克服WiFi前端设计中的热量挑战，如何做到减少运行发热？

doatello

对于无线接入点或客户端设备（CPE），在FCC认证之前，很难充分考虑热管理及其影响的参数。为了避免由于干扰，共存或射频前端（RFFE）线性造成的最后时刻变化的麻烦，必须要使用组件的热参数进行设计。这篇博文解释了Wi-Fi前端设计面临的最大的挑战--热量。

提高智能家居的负载力

目前的家庭平均有12个客户端或物联网（IoT）产品互相通信，但这些数字在未来几年会增加。 英特尔认为，到2020年，家庭用户数量将增加到50家，而Gartner 预测到2020年全球将有204亿用户使用互联网。

在当今的无线家庭中，通信运营商和零售商通常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。但随着家用设备和物联网的急剧增长，智能家庭正在推动单路由器模式的功能。

因此，新的应用程序模型正在不断发展。消费者发现将更多的路由器或节点放置在家中有助于为家庭路由器/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已经存在于办公总部，医院和大学校园中的一些技术来确保整个家庭的无线能力。

物联网挑战

毫无疑问，由于这种网状网络模型以及设备集成了更多的标准和功能，因此接入点内的射频复杂性增加。

物联网带来了几个挑战：

无线广播需求的增加。今天的接入点不仅仅包含Wi-Fi，还支持Zigbee，蓝牙，低功耗蓝牙（BLE），Thread和 窄带物联网（NB-IoT）。运营商也正在设法找到以前无法访问的家庭。运营商支持的 LTE-M（LTE的机器对机器版本）就是进入一些Wi-Fi网关的一个例子。

每个家庭内的用户更多。家不再只有一个或两个电脑和几个电话。今天，几台电脑，电视，智能手机，可穿戴设备，安全网络，无线设备等都连接到Wi-Fi和互联网。

额外的Wi-Fi频段。单位不再有一个2.4 GHz频段和一个5 GHz频段。现在有八个独立的2.4 GHz和八个5 GHz的路径。这种改变使得我们在 Wi-Fi接入点或节点内具有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设备变得更小，更时尚，更具装饰性，而且不那么突出。他们还全天候地制造一些部件或增加多功能性，例如夜光能力。

运行发热

Wi-Fi前端设计中的所有这些变化增加了RF链的数量，从而有助于接入点内的整体热量。这种单位温度的增加也增加了射频调谐挑战，特别是当盒子的尺寸相同或更小时。

在Wi-Fi领域，工程师需要解决的最关键的设计挑战之一就是产品温度。在当今的产品中，组件的平均温度在60°C或更高，而在25°C的室温环境中。在设计的早期考虑这个事实很重要，以帮助最大限度地减少重新设计问题或额外成本。


热量是如何挑战射频前端提供的能力和范围的

温度影响三个RFFE组件：

功率放大器
射频开关和低噪声放大器（LNA）
滤波器

让我们来看看每个类别的热量挑战和Wi-Fi设计考虑事项。

在Wi-Fi领域，工程师需要解决的最关键的设计挑战之一就是产品温度。

＃1：功放因素如何？

工程师经常在每个射频链路的线性，功率输出和效率之间取得平衡。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。这也解决了处理效率低下的问题。

射频工程师还应该考虑几个影响功率放大器的Wi-Fi设计趋势：

• 使用时分双工（TDD）。Wi-Fi网络使用TDD，这意味着功率放大器在工作期间脉冲开启和关闭 - 交替传输和接收功能。这增加了PA瞬变，这是高温的原因。
• 更难的误差矢量幅度（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来优化EVM，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。采用1024 QAM调制时，每个信号有更多的比特 - 每个信号10比特，而在256 QAM中只有8比特。但是，随着数据速率的增加，RFFE上的EVM成为主要关注点。在1024 QAM中星座非常密集，处理器必须使用复杂的系统解码来区分每个点。当处理器工作更加困难时，单元设备的热量会增加。
• RFFE性能如何影响系统处理器的总体电流消耗。较差的射频前端性能意味着处理器将不得不更努力地满足整个系统的要求。使用处理器会增加系统硬件的热量。
  

＃2：射频开关和低噪声放大器（LNA）如何？

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，功率放大器更难以补偿并推动更高的输出，这降低了效率。而效率越低意味着设备的热量越多。使用高线性度，低损耗开关保证整个频带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对发热没有显着的贡献，但LNA上的热量的影响可能会严重影响吞吐量。热量降低了噪声系数，并且取决于电路设计和晶圆技术的选择，对此的补偿可以使设计人员得到特定的解决方案。


＃3：最后，滤波器

射频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带边缘的高插入损耗，从而可能导致RFFE 的低增益或P OUT响应。如果滤波器漂移太多（如SAW图所示），那么PA会推动更多的功率输出来补偿插入损耗。这增加了电流并降低了系统效率。

使用高插入损耗的滤波器可以降低线性度并增加射频链路P OUT。Qorvo 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。双工器，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，并导致良好的产品散热。

功耗的设计考虑：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，通过选择减轻热量的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。

随着设备从802.11ac迁移到802.11ax的能力，产品制造商必须专注于使用更高效的组件。Qorvo挑战其设计团队，在不增加功耗的情况下增加线性功率 - 设计具有与前几代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，实现-47 dB EVM - 高于当前QPF4538 FEM，即802.11ac 5 GHz FEM，可实现-43 dB EVM，并具有更低的最大功耗。

Qorvo的QPF7200是一个完全集成的前端模块（iFEM），可以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挡边LowDrift BAW滤波器，能抵抗温度变化，并提供去除所需RF链数量的选项
包括一个LTE Wi-Fi共存过滤器，可以消除LTE设备（如电话或调制解调器）的干扰影响，从而降低吞吐量

考虑FCC认证之前的工作温度

有了这么多的无线电和射频链，挤在一起，与RF供应商合作非常重要，这可以帮助您同时实现低功耗和线性功耗预算。

尽管许多系统都是在室温下进行设计和建模的，但问问自己在设备运行时如何在60-70°C（140-158°F）下运行。不要等到FCC认证的时候才能找出来。


请继续关注本系列的第2部分，其中我们将讨论围绕无线干扰/共存的Wi-Fi设计挑战以及克服这些挑战的巧妙提示。


关于作者：

Wayne Polonio
Senior Product Marketing Manager

[size=0.9375]With 18+ years in the RF industry, Wayne helps customers around the world overcome the design challenges associated with the growing complexity of Wi-Fi applications.

阅读全文