Здравствуйте!

Имеется портативное устройство для измерения биопотенциалов с участка тела человека (голова). Устройство питается от батарейки. Электроды расположенные на скальпе контактные, длина идуших от них проводов порядка 50 см, далее предварительная фильтрация и АЦП, МК. Информативный диапазон частот (0.5 - 70 Гц). Важно не вызывать значительных искажений сигнала. Сигнал биполярный.

Интересует грамотная защита от статики (тело, механический контакт и т.п.). В статьях про ESD защиту везде советуют диоды, TVS-диоды.
Но на схемах они в случает ESD замыкаются на защитное заземление. В случае же портативного устройства появились следующие сомнения: куда замкнуть этот диод и как далее рассеять излишки энергии?

Заранее спасибо.

Подсказка: сначала подумайте что именно вы защищаете. Например входной усилитель. Он же не "видит" потенциалы относительно какого-то защитного заземления, для него все происходит относительно своих шин питания, и параметры в даташите приводятся относительно них же.

Насчет излишков энергии - посмотрите на типичные размеры TVS - это такой массивный стабилитрон по сути. Его не напрасно в такой корпус упрятали - как раз для рассеивания поглощенной энергии импульса.

Смотря что защищать. Переносные аппараты (без подключения к общей земле) в пластмассовых корпусах защищать эффективно не удается.
Более 15-ти лет использую 0402, 0503, 0603 TVS для защиты сигнальных цепей устройств с общими землями:
VC040205X150WP
VC040209X200WP
VC040214X300WP
VC040218X400WP
PKFC3.3C
PKFC05C
PKFC12C
PKFC24C
CPDU24V
И справляются отлично.
Испытания прохожу на 15кВ (воздушный пробой), отказов у заказчиков не было.

Спасибо за ответы, но все же хотелось бы поподробнее разобраться с этим вопросом.

Вот например: в моем случае, имеется биполярный сигнал "следующий" к инструментальному усилителю с дифференциальным входом. Соответственно, усилитель питается от V+, V-, и на схеме имеется аналоговая земля AGND, которая так же висит на одном электроде на человеке.

К диф. входу я должен подвести 2 сигнальных линии от 2х электродов (но не от земли, она третий электрод).
На любой из этих линий может возникнуть ESD, как положительный, так и отрицательный, соответственно я должен поставить 2 диода для каждой из линий на положительную полуволну и отрицательную. По идее их обратные концы должны соединиться с V+ и V -.
Но есть ли еще варианты? Скажем, мне советовали замкнуть их на корпус... В таком случае рассеется ли статика с корпуса?

И все же остается вопрос: TVS диод (например) рассеет всю мощность сам, или же срежет скачок по напряжению но выдаст в линию высокий ток, как это написано о принципе его работы на одном из сайтов:
"Когда напряжение на диоде превышает рабочее, импеданс диода понижается, и ток разряда начинает течь через него (в том случае на землю). При понижении напряжения на TVS диоде он снова возвращается в высокоимпедансное состояние."
Ведь этот ток должен течь куда-то, и соответственно не принесет ли он вред, если, скажем утечет на V+ или V-.
Иными словами, интуитивно понимаю, что единственный способ сбросить статику с портативного устройства, не подключенного ни к чему еще - это рассеять ее в тепло. Подобные "диодные" защитные микросхемы справляются с этой задачей сами или же лишь регулируют напряжения и отводят больший ток в другую сторону где с ним надо еще как-то бороться? (скажем резисторы, ферромагниты и т.п. не знаю . )

Извиняюсь, если в какой-то мере спрашиваю глупые вещи, пытаюсь разобраться, обзор делал, но чего-то не хвататет для понимания.
Спасибо.

Скачайте схемы мобильников и "подсмотрите" как делается эффективноая ESD защита в массовых устройствах. Думаю круче схем чем в мобильниках нету. Потому что они эксплуатируются в сверх тяжелых условиях (синтетические сумочки круглые сутки) плюс неслабое собственное ВЧ излучение, которое не облегчает задачу, может наводиться на собственные же аудио входы, если скажем шнур обмотан у антенны мобильника.

Если нет корпусной земли, то да (см. ниже).

Если корпус подсоединен к внешнему заземлению, то рассеится на общей земле, если нет - то нет. Кроме того, хорошая практика соединять корпусную землю с общей землей на плате. Это соединение лучше делать в одном месте. (Я делаю во всех болтовых соединениях платы с корпусом - свои резоны). При этом защитные диоды, TVS и пр. надо распологать как можно ближе к месту соединения с корпусом, а это место надо распологать как можно ближе к входным разъемам. Во всех случаях, статика "должна замыкаться" по долее короткому пути на корпус (с входного разъема на внешнюю землю) и пути ее токов по плате должнв быть как можно короче и с меньшим сопротивлением.

Верно.

Да. И во всех случаях надо смотреть, могут ли "остатки токов" быть восприняты источниками (или + источником при однополярном питании), иными словами, не заткнутся ли они (это токи имеют противоположное напрвление). Ну, правда, есть радостная штука - испытательные стат воздействия - это не постоянные высокие уровни, а импульсные. А импульсы будут/могут быть "проглочены" на практике выходными конденсаторами источников. Не правда ли возникает другая головная боль? Есть два способа ее уменьшить. Кроме того, испытания - испытаниями, но реальная жизнь вносит свои коррективы (на уровни испытательных воздействий тоже).

Отводят, отводят. И с остатками иногда надо бороться.
Защитить переносные устройства эффективно не удается, конечно все зависит от уровня воздействия (против лома нет приема). Тут надо стараться и всегда проводить предварительные испытания, чтобы грамотно установить уровни воздействия/защиты. Ну а потом (или до того) - натурные испытания (в пластиковой сумке, на себе ). Во всех случаях - победителей не судят. Но надо еще им стать. Да и начальство и заказчики должны понимать кое что, а не следовать маркетинговым уверениям или словам "одной бабушки".

Глупых вопросов от Вас пока не было, было смутное понимание и попытки применить "здравый смысл", но он в электронике не работает.

Как я понял, для данной задачи важно выбирать диоды с малыми обратными токами.
Скажем TPS4E001 выдает pA-ры при моих напряжениях. В целом по параметрам микросхема, кажется подходит. (Загружена в изображении).
Но как ее лучше подключить?

Есть следующие варианты:
1. GND на V-, VCC на V+.
2. GND на V-, VCC не подключать.
3. Так же как в 1 или 2, но GND на аналоговую землю, которая соединена с человеком через электрод...

Как в таком случае следует рассуждать?
В 1 и во 2 случаях всегда ли ESD импульс будет уходить на V- или же только во 2, а в 1, положительные на V+?
На какие тонкости следует обратить внимание?

И следует ли совмещать подобные микросхемы с RC цепочками (ФНЧ) для фильтрации?


По поводу принципа работы: Как я понимаю парные диоды пропускают либо положительую либо отрицательную полуволну, но диод Зенера (по центру) только положительную. Получается (если VCC не подключено) что отрицательная идет на GND через один диод, а положительная через диод и диод Зенера тоже на GND. (Выходит своего рода ассиметрия погащения статики??) Как сложится ситуация если подключить VCC?

Желательно, но не обязательно. Десятки нА - тоже малый ток. Меньше ток - лучше для источника (человека).

Можно найти подобные ИС от нескольких производителей. Я использую подобные ИС для защиты дифф цепей (USB тоже). У данной ИС их 2 пары.

Вариан 1. Другие варианты бессмысленны. И защищаете Вы аппаратуру, а не человека (хотя это и более важный аспект).

Все зависит от уровня воздействия и чувствительности защищаемой аппаратуры. Я иногда использую RC цепочки.

VCC - дополнительный путь для тока и смещение для верхних диодов в защитных цепочках - при этом они будут нормально закрыты при сигналах до VCC.

В мобиле ГЛАВНОЕ = не сдохнуть в гарантийный срок!!! Напыление проводящего слоя на утильную пластмассу видится правильным решением от 10 в 6 степени штук/тираж.

Ну в общем и целом схема приведена правильная. Но она годится только для однополярных входных сигналов. Диода Зенера там нет. Там есть диод Шоттки
Вместо диода Шоттки надо вставить супрессор. или два встречных стабилитрона.
Можно также поставить RC фильтр, которым за одно срежется шумовой сигнал.

Если есть опасность пробоя входного каскада по воздуху (поверх защитных элементов - что-то похожее на скин эффект), то надо ставить что-то в роде разрядников.
Ну и надо делать разводку платы соответствующую.

Если еще и сертифицировать надо, то без чтения гостов и других нормативных документов не обойтись.
Совет один - изучайте стандарты.