单片机(MCU)的 IO 口静电、浪涌、电压异常等保护

单片机(MCU)的 IO 口在复杂或工业环境中容易受到静电、浪涌、电压异常等干扰,因此必须加以保护。以下是常见的 IO 防护器件 类型及其说明:


✅ 一、常见 IO 防护器件类型

防护器件类型 功能 推荐应用
TVS 二极管(瞬态抑制) 抑制静电(ESD)、浪涌、电压尖峰 通信口、USB、按键、CAN、UART
稳压二极管(齐纳) 钳位电压,过压保护 ADC 输入、模拟信号接口
瞬变电阻(PTC) 限流保护,温度上升自动限流,防止过流 电源线、I/O 供电、USB VBUS
电容/电感(RC 滤波器) 抗干扰、信号稳定 模拟输入、ADC、GPIO
肖特基二极管阵列 低压钳位,用于差分信号保护 USB、RS232、CAN、I2C 等
共模电感 抑制共模干扰 CAN、RS485、USB、以太网等
气体放电管/压敏电阻 抗高能浪涌(工业或雷击场合) 工业接口、电力设备

✅ 二、不同接口推荐的防护器件

接口类型 推荐防护器件 说明
GPIO TVS 二极管、上拉/下拉电阻、电容 防静电和电磁干扰
ADC 输入 TVS + 滤波 RC + 限压二极管 防止输入电压过高烧毁芯片
UART TVS + 限流电阻 + RC 滤波 防止对地静电、电磁干扰
I2C/SPI TVS + 阻值合适的电阻 + 滤波 I2C 上推荐加 330Ω + TVS
USB TVS(低电容)+ 共模电感 USB 2.0 推荐使用 ESD 保护二极管(如 USBLC6-2)
CAN/RS485 TVS + 共模电感 + RC 滤波 高抗干扰场合建议加 TVS(如 PESD1CAN)
电源输入 PTC + 压敏电阻 + TVS 防过流/浪涌/反接
按键输入 上拉电阻 + TVS + 去抖电容 抗 ESD、抗机械抖动

✅ 三、常见 TVS 二极管型号举例

型号 适用接口 封装 特点
PESD5V0S1UL USB、GPIO SOD-323 低电容,适合高速接口保护
ESD5Z5.0T1G UART/I2C SOD-523 通用 ESD 防护
SMAJ5.0CA 电源输入 SMA 600W 防浪涌,适合工业级应用
PESD1CAN CAN 总线 SOT23 专门用于 CAN 接口防护
USBLC6-2 USB SOT23-6 差分线保护,含双向保护通道

✅ 四、电路设计建议

  1. TVS 靠近接口放置,短接地线以减少寄生电感
  2. RC 滤波器要根据信号频率合理设计(如 ADC 可用 1kΩ+100nF)
  3. 高频接口(如 USB)选低电容 TVS(<1pF)
  4. CAN/RS485 建议加共模电感与 TVS 同时使用
  5. 输入电压高于 IO 电压容许值(如 5V 输入 3.3V MCU),需加限压稳压二极管或电阻分压
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