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，详细介绍几种不同精度和功率等级的恒流源电路设计，帮助读者理解如何根据实际需求选择合适的方案。
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，其电流输出不受环境温度变化的影响。在激光器等精密设备中，使用恒流源电路有以下几个主要原因：
- 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，所以这个LED可以工作在350-700mA之间的任意值，根据温度变化而改变。如下图是LED伏安特性的温度系数图：
因温度变化而变化，随着温度的升高，电流也随之升高，电流升高又会带来温度的升高，从而影响器件寿命或烧坏器件。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。对于需要精确控制电流的应用，恒流源驱动是不可或缺的。
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一种稳压管恒流电路：
分析：稳压二极管的恒流电路中，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，所有此电路精度较差。
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这个特性设计的三极管恒流源电路：
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
其原理如下流程图：
此运放恒流电路精度较高，但当需要通过大于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，对于高功率应用场景，需要进一步优化设计。
四、高功率激光器恒流源电路设计
如图是一款能通过几十安培的恒流源驱动电路图：
用LTspice仿真软件简化为如下图所示，并标记了模块的作用，方便看到恒流源电路：
其可控制原理大体与运放恒流源电路一样（请见上方原理流程图）。
Iout =Vin * Viout = Vin*R1/R2/RS1
判断高精度恒流源电路有多个关键指标，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方案：
- 成本优先且对精度要求不高的场合，可以选择常见低成本恒流源电路；
- 需要保证产品一致性的场合，可以选择运放恒流源；
- 对精度、功率和电流调节有高要求的场合，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。