插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的小型化熱設(shè)計探索(一)

熱設(shè)計網(wǎng) 2020-04-15

一、插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的類型和行業(yè)現(xiàn)狀

1.1 插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的類型

插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般包含電力貓(PLC/PLW)，無線中繼器/擴(kuò)展器（Wireless Repeater）等帶AC電源插頭的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

電力貓可分為普通的“有線電力貓(PLC)”和“無線電力貓(PLW)”兩種。專門為大戶型、復(fù)式、別墅等解決面積大、Wi-Fi信號、無法布線等問題而設(shè)計，只要上下樓層間使用的是同一個電表的電路，在一個樓層使用無線電力貓，另一個樓層使用普通電力貓，就可以立即組建網(wǎng)絡(luò)。

圖二電力貓在復(fù)式/別墅中的組網(wǎng)方式

無線中繼器/擴(kuò)展器（Wireless Repeater）在兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中起物理信號的雙向轉(zhuǎn)發(fā)作用，將不同傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)連接在一起。使用無線中繼器/擴(kuò)展器來擴(kuò)展基站的覆蓋范圍、是越來越多家庭網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的選擇。

圖三無線中繼器的組網(wǎng)圖示

1.2 插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的行業(yè)現(xiàn)狀

插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由于集成了AC to DC電源（簡稱ACDC電源），可以直接插在插座上供電使用，較為節(jié)省了用戶的空間。

從市場競爭和用戶使用的角度，插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷小型化，功能多樣化，多頻天線的運用，插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備空氣自然散熱的問題越來越突出。

隨著無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的推陳出新， 11AX協(xié)議設(shè)備（俗稱Wi-Fi 6）的逐漸上市，以及三頻設(shè)備（2.4G/5.2G/5.8G頻段）的日益成熟，散熱甚至將成為插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在用戶體驗和可靠性方面的一個瓶頸。

二、插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的散熱痛點

從圖四插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主要組成部件圖可以看出，設(shè)備的內(nèi)部堆疊方式常采用信號模塊與電源模塊組合的雙板結(jié)構(gòu)。由于兩板間的空間有限，熱量多集中在信號板與電源板之間難以散出。

圖四插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主要組成部件圖

由于體積小和成本的限制，風(fēng)扇或熱管之類的散熱方式基本不納入考慮范疇。插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由于集成了ACDC電源，其AC部分、還有安全法規(guī)方面的問題需要規(guī)避，所以、小型化插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的空氣自然散熱一直是個難點。

2.1 設(shè)備外殼溫升 —— 插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備散熱的一大“痛點”

用戶可以觸摸到的設(shè)備外殼的溫度，是用戶對設(shè)備散熱設(shè)計優(yōu)劣的直接體現(xiàn)。大多高端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備品牌，都對設(shè)備的外殼溫升有特別要求，可見對用戶體驗的重視。為了消除外殼的局部“熱點”，常用石墨片或金屬箔類利用其高水平導(dǎo)熱系數(shù)的特性來均溫，改善用戶體驗。

但是從美觀的角度考慮，插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備越來越多的使用內(nèi)置天線來實現(xiàn)。而均溫常用的常用石墨片或金屬箔類、因具有導(dǎo)電性對天線的場型有影響，這就制約的散熱在均溫方面的操作性。

因此、設(shè)備的外殼溫升成為了插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備散熱的一大“痛點”。

2.2 一次性準(zhǔn)確的評估出兼顧成本和競爭力的”最小” 設(shè)備體積 —— 插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備散熱的另一“痛點”

在概念設(shè)計階段，從設(shè)備美觀、用戶使用方便和整體成本角度出發(fā)，產(chǎn)品經(jīng)理都希望產(chǎn)品能做到盡可能的縮小體積。而插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的系統(tǒng)堆疊，需要從ID，硬件，天線，結(jié)構(gòu)，散熱和安規(guī)等多方面考慮。

因此，在滿足一些列硬件性能要求的前提下，盡可能一次性準(zhǔn)確的評估出、設(shè)備既可滿足有限的自然散熱成本投入、又有極具競爭力的”最小”體積，成為了插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備散熱設(shè)計的另一大“痛點”。

三、插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外形尺寸的評估方法

判定是否滿足自然散熱一般根據(jù)產(chǎn)品的熱密度來確定。

1）設(shè)備的外形尺寸能否滿足散熱需求，常采用體積發(fā)熱功率密度來度量。

圖五體積發(fā)熱功率密度

1）由于設(shè)備的熱量都主要集中在PCB上，PCB自身的散熱能力不足、需要外加散熱器輔助散熱，所以其散熱能力通過PCB的表面散熱熱流密度來度量。

由于插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能主要集中在信號板上、電源板只是供電，所以、主要針對信號板的表面散熱熱流密度進(jìn)行評估。

圖六表面散熱熱流密度

設(shè)備的極限散熱能力，除了與外殼的體積發(fā)熱功率密度、PCB的表面散熱熱流密度相關(guān)外，還與設(shè)備的使用放置方式以及通風(fēng)孔的位置相關(guān)。因為：

第一，計算外殼的體積發(fā)熱功率密度時，沒有考量外殼的通風(fēng)孔。

第二，不同的設(shè)備使用放置方式，對流散熱的能力不同，在相同成本投入的散熱方案下，散熱的實現(xiàn)難易程度也不同。

3.1 熱流密度評估經(jīng)驗推薦值

通過大量的插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品的熱設(shè)計數(shù)據(jù)收集、大致摸索了熱流密度評估推薦值，做為概念階段初步評估設(shè)備尺寸散熱滿足度、可否進(jìn)入下一步仿真模擬的重要判斷條件。

熱流密度評估推薦值綜合考慮了設(shè)備的通風(fēng)孔率以及數(shù)據(jù)收集設(shè)備在開發(fā)過程的難度兩方面因素。當(dāng)然，隨著收集數(shù)據(jù)的增加和新散熱技術(shù)的運用，熱流密度評估推薦值也將不斷的修訂。

1）外殼體積發(fā)熱功率密度的推薦值為0.021W/cm³，在數(shù)據(jù)平均值基礎(chǔ)上上浮4%作為推薦值。

圖七外殼體積發(fā)熱功率密度數(shù)據(jù)庫

2）PCB表面散熱熱流密度(單面)的推薦值為0.058W/cm²，在數(shù)據(jù)平均值基礎(chǔ)上上浮8.5%作為推薦值。

圖八 PCB表面散熱熱流密度數(shù)據(jù)庫

3）至少要外殼體積功率密度和PCB表面散熱熱流密度兩個指標(biāo)均在推薦值以內(nèi)，設(shè)備的散熱風(fēng)險則較易可控，不用投入過多精力。

若其中一項指標(biāo)超過了推薦值則，需要進(jìn)一步仿真評估。
若兩項指標(biāo)均超過了推薦值的30%，則熱風(fēng)險非常大，需要重點仿真可行性了。

3.2 設(shè)備尺寸的經(jīng)驗評估方式

在ID效果圖設(shè)計階段時常遇到，需要熱設(shè)計工程師初步計算設(shè)備外形尺寸的情況。這就需要結(jié)合熱流密度經(jīng)驗評估值，并綜合相關(guān)領(lǐng)域如結(jié)構(gòu)、天線、安規(guī)等方面的要求進(jìn)行推算。

大致總結(jié)的插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備經(jīng)驗尺寸計算方式如下：

1）根據(jù)功耗較集中的信號板的PCB表面散熱熱流密度評估推薦值、反推出需要的PCB面積，再根據(jù)Layout布局需求（考慮布局的有利性）確定出PCB的外形尺寸；

2）綜合信號板和電源板的最高器件高度以及預(yù)留的散熱方案空間，堆疊計算出設(shè)備內(nèi)部的高度尺寸；

3）PCB的外形尺寸加上外殼固定PCB結(jié)構(gòu)需要的寬度、可得到設(shè)備的外形長寬值，設(shè)備內(nèi)部的高度加上外殼的壁厚、即可評估出設(shè)備整機(jī)的厚度尺寸。

4）計算設(shè)計的外殼體積功率密度，確認(rèn)設(shè)備外形尺寸是否在推薦值范圍內(nèi)。

3.2.1 設(shè)備的水平投影外形尺寸

信號板的PCB表面積計算公式為：S（cm2）= Pd / 2*表面散熱熱流密度參考值。

Pd：由硬件根據(jù)產(chǎn)品實現(xiàn)的原理計算得到信號板熱功耗，或根據(jù)相同方案產(chǎn)品的AC端整機(jī)測量功耗*電源轉(zhuǎn)換效率計算得來；
信號板表面散熱熱流密度參考值0.058W/cm2；

1）當(dāng)尚未進(jìn)行PCB預(yù)布局時，也可以按照常用的長寬比（瘦長型）進(jìn)行大致估算，再由硬件對評估的PCB外形尺寸進(jìn)行Layout確認(rèn)是否可以滿足布局。

2）PCB的外形尺寸加上外殼固定PCB結(jié)構(gòu)需要的寬度以及壁厚、可得到整機(jī)的外形長寬值，即整機(jī)的外形長或?qū)挾戎?PCB的長或?qū)挾戎?2*（外殼固定PCB結(jié)構(gòu)寬度+外殼壁厚）。

比如：某產(chǎn)品同芯片方案的樣機(jī)、功率計測量的整機(jī)功耗為6.5W、電源轉(zhuǎn)換效率80%，ID 希望的長寬比例為1:1，需要評估整機(jī)的最小長寬尺寸。

1）使用參考的參考表面散熱熱流密度值、計算得到信號板的需求面積：

S=6.5W*80%÷(2*0.058W/cm2) = 44.8 cm2 = 4480 cm2

2）在按照長寬比1:1，估算得到信號板的外形尺寸大致為67mmx67mm左右；

3）外殼固定PCB的結(jié)構(gòu)寬度和壁厚采用經(jīng)驗值進(jìn)行預(yù)估，整機(jī)的規(guī)則長寬尺寸為：（67+2*（5+2.5））x（67+2*（2.5+2.5））=82mmx82mm。

3.2.2 設(shè)備的厚度（高度方向）的尺寸堆疊

插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的整機(jī)厚度（高度）堆疊評估需要對設(shè)備的PCB組合形式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較了解，一般由熱設(shè)計、結(jié)構(gòu)和天線工程師共同來完成。單板式的產(chǎn)品比較簡單、本文著重探索雙板式插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的厚度堆疊。

從下面的雙板式插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整機(jī)厚度（高度）堆疊圖可以看出：

整機(jī)的厚度（高度）E= 外殼壁厚Thousing+電源板板下高度A+電源板板厚TPWR+信號板與電源板間距C+信號板板厚TWiFi+信號板板上高度D