Защитные диоды только "сливают" слишком высокое напряжение (выше питания) на VCC, или слишком низкое (отрицательное) на GND. Больше они ничего не могут.
Придётся что-то добавлять в схему: или транзистор и делать выход TX CP2101 типа "открытый коллектор", или аналоговый ключ, или ещё чего
Эскизы прикрепленных изображений