CN213367406U - 能承受双极性输入电压的双向io口保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种能承受双极性输入电压的双向IO口保护电路，包括有连接外部设备的节点A和连接芯片IO口的节点B，所述节点A的一路在串联连接二极管D1和二极管D5后与集成电路U1的电源端VDD电连接，所述节点A连接二极管D1的负极端，所述集成电路U1的电源端VDD连接二极管D5的负极端。本实用新型在正常工作时，节点A和节点B之间的二极管处于导通状态，即IO口与外部设备间低阻抗连接，IO口可以快速驱动负载电容Cp，实现快速信号传输，满足了IO口输入和输出的作用，可准确快速实现双向传送信号的传输。

Description

能承受双极性输入电压的双向IO口保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种IO口保护电路技术领域，具体地说是一种能承受双极性输入电压的双向IO口保护电路。

背景技术

IO口是集成电路的输入/输出数字引脚，集成电路的IO口对电压/电流冲击耐受能力很差，当与外部设备连接时，若设备离集成电路较远，或使用接插件连接时，就存在信号出现浪涌、接错的可能，若不采取特殊措施，当由于浪涌、接错导致的IO口的输入电压/电流超出芯片承受极限值后，芯片内部IO电路会发生损坏。

现有技术中，芯片IO作为输入使用时保护电路如图1所示，通常使用限流电阻Rin与钳位二极管D5、钳位二极管D6配合，就可解决大部分IO作为输入时的保护问题，由于IO口做输入使用时阻抗很高，输入电容Cin很小，可以串联较大阻值约10kΩ~100kΩ的输入电阻Rin，只要输入电阻Rin能限制输入浪涌、接错状况下的最大电流不超过钳位二极管D5、钳位二极管D6额定电流，并通过钳位二极管D5、钳位二极管D6和电位钳位电路将该电流导入安全路径，不流经芯片IO口即可保证芯片IO口安全。

当芯片需要控制外部设备时，需要向外部设备提供控制信号，这时就需要将IO口作为输出使用，此电路如图2所示，由于需要驱动外部设备，而电缆电线和外部设备IO口存在对地等效负载电容Cp，而负载电容Cp的数值较大，若需要快速驱动Cp进行信号传输，限流电阻Rout就不能使用过大的阻值，但限流电阻Rout需要限制浪涌或接错产生的电流，又不能将电阻值选得过小，否则无法快速驱动Cp，使得IO口作为输出使用时，保护电路难以设计，相关技术甚少。

当芯片与外部设备连接时，有时还需要使用同一个IO进行双向信号传输，这时芯片与外部设备都有可能工作在输出或输入模式，此时若需要能够可靠隔绝外部设备产生的浪涌或错接产生的电压对芯片的损害，又要在正常时能够双向传输信号，就没有合适的电路完成这个工作。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种能承受双极性输入电压的双向IO口保护电路，以解决现有技术中的保护电路难以承受双极性输入浪涌电压的问题。

本实用新型是这样实现的：一种能承受双极性输入电压的双向IO口保护电路，包括有连接外部设备的节点A和连接芯片IO口的节点B，所述节点A的一路在串联连接二极管D1和二极管D5后与集成电路U1的电源端VDD电连接，所述节点A连接二极管D1的负极端，集成电路U1的电源端VDD连接二极管D5的负极端；

所述节点A的另一路在串联连接二极管D2和二极管D6后与集成电路U1的参考地端GND电连接，所述节点A连接二极管D2的正极端，集成电路U1的参考地端GND连接二极管D6的正极端；

所述节点B的一路连接二极管D3的负极端，二极管D3的正极端连接在二极管D1和二极管D5之间的节点C上，所述节点B的另一路连接二极管D4的正极端，二极管D4的负极端连接在二极管D2和二极管D6之间的节点D上；

所述节点C通过电阻R1连接有正电压偏置电源V+，所述节点D通过电阻R2连接有负电压偏置电源V-。

本实用新型在正常工作时，节点A和节点B之间的二极管处于导通状态，即IO口与外部设备间低阻抗连接，IO口可以快速驱动负载电容Cp，实现快速信号传输，满足了IO口输入和输出的作用，可准确快速实现双向传送信号的传输。在双极性（正或负）的浪涌或错误输入电压经节点A输入时，保护电路使得节点B不受故障影响，隔离外部设备浪涌电压的输入，使芯片不受损坏且不会烧坏任何元件，只要电路恢复正常，芯片即可恢复正常工作。本实用新型成本低，易于实现，无需输入/输出切换控制信号的电路，将其插入芯片IO口与外部设备之间，即可实现隔离外部设备浪涌电压，同时具有双向信号传输功能。本实用新型外接的驱动电流Ir1和驱动电流Ir2的最大值可调节，即可通过设置电阻R1、电阻R2来调节驱动电流Ir1与驱动电流Ir2，通过调节电路最大驱动电流，从而调节信号最高摆率。

附图说明

图1是现有技术中IO作为输入使用时的保护电路。

图2是现有技术中IO口作为输出使用的保护电路。

图3是本实用新型的保护电路。

图4是本实用新型的正常工作时的等效电路。

图5是本实用新型在节点A出现正极性浪涌电位时的等效电路。

图6是本实用新型在节点A出现负极性浪涌电位时的等效电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作列举性说明。

如图3所示，本实用新型包括有连接外部设备的节点A和连接芯片IO口的节点B，节点A的一路在串联连接二极管D1和二极管D5后与集成电路U1的电源端VDD电连接，节点A连接二极管D1的负极端，集成电路U1的电源端VDD连接二极管D5的负极端。

节点A的另一路在串联连接二极管D2和二极管D6后与集成电路U1的参考地端GND电连接，节点A连接二极管D2的正极端，集成电路U1的参考地端GND连接二极管D6的正极端。节点B的一路连接二极管D3的负极端，二极管D3的正极端连接在二极管D1和二极管D5之间的节点C上，节点B的另一路连接二极管D4的正极端，二极管D4的负极端连接在二极管D2和二极管D6之间的节点D上。节点C通过电阻R1连接有正电压偏置电源V+，产生驱动电流Ir1，节点D通过电阻R2连接有负电压偏置电源V-，产生驱动电流Ir2。

其中，Cp为外部设备对地产生的等效负载电容Cp，等效输入电容Cin为集成电路IO口对地产生的的等效输入电容Cin，等效负载电容Cp和等效输入电容Cin在信号电平发生变化时被充放电，而充放电电路的阻抗决定信号变换所需的时间，快速信号变化就需要低阻抗的充放电回路，由于Cin通常很小几乎不需要充放电电流，在分析时我们可以将其忽略。IO口作为输出使用连接保护电路后在驱动外部设备时，对等效负载电容Cp的充放电能力决定了电路的最高工作速度。

在本实用新型的保护电路正常工作时，二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4正向偏置导通，二极管D5和二极管D6反向截止不起作用。节点C电位高于节点A或B约0.7V，节点D电位低于节点A或B约0.7V。节点A和节点B电位近似相等。此时等效电路如图4所示，此时节点A一路通过串联电阻Rd1和电阻Rd3与节点B连接，节点A的另一路通过串联电阻Rd2和电阻Rd4与节点B连接，其中，电阻Rd1、电阻Rd2、电阻Rd3和电阻Rd4分别为二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4的等效电阻。

当节点A由外部输入浪涌电压或错误电压Vin后，若节点A电位为正极性，节点A的电位高于正钳位电位（即集成电路U1的电源端VDD加上二极管D5导通后的压降）VDD+0.7V时，其中，0.7V为二极管D5导通后的正向压降，则二极管D2、二极管D3和二极管D5导通，二极管D1、二极管D4和二极管D6截止，等效电路如图5所示，此时节点B电位为VDD+0.7V（由于集成电路数字IO没有电流所以二极管D3虽然导通但并没有电流，压降近似为0）），不再受节点A电位影响，将芯片IO口正电位限定在安全值内。浪涌电压或错误输入电压会使电阻R1或R2产生热量，但不会以钳位方式形成大电流，烧坏元件。

当节点A由外部输入浪涌电压或错误电压Vin后，若节点A电位为负极性，节点A的电位低于负钳位电位（即集成电路U1的参考地端GND减去二极管D6导通后的压降）GND-0.7V时，其中0.7V为二极管D6导通后的正向压降，则二极管D1、二极管D4和二极管D6导通，二极管D2、二极管D3和二极管D5截止，等效电路如图6所示，节点B电位为GND-0.7V（由于集成电路数字IO没有电流所以二极管D4虽然导通但并没有电流，压降近似为0），不再受节点A电位影响，将芯片IO口负电位限定在安全值内。浪涌电压或错误输入电压会使电阻R1或R2产生热量，但不会以钳位方式形成大电流，烧坏元件。

本实用新型二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4可采用硅高速开关二极管，用以提高电路对浪涌电压耐受能力和切断速度。二极管D5和二极管D6使用肖特基二极管,用以提高对芯片IO口的电位钳位能力。

Claims (1)

1.一种能承受双极性输入电压的双向IO口保护电路，包括有连接外部设备的节点A和连接芯片IO口的节点B，其特征是，所述节点A的一路在串联连接二极管D1和二极管D5后与集成电路U1的电源端VDD电连接，所述节点A连接二极管D1的负极端，集成电路U1的电源端VDD连接二极管D5的负极端；

所述节点A的另一路在串联连接二极管D2和二极管D6后与集成电路U1的参考地端GND电连接，所述节点A连接二极管D2的正极端，集成电路U1的参考地端GND连接二极管D6的正极端；

所述节点B的一路连接二极管D3的负极端，二极管D3的正极端连接在二极管D1和二极管D5之间的节点C上，所述节点B的另一路连接二极管D4的正极端，二极管D4的负极端连接在二极管D2和二极管D6之间的节点D上；

所述节点C通过电阻R1连接有正电压偏置电源V+，所述节点D通过电阻R2连接有负电压偏置电源V-。

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