej flexu sensora dodaje od 4 do 6 tygodni. Koszt samych komponentów wynosi od 0,18 do 0,42 USD na pióro, co jest nieistotne w porównaniu z kosztem dodatkowej wizyty w laboratorium EMC wynoszącym od 2 400 do 4 800 USD za rundę.
7. Taśma flex sensora oraz ścieżka sygnału OID
Taśma flex sensora jest najbardziej wrażliwym elementem pióra czytającego pod kątem EMC. Przenosi analogowy sygnał wideo z czujnika obrazu CMOS do MCU z częstotliwością 30 lub 60 fps. Taśma to flex 4-warstwowy z parą różnicową 100 omów dla zegara pikseli i danych, plus zasilanie i masa. Długość wynosi od 35 do 50 mm w zależności od modelu.
Aby utrzymać czystość sygnału sensora, stosujemy taśmę flex z dedykowaną warstwą masy na górze i na dole, łączymy warstwy masy przelotkami co 4 mm oraz dodajemy uziemioną osłonę z taśmy miedzianej na całej taśmie po montażu. To połączenie dostarcza zegar pikseli 24 MHz z jitterem poniżej 1 ns, co jest wymagane, aby dekoder OID zablokował się na wzorze punktów.
Źle zaprojektowany flex sensora jest pierwotną przyczyną większości terenowych problemów z rozpoznawaniem, które wyglądają jak błędy oprogramowania. Jeśli flex ma przerwę w masie powyżej 3 mm, zegar pikseli wychwytuje zakłócenia EMI z MCU, a dekoder widzi fałszywe pozycje punktów. Wysłaliśmy pióra do ponad 230 dystrybutorów i odnotowaliśmy 4 przypadki terenowych awarii rozpoznawania spowodowanych flexem; w każdym przypadku pierwotną przyczyną była brakująca osłona z taśmy miedzianej po stronie sensora.
8. Tolerancje produkcyjne i odtwarzalność testów
Właściwości EMC zależą zarówno od spójności produkcji, jak i od projektu. Utrzymujemy następujące tolerancje w każdej partii produkcyjnej: (1) ciągłość płaszczyzny masy weryfikowana przez 100% test ciągłości metodą bed-of-nails przy 0,5 A; (2) indukcyjność dławika wspólnego trybu weryfikowana przez 100% pomiar LCR przy 100 kHz, tolerancja ±10%; (3) napięcie przebicia diody TVS weryfikowane przez próbkowanie AQL 1,0 w każdej partii; (4) uziemienie obudowy USB-C weryfikowane przez 100% test hipot przy 500 V DC przez 1 sekundę.
W naszej zainstalowanej bazie ponad 47 000 piór od 2023 roku wysłaliśmy 47 partii produkcyjnych z zerową liczbą zwrotów terenowych związanych z EMC. Ostatni zwrot terenowy związany z EMC miał miejsce w Q3 2023 i został powiązany z błędną wartością LCR w partii dławików wspólnego trybu od poddostawcy. Rozwiązaniem był 100% test LCR dławików przychodzących, który utrzymujemy od tego czasu.
9. Projekt zasilania oraz ładowarka akumulatora
Zasilanie pióra czytającego stanowi ładowarka impulsowa o częstotliwości 1,0 MHz (B1, B2, F8, P2) lub 1,5 MHz (K7, KF1, L5, Q6, Q8, T2, Y6), po której następują dwa LDO dla szyn analogowej i cyfrowej. Częstotliwość przełączania jest powyżej 1 MHz, aby utrzymać podstawową harmoniczną poza pasmem fal średnich oraz umożliwić zastosowanie małego induktora. LDO to TPS7A02 dla szyny analogowej (szum 20 uVrms) oraz TPS7A20 dla szyny cyfrowej (szum 10 uVrms).
Ładowarka to TI BQ24075 w małych piórach oraz TI BQ25896 w dużych piórach. Obie są zgodne z USB BC1.2. BQ25896 obsługuje szybkie ładowanie 1,5 A dla modeli L5, Q8 oraz T2. Celowo nie obsługujemy USB-PD ani QuickCharge, ponieważ dodatkowa kwalifikacja kabla i ładowarki dodałaby 0,30 USD do BOM i wymagałaby dodatkowej certyfikacji.
Więcej o stronie akumulatora znajdziesz w artykule bezpieczeństwo akumulatora litowo-polimerowego w piórze czytającym. Szerszą strategię certyfikacji omawia przewodnik aktualizacja certyfikacji pióra czytającego po zmianie produktu.
10. Lista kontrolna audytu PCB partnera ODM
Jeśli jesteś kupującym OEM oceniającym PCB partnera ODM, poniższa lista kontrolna eliminuje 80% prawdopodobnych awarii EMC przed inwestycją w laboratorium. (1) Stos to 4-warstwowy FR-4 z ciągłą wewnętrzną warstwą masy. (2) Kondensatory odsprzęgające w odległości do 1,5 mm od każdego pinu układu scalonego. (3) Ferrytowe perełki na każdym zasilaniu analogowym. (4) Dławik wspólnego trybu na USB-C D+/D-.. (5) Tablica TVS na każdym zewnętrznym pinie. (6) Rozpraszanie widma zegara w MCU. (7) Ścieżka ochronna wokół flexu sensora z przelotkami masy co 5 mm. (8) Filtr Pi na zasilaniu przetwornika DAC audio. (9) Pierścień masy wokół głośnika i mikrofonu. (10) Test ciągłości na 100% płytek. (11) Test LCR przychodzących dławików wspólnego trybu. (12) Test napięcia przebicia przychodzących diod TVS.
Partner, który przejdzie wszystkie 12 punktów, przejdzie CE / FCC / UKCA przy pierwszej wizycie w laboratorium z marginesem od 4 do 6 dB. Partner, który nie spełni 3 lub więcej punktów, prawdopodobnie będzie wymagał ponownego projektu i drugiej wizyty w laboratorium, co kosztuje dodatkowo od 3 200 do 4 800 USD opłat laboratoryjnych oraz od 4 do 6 tygodni opóźnienia w harmonogramie. Artykuł projekt PCB pióra czytającego i kompatybilność EMC stanowi referencję techniczną do udostępnienia zespołowi inżynieryjnemu Twojego partnera ODM.
Dla odniesienia wizualnego poniżej przedstawiamy mapę marginesów EMC dla naszych 11 modeli piór czytających z najnowszych wizyt laboratoryjnych w Q1 2026. Wszystkie przechodzą Class B z komfortowym marginesem; najciaśniejszy przypadek to Y6 przy 720 MHz — rezydua rozpraszania widma.
FAQ
Powiązane lektury
- Jak działa technologia pióra czytającego OID
- Architektura firmware pióra czytającego wyjaśniona
- Aktualizacja certyfikacji pióra czytającego po zmianie produktu
- Bezpieczeństwo akumulatora litowo-polimerowego w piórze czytającym
- Proces testów laboratoryjnych pióra czytającego
- Lutowanie rozpływowe SMT pióra czytającego
- Standardy testu starzenia pióra czytającego
- Kodek audio i kompresja MP3 w piórze czytającym