【GPIO】5.理解保护二极管在GPIO过电压保护中的作用

在电子电路设计中，保护二极管是常见的保护元件，用于防止过电压对敏感电路的损害。本文将探讨当GPIO输入电压大于3.3V时，保护二极管如何工作，并解释为什么大部分过电压引起的电流会通过二极管流向VDD而不是流入内部电路。

1.背景

• GPIO（通用输入输出）引脚是嵌入式系统中常用的接口，用于与外部设备通信。
• GPIO引脚通常设计有保护二极管，用于防止过电压损坏内部电路。
• 当输入电压超过GPIO的工作电压范围（例如0V到3.3V）时，保护二极管会发挥作用。

2. 保护二极管的作用

• 上方保护二极管：连接在GPIO引脚和VDD（电源电压，如3.3V）之间，阴极接VDD，阳极接GPIO引脚。
• 下方保护二极管：连接在GPIO引脚和VSS（地，0V）之间，阳极接VSS，阴极接GPIO引脚。
• 主要功能：限制GPIO引脚电压在安全范围内（VSS - 0.7V 到 VDD + 0.7V），防止过电压损坏内部电路。

3. 保护二极管的工作原理

3.1 正常工作情况

• 当GPIO输入电压在0V到3.3V之间时，两个保护二极管均不导通。
• 电流通过GPIO引脚流入内部电路，进行正常的信号处理。

3.2 输入电压大于3.3V

• 当GPIO输入电压 > VDD + 二极管正向压降（例如3.3V + 0.7V = 4.0V）时，上方保护二极管导通。
• 二极管导通后，提供一个低阻抗路径，使大部分电流流向VDD，而不是流入内部电路。
• 原因：
  • 二极管的导通电阻（几欧姆到几十欧姆）远低于内部电路的输入阻抗（几千欧姆到几兆欧姆）。
  • 根据欧姆定律（I=V/RI=V/R），电流会优先选择低阻抗路径流动。

注意：尽管有这样的保护，并不意味着 STM32 的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。

3.3 输入电压小于0V

• 当GPIO输入电压 < VSS - 二极管正向压降（例如0V - 0.7V = -0.7V）时，下方保护二极管导通。
• 二极管导通后，电流从GPIO引脚流向VSS，避免内部电路受到负电压的损害。

4. ❤️ 为什么大部分电流通过二极管流向VDD？ ❤️

4.1 低阻抗路径

• 导通后的二极管具有很低的阻抗（几欧姆到几十欧姆），而内部电路的输入阻抗较高（几千欧姆到几兆欧姆）。
• 电流会优先选择低阻抗路径流动，因此大部分电流通过二极管流向VDD。

4.2 内部电路的高阻抗特性

• 内部电路（如GPIO的输入缓冲器或逻辑电路）通常设计为高阻抗输入，以减少功耗和提高信号灵敏度。
• 高阻抗意味着内部电路对电流的“吸引力”较小，因此电流更倾向于流向低阻抗的保护二极管。

4.3 钳位作用

当二极管导通时，它会将GPIO引脚电压“钳位”在VDD + 0.7V左右，防止电压进一步升高。
这种钳位作用进一步限制了流入内部电路的电压和电流。

5. 实例分析

假设：

• GPIO输入电压为5V。
• VDD为3.3V。
• 二极管正向压降为0.7V。
• 二极管导通电阻为10Ω。
• 内部电路输入阻抗为10kΩ。

电流分配：

1. 通过二极管的电流：$I二极管=10\Omega 5V-3.3V=170mA$
2. 通过内部电路的电流：
   $I内部电路=5V10k\Omega =0.5mAi内部电路=10k\Omega 5V=0.5mA$

结论：

• 大部分电流（170mA）通过二极管流向VDD。
• 极小部分电流（0.5mA）流入内部电路，不足以对电路造成损害。

6. 总结

保护二极管通过提供低阻抗路径，将过电压引起的电流引导到VDD或VSS，从而保护内部电路；这种设计确保了GPIO引脚在异常电压条件下仍能安全运行，避免损坏。