一种IO口保护电路的制作方法

本发明属于io口保护电路技术领域，涉及一种io口保护电路，适合不同阈值的mcu(微控制单元)，应用于电能表的上下电检测电路中。

背景技术：

io口是集成电路芯片可输入/输出数字/模拟信号的引脚，目前大部分mcu芯片的io口能承受最高的电压在5.5v左右，但是电能表应用领域中的电源检测电路，在满足各种技术指标的要求下，io口的电压往往会超过芯片本身io口能承受最高的电压范围。针对这个问题的解决方案主要有两点：一是降低技术指标的冗余量；二是调整变压器参数。例如中国专利201810022994.5公开的一种io接口esd漏电保护电路，包括控制开关电路，所述控制开关电路用于根据发送端、接收端以及esd二极管节点上的电压控制开关闭合或断开，其中：所述控制开关电路的第一端与发送端电源vcc1相连，所述控制开关电路的第二端与esd二极管的第一二极管的阴极相连，所述控制开关电路的第三端通过所述esd二极管的第一二极管和第二二极管的公共端以及端接电阻与接收端电源vcc2相连，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阴极相连，所述控制开关电路包括：可控开关和控制电路，其中：所述控制电路的控制端与所述可控开关相连，控制所述可控开关的闭合或断开；所述可控开关的第一端与所述控制电路的第一端的公共端作为所述控制开关电路的第一端与所述发送端电源vcc1相连；所述可控开关的第二端与所述控制电路的第二端的公共端作为所述控制开关电路的第二端与所述esd二极管的第一二极管的阴极相连；所述控制电路的第三端作为所述控制开关电路的第三端通过所述第一二极管和所述第二二极管的公共端以及所述端接电阻与所述接收端电源vcc2相连，所述可控开关为开关管，所述开关管为pmos开关管，所述pmos开关管的栅极作为所述可控开关的控制信号输入端，所述pmos开关管的源极作为所述可控开关的第一端，所述pmos开关管的漏极作为所述可控开关的第二端，所述控制电路包括：第六电阻、第七电阻、第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos管以及电容，其中：所述第六电阻的第一端与所述第一mos管的源极和所述第二mos管的栅极相连，其公共端作为所述控制电路的第一端与所述pmos开关管的源极相连；所述第六电阻的第二端与所述第一mos管的栅极和所述第七电阻的第一端相连，所述第七电阻的第二端与所述第三mos管的漏极、所述第四mos管的漏极以及所述电容的第二端相连，并其公共端接地；所述第一mos管的漏极与所述第三mos管的源极相连，所述第三mos管的源极和栅极相连，所述第三mos管的栅极与所述第四mos管的栅极相连；所述第二mos管的漏极与所述第四mos管的源极和所述电容的第一端相连，其公共端作为所述控制电路的控制端与所述pmos开关管的栅极相连，控制所述pmos开关管的闭合或断开；所述第二mos管的源极作为所述控制电路的第三端通过所述第一二极管和所述第二二极管的公共端与所述接收端电源vcc2相连，所述第一mos管和所述第二mos管为pmos开关管，所述第三mos管和所述第四mos管为noms开关管；中国专利201720845892.4公开的一种io口保护电路，包括输入端，外接的输入输出阻抗ri的一端与保护电路的输入端连接，包括基准电路单元、电压钳位电路单元、二极管d3；所述电压钳位电路单元包括第一连接端、第二连接端和接地端，二极管d3的输出端和电压钳位电路单元第一连接端连接作为保护电路的输入端，并与io口连接，二极管d3的输入端与地连接；所述基准电路单元包括基准输出端、接地端，所述电压钳位电路单元的第二连接端与基准电路单元的基准输出端连接，所述电压钳位电路单元为双二极管钳位电路，包括二极管d1和二极管d2，二极管d1的输入端与二极管d2的输出端连接，所述电压钳位电路单元的接地端为二极管d2的输入端，第一连接端为二极管d1输入端，第二连接端为二极管d1的输出端，所述二极管d1和二极管d2均为肖特基二极管，所述基准电路单元包括调节电阻r、电阻r1、电阻r2、基准芯片，调节电阻r的上端为基准电路单元的电源端，调节电阻r的下端与电压钳位电路单元的第二连接端连接；调节电路的下端依次经过电阻r1、电阻r2后与地连接，所述基准芯片包括第一端口、第二端口、接地端，所述第一端口与调节电阻r的下端连接，第二端口与电阻r1和电阻r2的连接点连接，所述基准芯片的型号为tl431，还包括旁路滤波电容c1，所述旁路滤波电容c1的一端与第一端口连接，另一端与地连接，所述二极管d3为tvs二极管，所述电阻r1为10kω，电阻r2为36.5kω，所述基准芯片第一端口的电压值为3.2v；中国专利201520759957.4公开的一种编程器高速io与高压保护电路，包括芯片u1a、二极管d1、电阻rs1和三极管q1，所述芯片u1a的脚2连接二极管d1的阴极和电源vccio，二极管d1的阳极连接电阻rs1和芯片u1a的脚6，电阻rs1的另一端连接晶闸管m1的源极，晶闸管m1的栅极连接电阻rg1和三极管q1的集电极，三极管q1的基极连接电阻rb1和电阻re1，电阻re1的另一端连接三极管q1的发射极并接地，电阻rb1的另一端连接二极管zd1的阳极，二极管zd1的阴极连接二极管m7的阴极、三极管y1的集电极、三极管y2的集电极和晶闸管m1的漏极，二极管m7的阳极连接三极管y3的集电极，三极管y3的基极连接电阻rc2和电阻rc1，电阻rc1的另一端连接vdd驱动1，电阻rc2的另一端连接三极管y3的发射极和电源vdd，三极管y2的发射极连接电阻rp2和电源vpp，电阻rp2的另一端连接电阻rp1和三极管y2的基极，电阻rp1的另一端连接vpp驱动1，三极管y1的基极连接电阻rn1，电阻rn1的另一端连接gnd驱动1，三极管y1的发射极接地，所述芯片u1a的型号为ep1c3；中国专利201220024956.1公开的一种单片机io接口远距离数据传输保护电路，包括一个瞬态抑制二极管、一个快速整流二极管、一个上拉电阻及一个退藕电容；所述瞬态抑制二极管的阴极连接单片机io接口，阳极连接单片机供电电源的负极；所述快速整流二极管阴极连接电源正极，阳极连接单片机io接口；上拉电阻两端分别连接电源正极和单片机io接口；退藕电容两端分别连接电源的正极和负极，所述单片机io接口和地分别与外部接线端子连接；但是这两种方法都存在明显的缺陷，降低技术指标的冗余量时，降低了可靠性，调整变压器的参数时，工作量相当大，调整完还需要做一系列多次的数据指标验证，而且，不同的mcu还会呈现出不同的情况，导致变压器通用性差，如果选择一个平衡点，这大大加大了研发的周期。因此，急需研发设计一种成本低、通用性高、设计时间周期短和适合不同阈值mcu的io口保护电路，以实现良好的社会价值和经济效益。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种io口保护电路，实现成本低、通用性高、设计时间周期短和适合不同阈值mcu的功效。

为了实现上述目的，本发明涉及的io口保护电路的主体结构包括变压器t1、整流器mb6s、稳压器78l05、电解电容ep2、电容cp1、电容cq3、20v电源、电阻rt30、电阻rt31、二极管dt30、检测端口powerchkio、5v电源、电阻rt32和电容ct30；变压器t1的一端与外部交流电压un-ul连接，变压器t1的另一端与整流器mb6s的1端和2端连接，整流器mb6s的1端为显示接口dp2，整流器mb6s的3端与稳压器78l05的3端vin连接，整流器mb6s的4端与稳压器78l05的1端vout连接，稳压器78l05的2端gnd接地，整流器mb6s的3端与4端之间设置有电解电容ep2和电容cp1，电解电容ep2与20v电源连接，整流器mb6s的4端与稳压器78l05的1端vout之间设置有电容cq3，电容cq3与5v电源连接；20v电源依次通过电阻rt30、电阻rt31和2个二极管dt30与mcu的检测端口powerchkio连接，2个二极管dt30并联设置，2个二极管dt30的一端与5v电源连接，电阻rt31与2个二极管dt30之间设置有电阻rt32和电容ct30，电容ct30的一端接地。

本发明涉及的变压器t1为工频变压器；整流器mb6s、稳压器78l05、电解电容ep2的容量为1000uf，电解电容ep2的耐压值为35v；电容cp1和电容cq3的电阻值均为104k，电容cp1和电容cq3的耐压值均为50v；电阻rt30和电阻rt31的电阻值均为300k；二极管dt30为锗二极管，二极管dt30的型号为lbat54clt1g，二极管dt30的正向导通压降典型值为0.3v；检测端口powerchkio为mcu检测外部电源的检测端口；电阻rt32的电阻值为100k；电容ct30的型号为0603-x5r-50v-104k。

本发明涉及的io口保护电路使用时，外部交流电压un-ul输入交流220v，整流器mb6s整流后输出直流20v，再通过稳压器78l05输出5v；20v电源分压后输入到检测端口powerchkio；当外部交流电压un-ul下降时，20v电源随着下降，检测端口powerchkio检测到的电压下降到检测端口powerchkio固有的动作阈值时，mcu进入低功耗休眠模式；当外部交流电压un-ul降到100v时，mcu进入低功耗模式；当外部交流电压un-ul达到440v时，检测端口powerchkio在其承受的电压范围内。

本发明涉及的检测端口powerchkio的电压计算示例如下：

一、当外部交流电压un-ul为220v时，整流器mb6s整流后输出直流20v，当外部交流电压un-ul为100v时，整流器mb6s整流后输出直流9v，在实际情况下，由于是在远低于额定电压下工作，整流器mb6s整流后的电压小于9v；

二、mcu的检测端口powerchkio的阈值电压为1.21v,检测端口powerchkio的最大承受电压为5.5v，计算公式为：rt32/(rt30+rt31+rt32)*9v＝1.21v，rt30和rt31均选取300k，rt32选取100k；当外部交流电压un-ul达到440v时，整流器mb6s整流后电压为40v，外部交流电压un-ul检测到的电压为5.71v，超过最大承受电压5.5v，此时，应当减小rt32/(rt30+rt31+rt32)的值，而1.21v的阈值不能变，整流器mb6s整流后的电压需要提升，可知，在mcu进入低功耗时，电压已经大于100v，不符合要求；重新调整变压器t1的参数，降低整流电压值，涉及周期长，得不到满意的效果；因此，在检测端口powerchkio处加设二极管dt30，二极管dt30正向导通压降典型值为0.3v，能够把检测端口powerchkio的电压控制在5.3v以下，保证了检测端口powerchkio在高压下不损坏。

本发明与现有技术相比，外部交流电压un-ul输入交流220v，整流器mb6s整流后输出直流20v，再通过稳压器78l05输出5v；20v电源分压后输入到检测端口powerchkio；当外部交流电压un-ul下降时，20v电源随着下降，检测端口powerchkio检测到的电压下降到检测端口powerchkio固有的动作阈值时，mcu进入低功耗休眠模式；当外部交流电压un-ul降到100v时，mcu进入低功耗模式；当外部交流电压un-ul达到440v时，检测端口powerchkio在其承受的电压范围内；其结构简单，制作成本低，设计周期短，通用性高，使用环境友好，适合不同阈值的mcu。

附图说明：

图1为本发明的主体电路结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例：

本实施例涉及的io口保护电路的主体结构包括变压器t1、整流器mb6s、稳压器78l05、电解电容ep2、电容cp1、电容cq3、20v电源、电阻rt30、电阻rt31、二极管dt30、检测端口powerchkio、5v电源、电阻rt32和电容ct30；变压器t1的一端与外部交流电压un-ul连接，变压器t1的另一端与整流器mb6s的1端和2端连接，整流器mb6s的1端为显示接口dp2，整流器mb6s的3端与稳压器78l05的3端vin(输入端)连接，整流器mb6s的4端与稳压器78l05的1端vout(输出端)连接，稳压器78l05的2端gnd(接地端)接地，整流器mb6s的3端与4端之间设置有电解电容ep2和电容cp1，电解电容ep2与20v电源连接，整流器mb6s的4端与稳压器78l05的1端vout之间设置有电容cq3，电容cq3与5v电源连接；20v电源依次通过电阻rt30、电阻rt31和2个二极管dt30与mcu的检测端口powerchkio连接，2个二极管dt30并联设置，2个二极管dt30的一端与5v电源连接，电阻rt31与2个二极管dt30之间设置有电阻rt32和电容ct30，电容ct30的一端接地。

本实施例涉及的变压器t1为工频变压器；整流器mb6s、稳压器78l05、电解电容ep2的容量为1000uf，电解电容ep2的耐压值为35v；电容cp1和电容cq3的电阻值均为104k，电容cp1和电容cq3的耐压值均为50v；电阻rt30和电阻rt31的电阻值均为300k；二极管dt30为锗二极管，二极管dt30的型号为lbat54clt1g，二极管dt30的正向导通压降典型值为0.3v；检测端口powerchkio为mcu检测外部电源的检测端口；电阻rt32的电阻值为100k；电容ct30的型号为0603-x5r-50v-104k。

本实施例涉及的io口保护电路使用时，外部交流电压un-ul输入交流220v，整流器mb6s整流后输出直流20v，再通过稳压器78l05输出5v；20v电源分压后输入到检测端口powerchkio；当外部交流电压un-ul下降时，20v电源随着下降，检测端口powerchkio检测到的电压下降到检测端口powerchkio固有的动作阈值时，mcu进入低功耗休眠模式；当外部交流电压un-ul降到100v时，mcu进入低功耗模式；当外部交流电压un-ul达到440v时，检测端口powerchkio在其承受的电压范围内。

本实施例涉及的检测端口powerchkio的电压计算示例如下：

一、当外部交流电压un-ul为220v时，整流器mb6s整流后输出直流20v，当外部交流电压un-ul为100v时，整流器mb6s整流后输出直流9v，在实际情况下，由于是在远低于额定电压下工作，整流器mb6s整流后的电压小于9v；

二、mcu的检测端口powerchkio的阈值电压为1.21v,检测端口powerchkio的最大承受电压为5.5v，计算公式为：rt32/(rt30+rt31+rt32)*9v＝1.21v，rt30和rt31均选取300k，rt32选取100k；当外部交流电压un-ul达到440v时，整流器mb6s整流后电压为40v，外部交流电压un-ul检测到的电压为5.71v，超过最大承受电压5.5v，此时，应当减小rt32/(rt30+rt31+rt32)的值，而1.21v的阈值不能变，整流器mb6s整流后的电压需要提升，可知，在mcu进入低功耗时，电压已经大于100v，不符合要求；重新调整变压器t1的参数，降低整流电压值，涉及周期长，得不到满意的效果；因此，在检测端口powerchkio处加设二极管dt30，二极管dt30正向导通压降典型值为0.3v，能够把检测端口powerchkio的电压控制在5.3v以下，保证了检测端口powerchkio在高压下不损坏。