温控激光锡焊设备对激光器电源设计至关重要，由于激光器输出光功率受其激射电流的影响，为了保证其稳定的光功率输出，研制了基于位移式数字PID 算法的高稳定性激光器驱动电源。在硬件设计方面，该驱动电源主要由控制器模块、恒流源模块和保护电路模块组成。采用模拟PI 深度负反馈环节有效地提高了驱动电流的稳定性。在软件方面，采用位置式数字PID 算法，消除了实际驱动电流值与理论值之间的微小差异。利用该驱动电源，对中心波长为940.01 nm 的激光器做了驱动测试。实验表明，长期稳定性(>220 h)优于4×10-5，中心波长未出现漂移，为其在红外气体检测中提供了优越性能保障。         

激光器的谱带范围覆盖大部分红外气体吸收指纹区，使得它在多个领域得到广泛应用。通常，激光器的驱动模式分为以下两种：(1) 恒流驱动模式。在该模式下工作时，激光器的驱动电流维持不变。(2) 恒光功率驱动模式。在该模式下工作时，激光器的驱动电路对激光二极管(LD)的平均光功率进行深度闭环负反馈控制。由激光器的激射电流不仅影响了其输出光功率的稳定性，造成其发光波长的波动， 而且降低其使用寿命。因此， 在近红外气体检测领域中， 研制高稳定性激光器驱动电源是十分必要的。目前，在商品化应用方面，许多国外的公司、高等院校及研究所都开展对激光器驱动电源的研究工作。尽管生产激光器的厂商有很多，但以上驱动电源长期稳定性(>220 h)优于1×10-4。考虑到上述产品的稳定性均不高的现状， 结合实际项目指标的需求， 自主设计并研制了数字PID 算法的高稳定性温控激光器驱动电源。该驱动电源在硬件上采用模拟PI 深度负反馈环节，同时结合软件位置式数字PID 算法构成双闭环反馈控制方法，有效地提高了驱动电流的稳定性。实验表明，该驱动电源长期稳定性(>220 h) 优于4×10-5， 具有良好的实用价值。         

高稳定激光器驱动电源系统主要由控制器模块、恒流源模块和保护电路模块组成。结构框图如图所示。采用32 位定点型处理器作为嵌入式控制器； 芯片内部的数模转换器(DAC)产生高速高精度的模拟信号。恒流源模块的驱动原理是根据MOSFET 的栅极控制电压VGS与MOSFET 的导通电流ID 之间的关系来调节驱动激光器的电流。保护电路模块分别对驱动电流进行过载保护， 电源电压波动进行瞬态抑制、消除电路的静电干扰。因此， 保护电路能够使激光器工作于更复杂的电磁环境中， 大大延长其使用寿命。         

恒流源模块是在恒定输入电平下， 输出恒定电流，恒定电流大小完全由输入脉冲电压幅值调节。
恒流源模块采用模拟PI 深度线性负反馈原理，通过取样电阻R5对流过激光器的驱动电流进行采样，将电流信号转变成电压信号。实际中，根据激光器驱动电流参数需要， 对系统的响应速度和信号稳定精确度进行折中处理， 最终选择需要的参数来达到激光器驱动的性能指标。

在延时软启动电路方面， 对经典π 型网络进行了改进，借助NPN 型达林顿晶体管的大电流来间接提高电容的等效容值，使它产生大电容的效果，如果达林顿管的电流放大倍数为k，则在基极与地电位之间接入的电容C2就等效于在源极与地之间接入了容值为(1+k)C2的大电容。此外，该电路还可以实现DFB 激光器驱动的慢启动与慢关闭，具体的工作方式为：电源接通瞬间，Q1截止，它的初始射极输出电流为零， 外部电流通过接在达林顿管基极与集电极之间的电阻给电容C2充电，它的基极电位开始缓缓上升， 当超过截止电压后，Q1的工作状态由截止变为放大， 它的发射极电流由初始状态一直变大直至饱和，同时三极管Q2基极电位也开始增大，最终Q2导通，滤波电路的输出电压等于它的输入电压。当电源断开时，变化过程同理。这样，激光器的开启与关闭都能躲过上电与断电瞬间的电网浪涌冲击，具体的延迟时间与电阻R 的取值有关。         

在实际使用过程中，存在大量静电，如果处理不当，静电就会损伤激光器。文中系统在激光器两端并联瞬态抑制器(TVS)，构成静电通路，避免静电损坏激光器。
数字形式的PID 算法是将连续模拟的PID 算法在时间上等间隔T 采样，进行数字离散化。相邻两点采样之和作为积分项，之差作为差分项，数字形式的PID 表达式如下：         

式中：T 为采样间隔；TI为积分项参数；TD为微分项参数；e(i)为系统第i 次采样的偏差值。实际中， 对于复杂的系统建立的数学模型跟真实系统存在很大的差异， 所以工程中通常采用临界比例带法， 即不需要建立目标系统数学模型的前提下， 利用经验公式， 实现对P、I 和D 三个参数进行整定。整定经验公式如下表所示。

临界比例带法具体实现过程如下：
(1) 初始化系统，使积分项和差分项为零，只存在比例环节。
(2) 调节比例系数P， 待系统输出响应等幅震荡。此时，比例系数P 记为即临界比例带δpr，震荡周期记为Tpr，如图所示。

(3) 利用表1 中所示的经验公式，计算各个参数。在激光器的驱动实验中，系统采用位移式数字PID 算法， 消除了实际驱动电流值与理论值之间的微小差异，其软件流程图如图 所示。

在激光器驱动电源上电之后，核心控制器首先完成系统各组成模块的初始化工作， 设置驱动电流， 并完成对DAC 输出电压的控制，驱动恒流源模块。同时，系统实时显示并监测驱动电流，一旦没有达到预设电流值，系统将采用位移式数字PID 算法，对误差电流信号进行计算，输出控制信号， 改变DAC 输出电压， 进而调节驱动电流的大小，最终使驱动激光器的电流稳定在预设值。利用该激光器驱动电源， 对中心波长为940.01 nm 的激光器做了驱动测试。
在进行系统性能测试过程中， 为了消除电磁干扰，采用铝制屏蔽盒将外部环境与系统隔离。激光器上电后，首先对其驱动电流的线性度进行测量。将激光器的工作温度控制在25 ℃， 采用所研制的驱动电源，通过设置不同的控制电压，观测反馈通道的电压变换情况，最终换算成电流变化。其测试结果如图6 所示。

结果显示，系统输出电流差值峰值为0.086 3 mA，线性度达到99.87%。

实验中， 进一步对所研制的驱动电源输出电流的稳定度进行了实验，结果如图7 所示。

实验中， 预设驱动电流为100 mA， 长期测试(>220 h)结果平均值为100.mA，与均值相差最大电流为0.000 44 mA， 输出电流的稳定度好于4×10-5A。
实验中采用中心波长为940.01nm 的激光器为驱动对象，根据器件的技术手册，激光器激光发生的中心谱线的波长为940.01 nm。在驱动性能实验中，采用THERMO4700 型傅里叶红外光谱仪测量的激光器中心谱线如图 所示。

图为使用中红外傅里叶光谱仪测得的激光器的发射谱线， 其发光光谱为波数为940.01 nm，实验中通过调节器工作温度与驱动电流来实验对其发射波长的控制，可以与气体吸收峰匹配得更好。

在近红外气体检测领域中，针对激光器驱动电源高稳定性需求，文中介绍了采用模拟PI 深度负反馈环节和位置式数字PID 算法相结合，构成双闭环反馈控制方法， 设计并研制了一种高稳定性激光器驱动电源。此外，该驱动电源具备防上电/断电冲击保护电路、延时软启动电路和过流保护电路等保护电路，保证了激光器长期稳定的工作。同时，利用该驱动电源， 对激光器做了驱动测试。结果显示，其驱动电流线性度为99.97%，稳定度为4×10-5A，满足实际指标的需求。