激光器中的恒流源电路设计
激光器中的恒流源电路设计
恒流源电路在激光器等精密设备中扮演着至关重要的角色。本文将从基本原理出发，深入探讨恒流源电路的设计方案，包括低成本、高精度以及适用于高功率激光器的恒流源电路。通过对比不同方案的优缺点，帮助读者根据实际需求选择最适合的电路设计。
一、为什么需要用恒流源
恒流源是一种能够提供稳定电流的电路，其电流输出不因环境温度变化而改变。使用恒流源电路的主要原因有以下几点：
- 保持电流稳定
- 延长设备寿命
- 提高效率
- 减小电压变化的影响
以LED为例，其额定电流为20mA，但这并不意味着LED只能工作于这些额定电流。电流从8mA加大到40mA，功率就从1W加大成3W。因此，LED可以工作在350-700mA之间的任意值，但温度变化会影响电流，进而影响器件寿命或导致器件烧坏。因此，使用恒流源驱动是为了确保设备的稳定性、安全性、效率和寿命。
二、常见低成本恒流源电路
1. 稳压二极管恒流电路
利用稳压二极管的稳压特性设计的恒流电路。在该电路中，三极管Q1的基级电压被限定在稳压二极管工作的稳定电压Uzd下，VR3=Uzd-0.7V，所以流过R3电阻的电流在VCC电源即使可变的条件下也是保持恒定不变，达到恒流的效果。但三极管PN节会受温度影响，稳压管精度差，因此此电路精度较差。
2. 三极管基极导通电压恒流电路
利用三极管的基级导通电压为0.6~0.7V的特性设计的恒流源电路。当GPIO口给信号时，Q1导通，同时Q2也导通。当Q2导通，Q1三极管基级被拉低，负载R1不工作，随着Q2截止，Q1恢复导通。如此反复循环工作，最终电流稳定在0.7/R3（忽略Q1与Q2三极管的基级电流），电源电压VCC怎么变化，电流一直恒定不变。
但这两种电路精度比较低，在高精度场合必须引入运放。
三、高精度恒流源电路
运放恒流电路
运放恒流电路的精度较高。其基本原理是通过运算放大器（运放）来实现电流的精确控制。运放的高输入阻抗和高增益特性使得电路能够实现高精度的电流控制。
但是，当需要通过大于10A的电流时，采用电阻R7阻值取大，会导致采用电阻R7温度过高或功率大；阻值取小了，弱小信号容易受到干扰。因此，对于高功率应用，需要进一步优化设计。
四、高功率激光器恒流源电路设计
对于高功率激光器，需要设计能够通过几十安培电流的恒流源驱动电路。这类电路通常基于运放恒流源电路的原理，但需要进行优化以适应高功率需求。
判断高精度恒流源电路有多个关键指标，包括延时(Vin->电流输出)、电流过冲＜5%（电流波形上冲下冲）、上升沿和下降沿时间（反映了一块电路的响应时间）、电流波形完整（无振铃无掉坑）、一致性（不同板子直接的差异）。
五、总结
在项目选择时，可以根据具体需求选择合适的恒流源电路：
- 如果成本是首要考虑因素，且对精度要求不高，可以选择常见低成本恒流源电路。
- 如果对产品一致性有较高要求，可以选择运放恒流源。
- 如果需要高精度、大功率且电流可调，应选择高精度恒流电路。
总之，世界上本就没有绝对最好的，只有最合适的。上面几个恒流源电路各有各的优缺点，根据项目选择最优的方案。