Интересная схема защиты входов микроконтроллера

Посмотрите же на ВАХ саппрессоров. В данном случае они абсолютно неприменимы.
Ставьте транзисторы.
Либо, если не хочется разводить отдельный clamping rail и небольшие НЧ пульсации по питанию допустимы, шунтируйте питание параллельным стабилизатором (каким-нибудь TL431 в SOT-23) на напряжение 3В+небольшой запас.