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如何防止運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)熱:克服Wi-Fi前端設(shè)計(jì)中的熱量難題

發(fā)布時(shí)間:2021-12-24 來(lái)源:Qorvo 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本文是系列博客中的上篇,介紹 Wi-Fi 前端設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。下篇將探討共存和干擾問(wèn)題。對(duì)于無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)或用戶(hù)端設(shè)備 (CPE),很難在獲得 FCC 認(rèn)證前充分考慮熱管理及受影響的參數(shù)。為了避免由于干擾、共存或射頻前端 (RFFE) 線(xiàn)性造成需要在最后時(shí)刻更改設(shè)計(jì)的麻煩,一定要記得使用組件熱參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這篇博文解釋了 Wi-Fi 前端設(shè)計(jì)面臨的最大熱量難題。

 

提高智能家居能力


目前,每個(gè)家庭平均會(huì)有 12 個(gè)客戶(hù)端或物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 產(chǎn)品互相通信,但這一數(shù)字在未來(lái)幾年還會(huì)增加。Intel 認(rèn)為,到 2020 年,家庭客戶(hù)端數(shù)量將增加到 50 個(gè);而 Gartner 預(yù)測(cè),到 2020 年,全球?qū)⒂?204 億臺(tái)設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)。

在如今的無(wú)線(xiàn)家庭中,通信運(yùn)營(yíng)商和零售商通常會(huì)提供一個(gè)大型無(wú)線(xiàn)路由器,使用原始功率來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)家庭的覆蓋。但隨著家用設(shè)備的急劇增長(zhǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,單路由器模式越來(lái)越難以滿(mǎn)足智能家居的需求。


因此,新的應(yīng)用模式正在不斷發(fā)展。消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)在家中布置更多路由器或節(jié)點(diǎn),有助于家庭路由器/調(diào)制解調(diào)器提供更多的客戶(hù)端和數(shù)據(jù)回程服務(wù)。這種新的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)模型通過(guò)企業(yè)級(jí)系統(tǒng)使用一些辦公總部、醫(yī)院和大學(xué)校園中采納的技術(shù),來(lái)確保整個(gè)家庭的無(wú)線(xiàn)能力。


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物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)


由于這種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用,加之設(shè)備集成了更多的標(biāo)準(zhǔn)和功能,因而,接入點(diǎn)內(nèi)的射頻復(fù)雜性增加也就不足為奇了。


物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)了一些挑戰(zhàn):


●     無(wú)線(xiàn)廣播需求增加。現(xiàn)今的接入點(diǎn)不僅整合了 Wi-Fi 功能,還支持 Zigbee、藍(lán)牙、藍(lán)牙低功耗 (BLE)、線(xiàn)程和窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT)。運(yùn)營(yíng)商也在想盡辦法覆蓋之前沒(méi)有接入網(wǎng)絡(luò)的家庭。運(yùn)營(yíng)商支持的 LTE-M(LTE 的機(jī)對(duì)機(jī)版)就是進(jìn)入一些 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)的例子。

●     每個(gè)家庭中的用戶(hù)增多。家庭中不再只有一臺(tái)或兩臺(tái)電腦和幾部電話(huà)。今天,數(shù)臺(tái)電腦、電視、智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、安全網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)設(shè)備等都要連接到 Wi-Fi 和互聯(lián)網(wǎng)。

●     額外的 Wi-Fi 頻段。裝置不再只有一個(gè) 2.4 GHz 頻段和一個(gè) 5 GHz 頻段?,F(xiàn)在,最多有八個(gè)獨(dú)立的 2.4 GHz 和八個(gè) 5 GHz 路徑。這種改變使我們?cè)?Wi-Fi 接入點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)內(nèi)擁有了 MIMO(多輸入/多輸出)和多用戶(hù) MIMO (MU-MIMO) 路徑。

●     縮小尺寸和擴(kuò)展功能。Wi-Fi 制造商正在將 Wi-Fi 裝置做得更小、更時(shí)尚、更具裝飾性,而且不會(huì)那么突兀。他們還生產(chǎn)一些可適應(yīng)各種氣候或添加了多種功能的裝置,例如夜燈功能。


下面的框圖對(duì)新舊接入點(diǎn)進(jìn)行了比較,凸顯了如今 RFFE 設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。


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運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱


Wi-Fi 前端設(shè)計(jì)中的所有這些變化都增加了 RF 鏈的數(shù)量,并成為了接入點(diǎn)整體熱量的禍?zhǔn)住Qb置溫度的增加也加劇了 RF 調(diào)諧難題,特別是當(dāng)盒子的尺寸相同或更小時(shí)。


在 Wi-Fi 領(lǐng)域,工程師需要解決的一個(gè)最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)就是產(chǎn)品溫度。在今天的產(chǎn)品中,如果靜放在 25°C 的室溫環(huán)境下,部件的平均溫度會(huì)達(dá)到 60°C 或更高。在設(shè)計(jì)的早期階段考慮這一問(wèn)題非常重要,有助于最大限度地減少重新設(shè)計(jì)或額外的成本。


熱量對(duì) RF 前端的功能和覆蓋范圍帶來(lái)了哪些挑戰(zhàn)


溫度會(huì)影響三個(gè) RFFE 組件:


1. 功率放大器

2. RF 開(kāi)關(guān)和低噪聲放大器 (LNA)

3. 濾波器

 

我們來(lái)了解下每種類(lèi)別的熱挑戰(zhàn)和 Wi-Fi 的設(shè)計(jì)考量.

 

在 Wi-Fi 領(lǐng)域,工程師需要解決的一個(gè)最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)就是產(chǎn)品溫度。


#1:功率放大器怎么解決?


工程師經(jīng)常要平衡每個(gè) RF 鏈路中的線(xiàn)性、功率輸出和效率。使用優(yōu)化的高線(xiàn)性功率放大器或前端模塊 (FEM) 可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)效率,減少整體發(fā)熱量。同時(shí),也減少了系統(tǒng)處理效率低下的問(wèn)題。


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RF 工程師還應(yīng)考慮幾個(gè)影響功率放大器的 Wi-Fi 設(shè)計(jì)傾向:


時(shí)分雙工 (TDD) 的使用。Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)使用 TDD 意味著功率放大器會(huì)在操作期間打開(kāi)和關(guān)閉脈沖,即交替發(fā)射與接收函數(shù)信號(hào)。這增加了功率放大器的瞬變,導(dǎo)致高溫出現(xiàn)。


更嚴(yán)苛的誤差矢量幅度 (EVM) 規(guī)范。EVM 是調(diào)制質(zhì)量和誤差性能的度量。在 802.11ac 中,EVM 規(guī)格為 -35dB,但在 Wi-Fi 的下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 802.11ax 中,該規(guī)格增加到 -47dB,這對(duì)于 Wi-Fi 組件設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)更難以滿(mǎn)足。設(shè)計(jì)工程師必須設(shè)計(jì)高度線(xiàn)性的 FEM 以?xún)?yōu)化 EVM,從而最終有助于降低產(chǎn)品的整體溫度。


更高的調(diào)制方案。為了實(shí)現(xiàn)更高的容量和數(shù)據(jù)速率,Wi-Fi 設(shè)計(jì)正在從 256 QAM 轉(zhuǎn)向 1024 QAM 調(diào)制方案。使用 1024 QAM 調(diào)制后,每個(gè)符號(hào)傳輸 10 位數(shù)據(jù),而非 256 QAM 中的 8 位數(shù)據(jù)。但隨著數(shù)據(jù)速率的增加,RFFE 上的 EVM 成為主要關(guān)注點(diǎn)。在 1024 QAM 中星座點(diǎn)非常密集,處理器必須使用復(fù)雜的系統(tǒng)解碼以區(qū)分每個(gè)點(diǎn)。當(dāng)處理器高負(fù)荷工作時(shí),裝置設(shè)備的熱量就會(huì)增加。


RFFE 性能對(duì)系統(tǒng)處理器總體電流消耗的影響。較差的 RF 前端性能意味著處理器將不得不高負(fù)荷工作,以滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)的要求。增加處理器的負(fù)荷也會(huì)增加系統(tǒng)硬件的熱量。


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#2:RF 開(kāi)關(guān)和低噪聲放大器 (LNA) 又如何呢?


在開(kāi)關(guān)中,插入損耗也會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量。當(dāng)插入損耗增加并且信號(hào)強(qiáng)度降低時(shí),功率放大器會(huì)高負(fù)荷工作以補(bǔ)償和推動(dòng)更高的輸出,但這降低了效率。而效率降低意味著設(shè)備的熱量增多。使用高線(xiàn)性度的低損耗開(kāi)關(guān)可保證整個(gè)頻段內(nèi)的插入損耗在規(guī)格范圍內(nèi)。


接收吞吐量高度依賴(lài)于 LNA 增益和噪聲系數(shù)。盡管 LNA 對(duì)發(fā)熱沒(méi)有顯著影響,但 LNA 上的熱量可能會(huì)嚴(yán)重影響吞吐量。熱量降低了噪聲系數(shù),而且取決于電路設(shè)計(jì)和晶圓技術(shù)的選擇,對(duì)此的補(bǔ)償可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員采取特定的解決方案。


#3:最后是濾波器


RF 濾波器由于溫度變化而向左或向右漂移,如下面的 SAW 和 BAW 圖所示。這些移位可能會(huì)導(dǎo)致頻段邊緣的高插入損耗,進(jìn)而導(dǎo)致 RFFE 的增益或 POUT 響應(yīng)降低。如果濾波器漂移太多(如 SAW 圖所示),功率放大器會(huì)推動(dòng)更多的功率輸出以補(bǔ)償插入損耗。這增加了電流并降低了系統(tǒng)效率。


使用具有高插入損耗的濾波器可以降低線(xiàn)性度并增加 RF 鏈OUT。Qorvo 的 LowDrift? 體聲波 (BAW) 濾波器的一大優(yōu)勢(shì)是其在溫度漂移方面的穩(wěn)定性。雙信器、帶通濾波器和共存濾波器采用 BAW 技術(shù),具有較低的溫度漂移,有助于減少插入損耗,實(shí)現(xiàn)良好的產(chǎn)品散熱。


Read More Design Tips: Resolving Interference in a Crowded Wi-Fi Environment

 

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觀看視頻detailed "Chalk Talk"獲取更多Qorvo Wi-Fi無(wú)線(xiàn)連接解決方案內(nèi)容。


對(duì)功耗的設(shè)計(jì)考量:Qorvo 的方法


熱量會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的性能(如吞吐量、范圍和干擾分辨率)。因此,通過(guò)選擇可減少熱量的 RFFE 組件來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)非常重要。在傳輸鏈中,重點(diǎn)應(yīng)該是平衡鏈路預(yù)算需求,如系統(tǒng)線(xiàn)性功率。


A隨著設(shè)備從 802.11ac 遷移到 802.11ax 能力,產(chǎn)品制造商必須專(zhuān)注于使用更高效的組件。Qorvo 要求旗下的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),在不增加功耗的情況下增加線(xiàn)性功率,設(shè)計(jì)出具有與前幾代產(chǎn)品相同功耗的更高吞吐量器件。例如,即將推出的 QPF4528 是一款 802.11ax 5 GHz FEM,可傳輸線(xiàn)性功率且能實(shí)現(xiàn) -47dB EVM,這高于當(dāng)前的 QPF4538,QPF4538 是 802.11ac 5 GHz FEM,可實(shí)現(xiàn) ?43dB EVM 并具有更低的最大功耗。


另一款整合了所有散熱功能的產(chǎn)品是 Qorvo 的 QPF7200,它是一個(gè)完全集成的前端模塊 (iFEM),可減少重量和設(shè)計(jì)復(fù)雜性,同時(shí)降低系統(tǒng)發(fā)熱量。QPF7200 模塊:


●     包含一個(gè)高效的 2 GHz 功率放大器,以減少熱量

●     集成 FCC 帶緣 LowDrift BAW 濾波器,可抵抗溫度變化,并提供去除所需 RF 鏈數(shù)量的選項(xiàng)

●     包括一個(gè) LTE Wi-Fi 共存濾波器,可以消除 LTE 設(shè)備(如電話(huà)或調(diào)制解調(diào)器)的干擾影響,避免吞吐量降低


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在FCC認(rèn)證之前就應(yīng)考慮運(yùn)行溫度


有如此多的無(wú)線(xiàn)電和 RF 鏈擠壓在一起,因此與 RF 供應(yīng)商的合作就顯得尤為重要,這可以幫助您同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗和線(xiàn)性功耗預(yù)算。


盡管很多系統(tǒng)都是依據(jù)室溫設(shè)計(jì)和建模的,但捫心自問(wèn),如果運(yùn)行溫度達(dá)到的 60-70°C (140-158°F),這些設(shè)備還怎么運(yùn)行下去?不要等到 FCC 認(rèn)證的時(shí)候才想起解決這個(gè)問(wèn)題。


請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注本博文系列的下篇,我們將在其中討論有關(guān)無(wú)線(xiàn)干擾/共存的 Wi-Fi 設(shè)計(jì)難題和解決方法。



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