【硬件电路设计】一个24V阶跃信号引发的“血案”

事件的起因:

我们有一个24V的外设，它能够输出0V和24V的阶跃信号，我想通过检测这个阶跃信号作为触发条件。将信号输入到单片机中，然后单片机发出命令控制后面设备的开启关断。基本原理如下图所示：

图1原理讲解图示

时间的发展：

对于这个信号的处理无非是分压或者隔离什么的？保证满足IO口的耐压和耐电流。然后输入到IO口中。

此时一个脑子活络的同事提出来，将上图中的限流电阻加大，在24V时，基本没有电流流入IO口，检测到低电平输入时进行判断和后续的控制。

刚开始一听到这个想法是不是猛地一惊，感觉没什么问题，没有电流流入，正常检测低电平就可以了。其实这里面存在一个很大的问题；

就是这个电路根本不能实现需求，IO口输入一直是高电平；

图224V输入高电平

图30V输入

在没有进行仿真模拟时，我忽略了分压的影响，还在以为可以实现的道路上狂奔，

假设低电平能够实现信号拉低，没有上拉电阻，那直接通过这种方式将24V输入到IO口会不会有问题？

图424V输入到IO口没有电流

很多人看到这，有可能跟我一样一看电流几乎没有，只有电压，功率几乎为0能有什么损坏呢？认为没问题。

还有一些人可能会想到不满足三极管或者说IO口的“耐压值”。

我问了一些人，他们也给出耐压值的回答后，我又有了一个疑问？

什么是耐压值？耐压值到底是基于什么设定的？基于功率还是施加的电压？

基于功率的话，输入电流很小，所以不会坏，基于电压的话，肯定就会损坏了。

带着这些疑问我查资料，在群里求助,最后得到了答案：

首先是知乎上一个大佬给了回复：

耐压值一般为极限规格值，如果告诉你，大部分器件所加电压超过耐压后，都会被击穿，击穿后会有什么表现呢？电流突然增大，导致器件急剧发热，若热量不能及时耗散，会导致器件烧毁。

群里的大佬也给出了解答：

图5大佬的回答

最后用模拟电路的原话做下总结：（模拟电子技术第四版P16页）模电书里面指的是反向击穿，其实所有击穿都类似；

当反向电压超过一定的数值后，反向电流急剧增加，称之为反向击穿；击穿可以分为雪崩击穿和齐纳击穿；在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度窄，不大的反向电压就可以在耗尽层形成强电场，破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，电子移动形成反向电流，电流急剧增加，出现齐纳击穿。雪崩击穿就是继续增加反向电压的另一种情况。感兴趣的自己查一下。

综上所述：

通过一个小电路引出了一些疑问，追着这些疑问，一步步的思考，最终百川归海，回到了PN结的伏安特性曲线。

1、通过增加限流电阻的方式无法实现该需求；

2、给到半导体元器件的电压一定要考虑耐压，即使输入电流很小，超过其耐压也有可能击穿半导体器件；

3、最后根据大佬门的建议，你可以对24V分压后输出给IO；也可以使用3.3V的稳压二极管或者使用三级管都可以。

最后，感谢各位大佬的技术支持，谢谢！

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