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插墙网络设备的小型化热设计探索(一)

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一、 插墙网络设备的类型和行业现状

1.1 插墙网络设备的类型

插墙网络设备一般包含电力猫(PLC/PLW),无线中继器/扩展器(Wireless Repeater)等带AC电源插头的网络设备。

         

电力猫可分为普通的“有线电力猫(PLC)”和“无线电力猫(PLW)”两种。专门为大户型、复式、别墅等解决面积大、Wi-Fi信号、无法布线等问题而设计,只要上下楼层间使用的是同一个电表的电路,在一个楼层使用无线电力猫,另一个楼层使用普通电力猫,就可以立即组建网络。


图二  电力猫在复式/别墅中的组网方式


无线中继器/扩展器(Wireless Repeater)在两个网络节点中起物理信号的双向转发作用,将不同传输介质的网络连接在一起。使用无线中继器/扩展器来扩展基站的覆盖范围、是越来越多家庭网络实现的选择。


图三  无线中继器的组网图示

1.2 插墙网络设备的行业现状

插墙网络设备由于集成了AC to DC电源(简称ACDC电源),可以直接插在插座上供电使用,较为节省了用户的空间。

从市场竞争和用户使用的角度,插墙网络设备不断小型化,功能多样化,多频天线的运用,插墙网络设备空气自然散热的问题越来越突出。

随着无线网络协议的推陈出新, 11AX协议设备(俗称Wi-Fi 6)的逐渐上市,以及三频设备(2.4G/5.2G/5.8G频段)的日益成熟,散热甚至将成为插墙网络设备在用户体验和可靠性方面的一个瓶颈。

二、 插墙网络设备的散热痛点

从图四 插墙网络设备的主要组成部件图可以看出,设备的内部堆叠方式常采用信号模块与电源模块组合的双板结构。由于两板间的空间有限,热量多集中在信号板与电源板之间难以散出。

图四 插墙网络设备的主要组成部件图


由于体积小和成本的限制,风扇或热管之类的散热方式基本不纳入考虑范畴。插墙网络设备由于集成了ACDC电源,其AC部分、还有安全法规方面的问题需要规避,所以、小型化插墙网络设备的空气自然散热一直是个难点。

2.1 设备外壳温升 —— 插墙网络设备散热的一大“痛点”

用户可以触摸到的设备外壳的温度,是用户对设备散热设计优劣的直接体现。大多高端网络设备品牌,都对设备的外壳温升有特别要求,可见对用户体验的重视。为了消除外壳的局部“热点”,常用石墨片或金属箔类利用其高水平导热系数的特性来均温,改善用户体验。

但是从美观的角度考虑,插墙网络设备越来越多的使用内置天线来实现。而均温常用的常用石墨片或金属箔类、因具有导电性对天线的场型有影响,这就制约的散热在均温方面的操作性。

因此、设备的外壳温升成为了插墙网络设备散热的一大“痛点”。

2.2 一次性准确的评估出兼顾成本和竞争力的”最小” 设备体积 —— 插墙网络设备散热的另一“痛点”

在概念设计阶段,从设备美观、用户使用方便和整体成本角度出发,产品经理都希望产品能做到尽可能的缩小体积。而插墙网络设备的系统堆叠,需要从ID,硬件,天线,结构,散热和安规等多方面考虑。

因此,在满足一些列硬件性能要求的前提下,尽可能一次性准确的评估出、设备既可满足有限的自然散热成本投入、又有极具竞争力的”最小”体积,成为了插墙网络设备散热设计的另一大“痛点”。

三、 插墙网络设备外形尺寸的评估方法

判定是否满足自然散热一般根据产品的热密度来确定。

1) 设备的外形尺寸能否满足散热需求,常采用体积发热功率密度来度量。

图五 体积发热功率密度


1) 由于设备的热量都主要集中在PCB上,PCB自身的散热能力不足、需要外加散热器辅助散热,所以其散热能力通过PCB的表面散热热流密度来度量。

由于插墙网络设备的功能主要集中在信号板上、电源板只是供电,所以、主要针对信号板的表面散热热流密度进行评估。

图六 表面散热热流密度


设备的极限散热能力,除了与外壳的体积发热功率密度、PCB的表面散热热流密度相关外,还与设备的使用放置方式以及通风孔的位置相关。因为:

第一,计算外壳的体积发热功率密度时,没有考量外壳的通风孔。

第二,不同的设备使用放置方式,对流散热的能力不同,在相同成本投入的散热方案下,散热的实现难易程度也不同。

3.1 热流密度评估经验推荐值

通过大量的插墙网络设备产品的热设计数据收集、大致摸索了热流密度评估推荐值,做为概念阶段初步评估设备尺寸散热满足度、可否进入下一步仿真模拟的重要判断条件。

热流密度评估推荐值综合考虑了设备的通风孔率以及数据收集设备在开发过程的难度两方面因素。当然,随着收集数据的增加和新散热技术的运用,热流密度评估推荐值也将不断的修订。

 1)外壳体积发热功率密度的推荐值为0.021W/cm3,在数据平均值基础上上浮4%作为推荐值。

图七 外壳体积发热功率密度数据库


2)PCB表面散热热流密度(单面)的推荐值为0.058W/cm2,在数据平均值基础上上浮8.5%作为推荐值。

图八 PCB表面散热热流密度数据库


3)至少要外壳体积功率密度和PCB表面散热热流密度两个指标均在推荐值以内,设备的散热风险则较易可控,不用投入过多精力。

  • 若其中一项指标超过了推荐值则,需要进一步仿真评估。

  • 若两项指标均超过了推荐值的30%,则热风险非常大,需要重点仿真可行性了。

3.2 设备尺寸的经验评估方式

在ID效果图设计阶段时常遇到,需要热设计工程师初步计算设备外形尺寸的情况。这就需要结合热流密度经验评估值,并综合相关领域如结构、天线、安规等方面的要求进行推算。

     大致总结的插墙网络设备经验尺寸计算方式如下:

1)根据功耗较集中的信号板的PCB表面散热热流密度评估推荐值、反推出需要的PCB面积,再根据Layout布局需求(考虑布局的有利性)确定出PCB的外形尺寸;

2)综合信号板和电源板的最高器件高度以及预留的散热方案空间,堆叠计算出设备内部的高度尺寸;

 3)PCB的外形尺寸加上外壳固定PCB结构需要的宽度、可得到设备的外形长宽值,设备内部的高度加上外壳的壁厚、即可评估出设备整机的厚度尺寸。

4)计算设计的外壳体积功率密度,确认设备外形尺寸是否在推荐值范围内。

3.2.1 设备的水平投影外形尺寸

信号板的PCB表面积计算公式为:S(cm2)= Pd / 2*表面散热热流密度参考值。

  • Pd:由硬件根据产品实现的原理计算得到信号板热功耗,或根据相同方案产品的AC端整机测量功耗*电源转换效率计算得来;

  • 信号板表面散热热流密度参考值0.058W/cm2;

1)当尚未进行PCB预布局时,也可以按照常用的长宽比(瘦长型)进行大致估算,再由硬件对评估的PCB外形尺寸进行Layout确认是否可以满足布局。

   2)PCB的外形尺寸加上外壳固定PCB结构需要的宽度以及壁厚、可得到整机的外形长宽值,即整机的外形长或宽度值=PCB的长或宽度值+2*(外壳固定PCB结构宽度+外壳壁厚)。

  • 比如:某产品同芯片方案的样机、功率计测量的整机功耗为6.5W、电源转换效率80%,ID 希望的长宽比例为1:1,需要评估整机的最小长宽尺寸。

1)使用参考的参考表面散热热流密度值、计算得到信号板的需求面积:

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

2)在按照长宽比1:1,估算得到信号板的外形尺寸大致为67mmx67mm左右;

   3)外壳固定PCB的结构宽度和壁厚采用经验值进行预估,整机的规则长宽尺寸为:(67+2*(5+2.5))x(67+2*(2.5+2.5))=82mmx82mm。

3.2.2 设备的厚度(高度方向)的尺寸堆叠

插墙网络设备的整机厚度(高度)堆叠评估需要对设备的PCB组合形式和内部结构比较了解,一般由热设计、结构和天线工程师共同来完成。单板式的产品比较简单、本文着重探索双板式插墙网络设备的厚度堆叠。

从下面的双板式插墙网络设备整机厚度(高度)堆叠图可以看出:

  整机的厚度(高度)E= 外壳壁厚Thousing+电源板板下高度A+电源板板厚TPWR+信号板与电源板间距C+信号板板厚TWiFi+信号板板上高度D

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图九 双板式插墙网络设备厚度方向堆叠示意


  • 计算示例:结合章节2.1的案例继续计算,该设备的信号板功耗为5.6W,板厚1.2mm其板上器件高3mm、板下器件高1.5mm,电源板板厚1.6mm其板上器件高18mm、板下器件高2.7mm,需要评估整机的最小厚度尺寸。

     1)由于信号板功耗为5.6W、适中,所以信号板正反面预留的散热片按照中等厚度的2mm计算;

     2)整机的厚度按照经验公式和外壳经验值大致计算,可大致评估得到整机的最小厚度为45mm。

        E=Thousing +A+ TPWR+C+ TWiFi +D = 5+5+1.6+(18+1)+(2+2+1.5+0.4)+1.2+(2+2.5+2.5)=44.7mm

   3)通过就算所得设备尺寸82x82x45mm、计算出外壳体积功率密度0.0215 W/cm3

         6.5W/(82mm*82mm*45mm)*.001=0.0215 W/cm3

4)计算所得体积功率密度与推荐评估值0.021W/cm3进行对标,约超标推荐值2.4%,基本可以满足散热要求,但仍需仿真关注关键元件的温度满足度。

  当然以上是比较理想的状况,实际在产品开发中、客户往往希望在计算到的经验外形尺寸上进一步压缩体积,来体现小型化的优势。

    所以,评估出的整机外形尺寸值仅供初期ID设计参考,需要根据仿真验证整机尺寸是否可以进一步缩小。

(未完待续)

* 投稿作者:EsseChan

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