深入浅出：用国产车规 eFuse 芯片 SC77010Q 实现快速过流保护（1.5A 限流）方案

原创

于 2025-12-16 18:15:26 发布 · 502 阅读

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#efuse #车载电子 #电流保护

引言

在汽车电子、工业控制、智能设备等场景中，过流保护是保障电路安全的核心功能 —— 一旦负载短路、线路老化或异常工况导致电流飙升，若保护响应不及时，可能引发器件烧毁、线路起火等严重后果。传统保险丝响应慢、不可恢复，而普通限流芯片往往难以兼顾 “快速响应” 与 “精准限流”。

国产南芯 SC77010Q 作为车规级智能 eFuse 控制器，凭借 “硬件化检测 + 可编程配置 + 快速栅极驱动” 架构，能轻松实现 100μs 以内的过流保护响应，且支持精准限流调节。本文以 1.5A 限流需求为核心，从技术原理、公式推导、硬件设计、软件开发、测试验证等维度，全面拆解 SC77010Q 的应用方案，内容通俗易懂，多表格呈现关键数据，附完整嵌入式核心代码，助力工程师快速落地项目。

一、SC77010Q 芯片核心特性概述

SC77010Q 是南芯半导体推出的单通道高侧开关控制器，集成 eFuse 保护功能，专为 12V/24V/48V 汽车及工业应用设计。其核心特性决定了 “100μs 级过流保护” 的可行性，关键参数如下表所示：

类别	核心参数	备注
工作条件	工作电压：6V~60V；工作温度：-40℃~125℃（AEC-Q100 Grade 1）	覆盖汽车、工业场景宽温宽压需求
限流能力	过流阈值（OVC_THRS）：6mV~90mV；支持外部分流电阻（Rshunt）：1mΩ~10mΩ	限流范围取决于 Rshunt，1.5A 限流需匹配 Rshunt 与 OVC_THRS
响应时间	硬短路检测响应：≤5μs；栅极关断时间（tGS_OFF）：2.6μs（CGATE=80nF）	总响应时间可压缩至 10μs 以内，远低于 100μs 目标
保护功能	硬短路保护、过流熔断保护、过温保护、欠压保护、MOSFET 饱和保护	全方位保障电路安全
控制接口	3.3V/5V 兼容 SPI 接口；跛行模式（Limp Home）直接引脚控制	支持软件精细化配置与硬件应急控制
采样精度	电流采样精度：≥20mV 时 ±3%；10mV~20mV 时 ±5%	1.5A 限流场景采样压差易落在高精度区间

二、100μs 过流保护的技术原理：从 “检测 - 判断 - 执行” 全链路拆解

SC77010Q 的过流保护响应速度，核心源于 “硬件化快速检测 + 无延时判断 + 高速栅极驱动” 的全链路优化，整个过程分为三个阶段，总耗时可控制在 10~20μs，完全满足 100μs 以内要求。

2.1 阶段 1：电流采样 —— 微秒级捕捉异常（耗时＜5μs）

过流保护的前提是 “快速感知电流异常”，SC77010Q 采用 “外部分流电阻 + 内部高速比较器” 架构，避免数字 ADC 转换的延时：

采样硬件：在电源回路中串联外部分流电阻 Rshunt，SC77010Q 通过 ISNS_P（正输入端）和 ISNS_N（负输入端）采集 Rshunt 两端的差分电压（VISNS_P - VISNS_N），该压差与负载电流成正比（ILIM = (VISNS_P - VISNS_N) / Rshunt）。
检测机制：内置硬短路专用模拟比较器，当采样压差超过预设阈值（硬短路阈值 HSHT_THRS 或过流阈值 OVC_THRS）时，无需经过 ADC 转换，直接触发保护信号，响应时间＜0.5μs；若需精准采样，可启用 10 位 ADC（采样率 0.9MSamples/s），单次转换耗时约 1.1μs，仍不影响总响应时间。
关键优化：采样回路采用差分走线设计，减少共模干扰，且 Rshunt 紧贴 ISNS_P/ISNS_N 引脚，缩短走线长度（≤5mm），降低寄生电感导致的信号滞后。

2.2 阶段 2：故障判断 —— 无延时逻辑触发（耗时≤3.3μs）

SC77010Q 将过流分为 “硬短路” 和 “一般过载” 两类场景，采用差异化判断逻辑，兼顾 “快速响应” 与 “防误触发”：

过流类型	触发条件	判断逻辑	耗时范围	应用场景
硬短路	采样压差＞HSHT_THRS（20mV~160mV 可编程）	无延时触发，仅保留去抖时间	0~3.3μs	负载直接短路到地（致命故障）
一般过载	采样压差＞OVC_THRS（6mV~90mV 可编程）	可配置熔断时间（1s~511s）	按需设置	负载电流略超额定值（良性过载）

硬短路场景是 “100μs 响应” 的核心关注对象：通过 CR#3 寄存器的 HSHT_DEG 位配置去抖时间（00=0μs、01=1.1μs、10=2.2μs、11=3.3μs），默认 0μs 时无任何判断延时，确保瞬时切断故障。
一般过载场景可通过 T_NOM 寄存器配置熔断时间，避免电机启动、电容充电等正常瞬态电流误触发保护。

2.3 阶段 3：执行关断 —— 高速切断主回路（耗时≤10μs）

判断出故障后，SC77010Q 需快速切断外部 MOSFET 的栅极驱动，终止主回路电流：

栅极驱动架构：内置电荷泵（CP1/CP2/CP 引脚），在 VS＞10V 时可输出 VS+13~16V 的栅极电压（VCP），远高于 MOSFET 的导通阈值，确保栅极电荷快速释放。
关断时间优化：外部 MOSFET 的关断时间（tGS_OFF）取决于栅极电容（CGATE），SC77010Q 支持最大 800nC 的栅极电荷（QGMAX），选择 CGATE≤100nF 的 MOSFET 时，tGS_OFF≤5μs（测试条件：VGS 从 10V 降至 0.5V）。
无阻塞执行：硬短路保护触发后，关断信号直接作用于 HS_GATE 引脚，无需等待 SPI 通信或其他诊断反馈，避免额外延时。

2.4 总响应时间构成（以 1.5A 限流为例）

总响应时间 = 采样时间 + 判断时间 + 关断时间，具体数值如下表所示：

环节	典型耗时	最大值	备注
电流采样	＜1μs	2μs	硬短路场景采用比较器，无 ADC 转换延时
故障判断	0μs	3.3μs	HSHT_DEG=00（0μs 去抖）
外部 FET 关断	2.6μs	5μs	选择 CGATE=80nF 的 MOSFET
总响应时间	＜3.6μs	10.3μs	远低于 100μs 目标，留有充足冗余

三、核心计算公式推导：1.5A 限流精准配置

要实现 1.5A 的精准限流，需通过 “分流电阻 Rshunt” 与 “过流阈值 OVC_THRS” 的匹配计算，同时验证响应时间是否满足要求。

3.1 限流核心公式推导

SC77010Q 的过流阈值（OVC_THRS）是 ISNS_P 与 ISNS_N 的差分电压阈值，负载电流与该压差的关系为：\(ILIM = \frac{OVC\_THRS}{Rshunt}\)

公式说明：ILIM 为目标限流值（1.5A），OVC_THRS 为寄存器配置的过流压差阈值（6mV~90mV），Rshunt 为外部分流电阻（1mΩ~10mΩ）。
变形公式：需根据 ILIM 和 Rshunt 反推 OVC_THRS，或根据 OVC_THRS 和 ILIM 选择 Rshunt：\(OVC\_THRS = ILIM \times Rshunt\)\(Rshunt = \frac{OVC\_THRS}{ILIM}\)

3.2 1.5A 限流参数计算示例

目标：ILIM=1.5A，总响应时间≤100μs，采样精度≥±3%。

步骤 1：选择分流电阻 Rshunt

选型原则：
1. 采样压差（OVC_THRS）需落在高精度区间（≥10mV，对应采样精度 ±5%；≥20mV，对应 ±3%）；
2. Rshunt 功率足够（P=ILIM²×Rshunt，预留 2~3 倍冗余）；
3. 低温漂（≤50ppm/℃），避免温度影响精度。
计算过程：选择 OVC_THRS=30mV（落在高精度区间，对应 CR#2 寄存器配置值），则：\(Rshunt = \frac{30mV}{1.5A} = 20mΩ\)功率验证：P=1.5²×20mΩ=0.045W，选择 1W 封装的合金电阻（冗余充足）。