箝位二极管电路如何用于保护GPIO？

在这篇文章中，小编将对钳位二极管的相关内容和情况加以介绍以帮助大家增进对它的了解程度，和小编一起来阅读以下内容吧。

一、钳位二极管

钳位二极管，也被称为保护二极管或压摆二极管，是一种具有特殊电压响应特性的电子元件。它的主要作用是在电路中限制某点的电位，防止电压过大导致电路元件损坏。当电路中的电压超过钳位二极管设定的钳位电压时，二极管会自动导通，将电压钳制在预定水平，从而保护电路中的其他元件。

钳位二极管的工作原理基于其正向导通特性。在正向工作状态下，当输入电压小于钳位电压时，钳位二极管处于截止状态，相当于一个开路；而当输入电压超过钳位电压时，二极管开始导通，将电压限制在钳位电压附近。这种特性使得钳位二极管在电路中具有很好的保护作用。

钳位二极管的功率因型号和应用场景而异。其中，瞬态电压抑制二极管（TVS）作为一种高效的电路保护器件，能吸收高达数千瓦的浪涌功率。TVS二极管在反向应用条件下，当承受一个高能量的大脉冲时，其工作阻抗会立即降至极低的导通值，允许大电流通过，并将电压钳制在预定水平。这种特性使得TVS二极管在防雷击、防过电压、抗干扰等方面具有显著效果。

二、箝位二极管电路如何用于保护GPIO

GPIO的内部电路结构采用箝位二极管电路，如下图所示。其功能是防止来自外部I/O引脚的电压输入过高或过低而对内部电路造成损坏。如果来自Pin的信号输入电压超过VDD加上上二极管的导通压降，二极管将导通，多余的电流将被吸引到VDD，而输入到内部的实际信号电压不会超过VDD+0.7V。如果来自Pin的信号电压输入低于VSS，则由于较低二极管的影响，实际输入内部信号电压将被箝位至VSS-0.7V左右。

GPIO的基准电源VDD由钳位二极管D1的阴极拉起，箝位二极管D2的阳极连接到GND。

当输出电压大于VDD时;D1导通，D2关断，引脚电压为VDD（忽略二极管导通压降）;

当输入电压小于GND时;D1关断，D2导通，引脚电压为GND（忽略二极管的导通压降）;

因此，输入电压范围可以控制在［GND，VDD］之间，以保护引脚免受损坏。如何确定 GPIO 是否损坏？方法如下：

首先，将万用表调整到二极管位置，将红色测试引线连接到主板的GND，并将黑色测试引线连接到测试GPIO引脚。此时，是测量二极管D2是否损坏。测试值是二极管的导通值，一般范围为0.4-0.6V。超出此范围就是二极管击穿。

其次，将红色测试引线连接到测试 GPIO 引脚，将黑色测试引线连接到 GND。此时，是测量二极管D1是否损坏。

添加箝位二极管可以保护微控制器的输入和输出端口。如上图所示，增加两个肖特基二极管作为钳位二极管，可以有效防止GPIO被静电击穿。当电压大于VDD时，D1导通，静电通过D1释放到VDD;当电压小于GND时，D2导通，静电通过D2释放到GND。由于需要快速释放静电，一般选择肖特基二极管或快速开关二极管作为箝位二极管。

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