箝位二極管電路如何用于保護GPIO？

在這篇文章中，小編將對鉗位二極管的相關內容和情況加以介紹以幫助大家增進對它的了解程度，和小編一起來閱讀以下內容吧。

一、鉗位二極管

鉗位二極管，也被稱為保護二極管或壓擺二極管，是一種具有特殊電壓響應特性的電子元件。它的主要作用是在電路中限制某點的電位，防止電壓過大導致電路元件損壞。當電路中的電壓超過鉗位二極管設定的鉗位電壓時，二極管會自動導通，將電壓鉗制在預定水平，從而保護電路中的其他元件。

鉗位二極管的工作原理基于其正向導通特性。在正向工作狀態(tài)下，當輸入電壓小于鉗位電壓時，鉗位二極管處于截止狀態(tài)，相當于一個開路；而當輸入電壓超過鉗位電壓時，二極管開始導通，將電壓限制在鉗位電壓附近。這種特性使得鉗位二極管在電路中具有很好的保護作用。

鉗位二極管的功率因型號和應用場景而異。其中，瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）作為一種高效的電路保護器件，能吸收高達數千瓦的浪涌功率。TVS二極管在反向應用條件下，當承受一個高能量的大脈沖時，其工作阻抗會立即降至極低的導通值，允許大電流通過，并將電壓鉗制在預定水平。這種特性使得TVS二極管在防雷擊、防過電壓、抗干擾等方面具有顯著效果。

二、箝位二極管電路如何用于保護GPIO

GPIO的內部電路結構采用箝位二極管電路，如下圖所示。其功能是防止來自外部I/O引腳的電壓輸入過高或過低而對內部電路造成損壞。如果來自Pin的信號輸入電壓超過VDD加上上二極管的導通壓降，二極管將導通，多余的電流將被吸引到VDD，而輸入到內部的實際信號電壓不會超過VDD+0.7V。如果來自Pin的信號電壓輸入低于VSS，則由于較低二極管的影響，實際輸入內部信號電壓將被箝位至VSS-0.7V左右。

GPIO的基準電源VDD由鉗位二極管D1的陰極拉起，箝位二極管D2的陽極連接到GND。

當輸出電壓大于VDD時;D1導通，D2關斷，引腳電壓為VDD（忽略二極管導通壓降）;

當輸入電壓小于GND時;D1關斷，D2導通，引腳電壓為GND（忽略二極管的導通壓降）;

因此，輸入電壓范圍可以控制在［GND，VDD］之間，以保護引腳免受損壞。如何確定 GPIO 是否損壞？方法如下：

首先，將萬用表調整到二極管位置，將紅色測試引線連接到主板的GND，并將黑色測試引線連接到測試GPIO引腳。此時，是測量二極管D2是否損壞。測試值是二極管的導通值，一般范圍為0.4-0.6V。超出此范圍就是二極管擊穿。

其次，將紅色測試引線連接到測試 GPIO 引腳，將黑色測試引線連接到 GND。此時，是測量二極管D1是否損壞。

添加箝位二極管可以保護微控制器的輸入和輸出端口。如上圖所示，增加兩個肖特基二極管作為鉗位二極管，可以有效防止GPIO被靜電擊穿。當電壓大于VDD時，D1導通，靜電通過D1釋放到VDD;當電壓小于GND時，D2導通，靜電通過D2釋放到GND。由于需要快速釋放靜電，一般選擇肖特基二極管或快速開關二極管作為箝位二極管。

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