如何防止运转过热：克服 Wi-Fi 前端设计中的热量难题
2017 年 11 月 14 日
本文是系列博客中的上篇，介绍 Wi-Fi 前端设计面临的挑战。下篇将探讨共存和干扰问题。
对于无线接入点或用户端设备 (CPE)，很难在获得 FCC 认证前充分考虑热管理及受影响的参数。为了避免由于干扰、共存或射频前端 (RFFE) 线性造成需要在最后时刻更改设计的麻烦，一定要记得使用组件热参数进行设计。这篇博文解释了 Wi-Fi 前端设计面临的最大热量难题。
提高智能家居能力
目前，每个家庭平均会有 12 个客户端或物联网 (IoT) 产品互相通信，但这一数字在未来几年还会增加。Intel 认为，到 2020 年，家庭客户端数量将增加到 50 个；而 Gartner 预测，到 2020 年，全球将有 204 亿台设备连接网络。在如今的无线家庭中，通信运营商和零售商通常会提供一个大型无线路由器，使用原始功率来实现整个家庭的覆盖。但随着家用设备的急剧增长和物联网的快速发展，单路由器模式越来越难以满足智能家居的需求。
因此，新的应用模式正在不断发展。消费者发现在家中布置更多路由器或节点，有助于家庭路由器/调制解调器提供更多的客户端和数据回程服务。这种新的网状网络模型通过企业级系统使用一些办公总部、医院和大学校园中采纳的技术，来确保整个家庭的无线能力。
物联网挑战
由于这种网状网络模型的应用，加之设备集成了更多的标准和功能，因而，接入点内的射频复杂性增加也就不足为奇了。
物联网带来了一些挑战：
- 无线广播需求增加。现今的接入点不仅整合了 Wi-Fi 功能，还支持 Zigbee、蓝牙、蓝牙低功耗 (BLE)、线程和窄带物联网 (NB-IoT)。运营商也在想尽办法覆盖之前没有接入网络的家庭。运营商支持的 LTE-M（LTE 的机对机版）就是进入一些 Wi-Fi 网关的例子。
- 每个家庭中的用户增多。家庭中不再只有一台或两台电脑和几部电话。今天，数台电脑、电视、智能手机、可穿戴设备、安全网络、无线设备等都要连接到 Wi-Fi 和互联网。
- 额外的 Wi-Fi 频段。装置不再只有一个 2.4 GHz 频段和一个 5 GHz 频段。现在，最多有八个独立的 2.4 GHz 和八个 5 GHz 路径。这种改变使我们在 Wi-Fi 接入点或节点内拥有了 MIMO（多输入/多输出）和多用户 MIMO (MU-MIMO) 路径。
- 缩小尺寸和扩展功能。Wi-Fi 制造商正在将 Wi-Fi 装置做得更小、更时尚、更具装饰性，而且不会那么突兀。他们还生产一些可适应各种气候或添加了多种功能的装置，例如夜灯功能。
下面的框图对新旧接入点进行了比较，凸显了如今 RFFE 设计的复杂程度。
运转发热
Wi-Fi 前端设计中的所有这些变化都增加了 RF 链的数量，并成为了接入点整体热量的祸首。装置温度的增加也加剧了 RF 调谐难题，特别是当盒子的尺寸相同或更小时。
在 Wi-Fi 领域，工程师需要解决的一个最关键的设计挑战就是产品温度。在今天的产品中，如果静放在 25°C 的室温环境下，部件的平均温度会达到 60°C 或更高。在设计的早期阶段考虑这一问题非常重要，有助于最大限度地减少重新设计或额外的成本。
热量对 RF 前端的功能和覆盖范围带来了哪些挑战
温度会影响三个 RFFE 组件：
- 功率放大器
- RF 开关和低噪声放大器 (LNA)
- 滤波器
我们来了解下每种类别的热挑战和 Wi-Fi 的设计考量.
在 Wi-Fi 领域，工程师需要解决的一个最关键的设计挑战就是产品温度。
#1：功率放大器怎么解决？
工程师经常要平衡每个 RF 链路中的线性、功率输出和效率。使用优化的高线性功率放大器或前端模块 (FEM) 可以优化系统效率，减少整体发热量。同时，也减少了系统处理效率低下的问题。
RF 工程师还应考虑几个影响功率放大器的 Wi-Fi 设计倾向：
- 时分双工 (TDD) 的使用。Wi-Fi 网络使用 TDD 意味着功率放大器会在操作期间打开和关闭脉冲，即交替发射与接收函数信号。这增加了功率放大器的瞬变，导致高温出现。
- 更严苛的误差矢量幅度 (EVM) 规范。EVM 是调制质量和误差性能的度量。在 802.11ac 中，EVM 规格为 -35dB，但在 Wi-Fi 的下一个标准 802.11ax 中，该规格增加到 -47dB，这对于 Wi-Fi 组件设计者来说更难以满足。设计工程师必须设计高度线性的 FEM 以优化 EVM，从而最终有助于降低产品的整体温度。
- 更高的调制方案。为了实现更高的容量和数据速率，Wi-Fi 设计正在从 256 QAM 转向 1024 QAM 调制方案。使用 1024 QAM 调制后，每个符号传输 10 位数据，而非 256 QAM 中的 8 位数据。但随着数据速率的增加，RFFE 上的 EVM 成为主要关注点。在 1024 QAM 中星座点非常密集，处理器必须使用复杂的系统解码以区分每个点。当处理器高负荷工作时，装置设备的热量就会增加。
- RFFE 性能对系统处理器总体电流消耗的影响。较差的 RF 前端性能意味着处理器将不得不高负荷工作，以满足整个系统的要求。增加处理器的负荷也会增加系统硬件的热量。
#2：RF 开关和低噪声放大器 (LNA) 又如何呢？
在开关中，插入损耗也会产生过多的热量。当插入损耗增加并且信号强度降低时，功率放大器会高负荷工作以补偿和推动更高的输出，但这降低了效率。而效率降低意味着设备的热量增多。使用高线性度的低损耗开关可保证整个频段内的插入损耗在规格范围内。接收吞吐量高度依赖于 LNA 增益和噪声系数。尽管 LNA 对发热没有显著影响，但 LNA 上的热量可能会严重影响吞吐量。热量降低了噪声系数，而且取决于电路设计和晶圆技术的选择，对此的补偿可能会导致设计人员采取特定的解决方案。
#3：最后是滤波器
RF 滤波器由于温度变化而向左或向右漂移，如下面的 SAW 和 BAW 图所示。这些移位可能会导致频段边缘的高插入损耗，进而导致 RFFE 的增益或 POUT 响应降低。如果滤波器漂移太多（如 SAW 图所示），功率放大器会推动更多的功率输出以补偿插入损耗。这增加了电流并降低了系统效率。
使用具有高插入损耗的滤波器可以降低线性度并增加 RF 链OUT。Qorvo 的 LowDrift™ 体声波 (BAW) 滤波器的一大优势是其在温度漂移方面的稳定性。双信器、带通滤波器和共存滤波器采用 BAW 技术，具有较低的温度漂移，有助于减少插入损耗，实现良好的产品散热。
Read More Design Tips: Resolving Interference in a Crowded Wi-Fi Environment
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对功耗的设计考量：Qorvo 的方法
热量会降低整个系统的性能（如吞吐量、范围和干扰分辨率）。因此，通过选择可减少热量的 RFFE 组件来设计系统非常重要。在传输链中，重点应该是平衡链路预算需求，如系统线性功率。
A随着设备从 802.11ac 迁移到 802.11ax 能力，产品制造商必须专注于使用更高效的组件。Qorvo 要求旗下的设计团队，在不增加功耗的情况下增加线性功率，设计出具有与前几代产品相同功耗的更高吞吐量器件。例如，即将推出的 QPF4528 是一款 802.11ax 5 GHz FEM，可传输线性功率且能实现 -47dB EVM，这高于当前的 QPF4538，QPF4538 是 802.11ac 5 GHz FEM，可实现 ‑43dB EVM 并具有更低的最大功耗。
另一款整合了所有散热功能的产品是 Qorvo 的 QPF7200，它是一个完全集成的前端模块 (iFEM)，可减少重量和设计复杂性，同时降低系统发热量。QPF7200 模块：
- 包含一个高效的 2 GHz 功率放大器，以减少热量
- 集成 FCC 带缘 LowDrift BAW 滤波器，可抵抗温度变化，并提供去除所需 RF 链数量的选项
- 包括一个 LTE Wi-Fi 共存滤波器，可以消除 LTE 设备（如电话或调制解调器）的干扰影响，避免吞吐量降低
在FCC认证之前就应考虑运行温度
有如此多的无线电和 RF 链挤压在一起，因此与 RF 供应商的合作就显得尤为重要，这可以帮助您同时实现低功耗和线性功耗预算。
尽管很多系统都是依据室温设计和建模的，但扪心自问，如果运行温度达到的 60-70°C (140-158°F)，这些设备还怎么运行下去？不要等到 FCC 认证的时候才想起解决这个问题。
请继续关注本博文系列的下篇，我们将在其中讨论有关无线干扰/共存的 Wi-Fi 设计难题和解决方法。
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