¿Qué es la CEM? Emisión, inmunidad y caminos de acoplamiento

La compatibilidad electromagnética (CEM) es la capacidad de un equipo de funcionar satisfactoriamente en su entorno electromagnético sin introducir perturbaciones electromagnéticas intolerables en nada de ese entorno. Esta definición, del Vocabulario Electrotécnico Internacional (IEV 161-01-07), tiene dos mitades, y cada requisito de CEM que encontrará corresponde a una de ellas. Este artículo explica las dos mitades, el modelo fuente–camino–víctima con el que se analiza cualquier problema de interferencia y los pasos que sigue un producto antes de poder venderse en mercados como la UE, Estados Unidos, Corea y Japón.

Emisión e inmunidad: las dos mitades de la CEM

Los requisitos de emisión limitan lo que el producto emite: el ruido conducido por sus cables y los campos radiados por la envolvente y los cables. Los requisitos de inmunidad (en los mercados asiáticos suelen escribirse EMS, por susceptibilidad electromagnética) comprueban que el producto sigue funcionando cuando se expone a perturbaciones razonablemente previsibles: descargas electrostáticas de un usuario, campos de RF de una radio cercana, transitorios rápidos por conmutación de cargas y ondas de choque por rayos en la red. Un producto puede superar una parte y fallar la otra, por eso ambas se diseñan y se ensayan por separado.

Los resultados de inmunidad no son números sino juicios. El criterio A significa funcionamiento normal dentro de la especificación durante y después del ensayo. El criterio B admite una degradación temporal durante el ensayo siempre que el EUT se recupere por sí solo después. El criterio C admite una pérdida temporal de función que requiere la intervención del operador o un reinicio, siempre que la función pueda restablecerse. La norma de producto indica qué criterio se aplica a cada ensayo, pero el fabricante debe definir qué significa funcionamiento normal para su producto, y esa definición debe figurar en el plan de ensayo antes de empezar.

El modelo fuente–camino–víctima

Todo problema de interferencia tiene tres elementos: una fuente que genera la perturbación, un camino de acoplamiento que la transporta y una víctima cuya función se ve afectada. Si se elimina o se debilita cualquiera de ellos, el problema desaparece. El modelo sirve en ambos sentidos. En un ensayo de emisión su producto es la fuente y la antena receptora o la LISN hace de víctima. En un ensayo de inmunidad el generador es la fuente y su producto es la víctima.

Cuatro caminos de acoplamiento

Es fácil subestimar estos efectos. Una capacidad parásita de solo 1 pF junto a un nodo que conmuta a 10 V/ns inyecta 10 mA mientras dura el flanco. Una inductancia mutua de 5 nH con un flanco de corriente de 0.1 A/ns induce 0.5 V. El límite de campo cercano λ/2π es de unos 0.48 m a 100 MHz, de modo que dentro de una envolvente típica casi todo el acoplamiento es de campo cercano, capacitivo o inductivo, mientras que lo que suele radiar hacia la antena de ensayo son los cables que salen de la caja.

Dónde romper la cadena

Actuar sobre la fuente suele ser lo más barato por unidad y lo más eficaz: flancos más lentos donde la temporización lo permita, reloj de espectro ensanchado, bucles de corriente más pequeños. Después viene el camino: filtros en el límite por donde salen los cables, apantallamiento, separación en el trazado. Reforzar la víctima con filtrado de entradas, comprobaciones de plausibilidad en el software y watchdogs es esencial para la inmunidad, pero no sirve de nada ante un fallo de emisión. Una ferrita de pinza añadida a un cable al final del proyecto trata el camino; a menudo funciona, pero encarece cada unidad fabricada.

Del diseño al mercado: los pasos de CEM

Un recorrido típico para un producto electrónico es el siguiente:

• Definir los mercados y la categoría del producto. La categoría decide las normas: los equipos multimedia y de TI usan CISPR 32 para emisión y CISPR 35 para inmunidad, los equipos industriales, científicos y médicos (ICM) usan CISPR 11, los electrodomésticos y herramientas usan CISPR 14-1 y CISPR 14-2, y la iluminación usa CISPR 15. En la UE aparecen como versiones EN, por ejemplo EN 55032 y EN 55035.
• Diseñar pensando en la CEM desde el primer esquema: planos de masa y apilado, huellas para filtros en cada conector, juntas de la envolvente y entrada de cables. Los cambios después del utillaje o de la certificación cuestan mucho más.
• Hacer comprobaciones de preconformidad: un analizador de espectro con sondas de campo cercano y una sonda de corriente en los cables, una LISN para la emisión conducida y, si se dispone de él, un generador de ESD. Los resultados son relativos, no absolutos, así que conviene dejar margen; muchos equipos buscan entre 3 y 6 dB por debajo del límite.
• Redactar un plan de ensayo: modos de funcionamiento que activen las funciones más ruidosas y más sensibles, longitudes y disposición de los cables, equipos auxiliares y la definición de aprobado/suspenso para cada ensayo de inmunidad.
• Ensayar en un laboratorio acreditado (ISO/IEC 17025) y conservar el informe junto con las versiones exactas de hardware y firmware ensayadas.
• Completar el procedimiento de conformidad de cada mercado y mantenerlo válido cuando cambie el diseño.

Los límites de emisión radiada están ligados a una distancia de medida concreta, normalmente 3 m o 10 m. Los montajes de preconformidad suelen medir más cerca, y convertir con la regla 20·log(d) es solo una aproximación; nuestro artículo sobre la conversión de límites de 3 m a 10 m explica cuándo falla. La calculadora de margen respecto al límite e incertidumbre ayuda a decidir si un margen pequeño es realmente un aprobado.

Errores frecuentes

• «Si pasa la emisión, el producto cumple la CEM.» La inmunidad es un conjunto de ensayos aparte, y la ESD y los transitorios rápidos revelan a menudo bloqueos del firmware que el ensayo de emisión nunca muestra.
• «La CEM se ensaya al final.» Para entonces la PCB y la envolvente están congeladas, y las soluciones pasan a ser ferritas, juntas y blindajes que encarecen cada unidad.
• «Masa es masa.» En alta frecuencia un hilo de masa es una inductancia. Con la regla práctica habitual de aproximadamente 1 nH por mm, un hilo de 10 cm tiene unos 100 nH, lo que supone unos 63 Ω a 100 MHz.
• «Una envolvente metálica lo resuelve todo.» Un cable sin filtrar que atraviesa la pared saca el ruido directamente, y una junta o ranura larga puede fugar tanto como un agujero abierto.
• «El preescaneo pasó por 1 dB, así que estamos bien.» Los resultados de emisión radiada suelen diferir varios dB entre montajes y laboratorios, y las unidades de producción varían. Un margen pequeño es un riesgo, no un aprobado.
• «Una buena muestra demuestra la conformidad.» La conformidad se aplica a cada unidad comercializada, así que las sustituciones de componentes, las revisiones de PCB e incluso los cambios de firmware que alteran el reloj o la conmutación requieren una revisión.