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高压输电线无源温度传感器电源管理电路#
郭彤，李平，文玉梅，张佳佳，鲍宜壮，蔡家欢，刘双建**
基金项目：国家教育部博士点基金资助项目（20120191110021）
作者简介：郭彤（1990-），男，主要研究方向：电源管理电路、传感器技术
通信联系人：李平（1963 ），男，教授，博士生导师，主要研究方向：自供电、传感器技术
（重庆大学光电工程学院，传感器与仪器研究中心，重庆 400044）
5 摘要：高压输电线的温度在线监测是确保电网安全运行的重要方法｡但电池、超级电容等储
能器件或者外接电源限制了其在高压环境下的安全应用｡本文设计了一种无源温度传感器的
电源管理电路。该电路利用电场能量采集器获取高压输电线的电场能，通过频率变换电路实
现上变频，再经过开关电路中的高 Q 值晶振快速充放电，无需储能电容和电池，为温度传
感器提供交流电，输出信号可以通过隔离变压器直接传输至安全距离以外｡实验表明，当高10
压峰峰值为 4kV 时，电源管理电路最大输出功率达到 μW，可以成功驱动热敏电阻每
5ms工作一次，可实现之间的输电线温度测量。
关键词：电场能量采集器；自供电；频率变换；电源管理电路；无源温度传感器
中图分类号：TP212
15
Power management circuit for passive power-line
temperature sensor
Guo Tong, Li Ping, Wen Yumei, Zhang Jiajia, Bao Yizhuang, Cai Jiahuan, Liu
Shuangjian
(Research Center of Sensors and Instruments, College of Optoelectronic Engineering, Chongqing 20
University, Chongqing 400044)
Abstract: The online temperature monitoring of the power line is one of the most important
monitoring methods for power grid operation and electricity safety. However, the safety of the
traditional temperature sensor applied in high voltage environment is limited due to the required
battery, super capacitor or external power supply for the temperature sensor. In this paper, a power 25
management circuit consisting of a frequency up-conversion circuit and a high-Q quartz crystal is
proposed in order to drive the passive temperature sensor by handling and exploiting the
electric-field energy harvested from high voltage power lines. Arising from the frequency
up-conversion resonance matching and the high-Q resonance of the quartz crystal, the
management circuit working at a higher resonant frequency can obtain a faster charging speed. 30
Consequently, the management circuit can effectively drive the passive temperature sensor
without super capacitor and external power supply. By using an isolating transformer, the output
signals of the sensor can be transmitted to safety distance. Experimental results reveal that under a
2-KV-amplitude high voltage, the power management circuit owns a maximum output power of
μW that can drive a thermistor with an operation period of 5 ms, and measure power-line 35
temperature in a range of -10℃~100℃.
Key words: electric field energy harvester; self-powered; frequency conversion; power
management circuit; passive temperature sensor
0 引言 40
随着高压输电线电压和电流不断升高，对供电可靠性的要求也越来越高。在电力输送中，
温度是输电线安全运行的重要参数，需要沿输电线进行分布式多点实时监测[1-2]。但是温度
传感器需要电池维护或者外接电源，限制了其在高压环境下的安全应用。采集周围环境的振
动能[3]、太阳能[4]、风能[5]、磁场能[6]等可以实现温度传感器的自供电，但是这些能源在高
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压输电线周围的能量密度较低且具有间歇性。而电场能[7]持续广泛的存在于高压输电线周45
围，是无源温度传感器的一种有效能量来源。
为了驱动无源温度传感器稳定高效地工作，需要设计电源管理电路对能量采集器采集到
的电能进行管理。文献[8]设计了一种集成调理单元的电源管理电路，采用上电启动工作模
式驱动温度传感器工作。文献[9]采用一种 ACC 电路给温度传感器供电，使得传感网络节点
每 42s 发射一次数据。文献[10]采用 MEMS 开关控制电解电容充放电，驱动载有温度传感器50
的无线传感节点每 300s 工作一次。然而现有的无源温度传感器电源管理电路都要采用大电
容或者电池储能，在高压环境下或者温度过高时，电解电容、超级电容和电池易损坏，降低
了传感系统和电网的安全性。在无储能元件且能量采集器的输出功率较低时，传统的无源温
度传感器很难实现快速检测、输出安全隔离和较远距离传输。因此有必要设计一种在低电场
能源下，无大电容或者电池储能的电源管理电路，以保证无源温度传感器的快速检测和安全55
可靠。
为了免除电解电容或者电池，本文提出一种高压输电线无源温度传感器的电源管理电
路，该电路由电场能量采集器、频率变换电路、开关电路组成。频率变换电路提高了电路的
工作频率和电压幅值。开关电路采用开关控制高 Q 值晶振快速充放电，输出的交流信号直
接驱动温度传感器工作。该电路免除了整流和稳压过程，无需电池或者电解电容，提高了温60
度传感器的安全性，使得温度传感器能够在能量采集器输出功率较低的条件下连续工作。温
度传感器输出信号可以直接通过隔离变压器传输至安全距离以外。
1 无源温度传感系统
无源温度传感系统的结构原理如图 1 所示。电场能量采集器将高压输电线周围的交变电
场能量转换为电能，原本 50Hz 交流电信号经过频率变换电路转换成为高频率的振荡信号，65
经过开关电路进行间歇性储存能量和释放能量，输出的交流信号直接驱动热敏电阻工作，再
通过隔离变压器将传感信号传输至安全距离。
采
集
器
频率
变换
电路
开关
电路
控制电路
温度
传感
器
隔离
变压
器
图 1 无源温度传感系统原理图 70
Schematic of passive temperature sensor system
2 电场能量采集器
电场能量采集器结构如图 2 所示。电场能量采集器由极板 1 和极板 2 以及变压器组成，
高压输电线电压经过 Cw电容，电感 L1以及 Cg电容三个元件的分压后，将电场能转化为电
能。由于电场能量采集器没有直接接触高压输电线导体，因此电场能量采集器具有很高的安75
全性。
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图 2 电场能量采集器结构图
Structure of electric field energy harvester 80
L1 L2
V0
Cwg
n
RL
图 3 电场能量采集器输出等效电路图
Output equivalent circuit of electric energy harvester
85
电场能量采集器输出等效电路如图 3 所示，在非调谐情况下，负载阻抗 RL并联在变压
器次级，RL两端电压
[11]为：
)11(11 10
0
LnRC
u
u
Lwg
RL
(1)
其中， 0u 和 0 分别表示信号源 V0输出的电压有效值和角频率， wgC 为 wC 和 gC 串联
的等效电容，n 为变压器初级和次级的变比，L1为变压器初级电感值。 90
由式（1）可以看出，变压器次级的输出电压 0u 与 0 成正比。传统调谐匹配的方法可
以实现输出电压和功率的增大，但是 wgC 为 pF级别且无法更改，所以只能改变电感 L1。而
在工频情况下，匹配电感需要上万亨，如此大的电感分布电容极大，根本无法实现调谐。采
用频率变换的方式可以提高 0 ，从而在 L1较小的情况下可以实现电场能量采集器输出电压
及功率的增大。 95
3 频率变换电路
频率变换电路由双向开关、变压器和匹配电容组成。电路原理图如图 4 所示。变压器的
初级回路设置了一个双向开关 S，由控制电路控制开关通断，开关导通和断开时电感与电容
之间的振荡，实现上变频。
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L1 L2
MV0
Cw
Cg
R1 R2
S
Control Signal
C1 V2
图 4 频率变换等效电路
Up-conversion equivalent circuit
图中，S 是双向开关，L1、L2分别是匹配变压器的初级、次级电感，n1、n2分别是匹配105
变压器的初级、次级绕组匝数，R1、R2 分别是变压器初级、次级电感的内阻，M 是互感，
C1是初级的匹配电容， )(1 tu 是初级电感的电压。
假设一个开关周期为 20 ~tt ，当 10 ttt 时开关导通，当 21 ttt 时开关断开。在
理想情况下，变压器次级电感 L2两端的电压 )(2 tu 在一个开关周期内可表示为
[12]：
2122
2
2
20
1012
1
2
10
2
)sin(
)sin(
)(
2
1
tttte
n
tttte
n
tu
d
t
d
d
t
d
（2） 110
其中，
)1 1110 wgCCL （ ，
)(2 111 1 wgewg CCLCR ，
2
1
2
101 d ，
1120 1 CL ， 112 2LR ，
2
2
2
202 d 。
由式(2)可知，当开关 S 闭合时，L2 两端的电压波形由角频率为 d1 的阻尼振荡信号。
当开关 S 断开时，L2两端的电压波形则是由角频率为 d2 的阻尼振荡信号组成。能量采集器
输出角频率为的低频正弦信号通过频率变换电路被转换成角频率为 d1 和 d2 的高频混115
合信号。由公式（2）可知当 110 ， 220 时， dd 21 。如果将开关 S 频率设
置为与阻尼振荡频率一致，阻尼振荡信号在一个开关周期内基本不衰减。此时电路工作频率
提高，相比直接匹配电路，初级电感减小，使得电路输出电压幅值和功率增大。
4 开关电路
石英晶振具有高 Q 值，体积小等优点，常用来产生高精度振荡频率[13]。将石英晶振加120
入到电路中，可以提高电路的 Q 值，代替电解电容或电池储能，并快速充放电，实现负载
的交流供电，免去整流电路和复杂的控制电路。如图 5 所示为等效开关电路，V2 表示图 4
中电感 L2 的输出信号，V2 的频率与晶振的串联谐振频率相等，均为 f1（角频率为 1 ）。r
是频率变换电路的等效输出阻抗。单刀双掷（SPDT）开关的频率为 f2，占空比为 D。R3和
R4为 SPDT 开关后连接的两个不同阻值电阻，其中 R4远大于 R3。 125
假设一个开关周期为 20 ~tt ，当 10 ttt 时 R3导通，当 21 ttt 时 R4导通。理想情
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况下，
3R
U 和
4R
U 可表示为：
V2
r
R4
R3
crystal oscillator
n
SPDT
图 5 等效开关电路图 130
Equivalent switch circuit
2114
1011
2
)(
3
)sin(
)sin()sin(
4
1
21
3
ttttcRU
ttttbtaeRU
R
L
RRr
R
(3)
其中 22 )( Iti ，
2
2
2
1 kka ， 21tan kk ，
2
4
2
3 kkb ， 43
tan kk
，
301 kIk ， 413042
2)( kLkIRk cry ， 123 cryCuk ， 4
2
1
2
24 RCuk cry ，135
ttIk 11126 cotcos1/ ， 21212112125 cos)cotcos1(sin1 ttttIk ，
2
6
2
5 kkc ， 65
tan kk
。
3R
U 两端电压波形为阻尼振荡，频率为晶振的串联谐振频率 1 ，该频率由晶振中 Lcry
和 Ccry决定。与直接阻抗匹配相比，开关导通 R3时，储存在晶振上的能量释放到 R3上，R3
两端电压比直接阻抗匹配大，同时 R3又小于直接阻抗匹配的 r，所以 R3上的瞬时功率要比140
直接阻抗匹配电路大。通过开关电路中晶振的能量积累，可以在低电场能源下获得较大的瞬
时输出功率，同时释放交流电到负载 R3，避免了使用电解电容和电池带来的安全隐患。
5 实验与验证
频率变换电路实验测试
对频率变换电路次级电感的输出电压
2L
V 进行实验测试。实验电路图如图 4 所示，磁芯145
选取 uu 型铁氧体材料，变压器初级匝数为 200，次级匝数为 50，初级、次级等效电感分别
为 和 ，等效电阻分别是 R1=34Ω，R2=Ω。变压器初级环路匹配电容为 ，
开关控制信号频率为 ，占空比为 2%，高压输电线电压频率为 50Hz，峰峰值为
4kVpp。变压器次级电感 L2两端输出电压波形如图 6 所示。
150
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图 6 电感 L2上的电压波形
The voltage of L2
由图 6 可以看出，通过频率变换电路，阻尼振荡频率和开关频率一致。频率变换前，信155
号频率为 50Hz，频率变换后，信号的主要成分为 df1 和 df 2 。而由式（2）可得
2 2
1 2 20 2 2d df f （4）
振荡频率理论计算值为 ，实验中振荡频率为 ，实验数据与理论计
算值基本吻合，电路的工作频率提高，初级回路的匹配电感值减小。振荡频率和晶振谐振频
率一致，可以驱动开关电路正常工作。 160
开关电路实验
对图 5 所示的开关电路进行测试，V2输出 4Vpp， 的正弦波，r 为 60kΩ，开
关频率为 100Hz，占空比为 2%。R3为 52kΩ，R4为 10MΩ。此时 VR=，如图 7 所示
为开关电路中 R3两端波形。
165
图 7 R3两端的电压波形
Voltage waveform of R3
测试得到直接匹配电路和开关电路的输出功率图如图 8 和图 9 所示。 170
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图 8 直接匹配输出功率图
Direct matching output power figure
175
图 9 开关电路输出功率图
Swith circuit output power figure
根据实验波形和功率图可知，当 R3为 52 kΩ时开关电路在较短的时间内将累计的能量180
瞬间释放，R3 两端电压为 ，并得到 μW 的瞬时功率。而直接匹配电路在 60k
Ω时输出功率最大，此时 R 两端电压为 ，输出功率为 12μW。
实验结果表明，与直接匹配电路相比，通过开关电路以及晶振积累并瞬间释放能量，可
以在更低的匹配电阻下得到更高的输出功率，和理论分析基本符合。此时晶振可以代替电解
电容充放电，并输出交流信号给负载供电，并免除整流和稳压过程。 185
无源温度传感器系统驱动实验
对高压输电线周边环境温度进行实时检测，温度传感器采用 NTC 热敏电阻
MF5A-503-3950
[14]，并将交流信号通过隔离变压器隔离并传输至安全距离进行监测。
MF5A-503-3950 在常温下（25 C ）的电阻值为 50k，允许偏差为 %1 ，工作温度为
C110-C10- 。隔离变压器耐压值为 1kV，适用频率为 50Hz-60kHz，变比为 2000：3000。 190
如图 10 所示，对电源管理电路驱动负载能力进行测试，并用隔离变压器输出电压信号。
图 11 为不同温度下 Vout输出曲线图。
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V0
Cwg
C1
S
crystal
oscillator
C1
n
Rt
SPDT
L1 L2
T1
L3 L4
T2
Isolation
transformer
Vout
图 10 负载驱动电路 195
Load driving circuit
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
5
10
15
20
25
V
o
u
t(
V
p
p
)
T(C)
图 11 不同温度下 Vout输出曲线图
Vout figure under different temperature 200
温度为 C110-C10- 时，SPDT 开关频率为 200Hz，热敏电阻每 5ms 输出一次信号。
NTC 热敏电阻阻值、Vout输出的峰峰值与温度呈反向比例关系。Vout输出峰峰值的变化范
围为 -24Vpp。
其中，T 为 25 C 时，Vout 波形见图 12。通过开关电路可以得到更大的输出电压和输205
出功率，此时 Rt 两端的输出功率最大，为 μW。
图 12 Vout波形图
Waveform of Vout
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实验结果表明，电源管理电路能够在输出功率较低的情况下驱动热敏电阻工作，无需电210
池或者储能电容，并将电压信号通过隔离变压器传输至安全距离以外。
6 结论
针对高压输电线温度传感器的供电问题，本文设计了一种无源温度传感器的电源管理电
路。该电路利用电场能量采集器采集高压输电线的电场能，通过频率变换电路实现上变频，
再经过开关电路中的高 Q 值晶振快速放电，为温度传感器提供交流电，使得温度传感器无215
需储能电容和电池,输出信号可以通过隔离变压器直接传输至安全距离以外｡实验表明，当高
压峰峰值为 4kV 时，电源管理电路最大输出功率达到 μW，可以成功驱动热敏电阻每
5ms 工作一次，可实现 C110-C10- 之间的输电线温度测量。
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