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(wú)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(wú)線電力貓(PLW)”兩種。專門(mén)為大戶型、復(fù)式、別墅等解決面積大、Wi-Fi信號(hào)、無(wú)法布線等問(wèn)題而設(shè)計(jì)，只要上下樓層間使用的是同一個(gè)電表的電路，在一個(gè)樓層使用無(wú)線電力貓，另一個(gè)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?jiān)趶?fù)式/別墅中的組網(wǎng)方式
無(wú)線中繼器/擴(kuò)展器（Wireless Repeater）在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中起物理信號(hào)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(wú)線中繼器/擴(kuò)展器來(lái)擴(kuò)展基站的覆蓋范圍、是越來(lái)越多家庭網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的選擇。
圖三 無(wú)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(jiǎn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(yùn)用，插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備空氣自然散熱的問(wèn)題越來(lái)越突出。
隨著無(wú)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(yàn)和可靠性方面的一個(gè)瓶頸。
二、 插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的散熱痛點(diǎn)
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(hào)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(hào)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(wèn)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(gè)難點(diǎn)。
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(diǎn)”
用戶可以觸摸到的設(shè)備外殼的溫度，是用戶對(duì)設(shè)備散熱設(shè)計(jì)優(yōu)劣的直接體現(xiàn)。大多高端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備品牌，都對(duì)設(shè)備的外殼溫升有特別要求，可見(jiàn)對(duì)用戶體驗(yàn)的重視。為了消除外殼的局部“熱點(diǎn)”，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(lái)均溫，改善用戶體驗(yàn)。
但是從美觀的角度考慮，插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備越來(lái)越多的使用內(nèi)置天線來(lái)實(shí)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(duì)天線的場(chǎng)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(diǎn)”。
2.2 一次性準(zhǔn)確的評(píng)估出兼顧成本和競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)”
在概念設(shè)計(jì)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(píng)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(jìng)爭(zhēng)力的”最小”體積，成為了插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的另一大“痛點(diǎn)”。
三、 插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外形尺寸的評(píng)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(lái)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(lái)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(guò)PCB的表面散熱熱流密度來(lái)度量。
由于插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能主要集中在信號(hào)板上、電源板只是供電，所以、主要針對(duì)信號(hào)板的表面散熱熱流密度進(jìn)行評(píng)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?yàn)椋?/span>
第一，計(jì)算外殼的體積發(fā)熱功率密度時(shí)，沒(méi)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(duì)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(shí)現(xiàn)難易程度也不同。
3.1 熱流密度評(píng)估經(jīng)驗(yàn)推薦值
通過(guò)大量的插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)收集、大致摸索了熱流密度評(píng)估推薦值，做為概念階段初步評(píng)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(píng)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(kāi)發(fā)過(guò)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(yùn)用，熱流密度評(píng)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(kù)
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(kù)
3）至少要外殼體積功率密度和PCB表面散熱熱流密度兩個(gè)指標(biāo)均在推薦值以內(nèi)，設(shè)備的散熱風(fēng)險(xiǎn)則較易可控，不用投入過(guò)多精力。
若其中一項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)了推薦值則，需要進(jìn)一步仿真評(píng)估。
若兩項(xiàng)指標(biāo)均超過(guò)了推薦值的30%，則熱風(fēng)險(xiǎn)非常大，需要重點(diǎn)仿真可行性了。
3.2 設(shè)備尺寸的經(jīng)驗(yàn)評(píng)估方式
在ID效果圖設(shè)計(jì)階段時(shí)常遇到，需要熱設(shè)計(jì)工程師初步計(jì)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(yàn)評(píng)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(yàn)尺寸計(jì)算方式如下：
1）根據(jù)功耗較集中的信號(hào)板的PCB表面散熱熱流密度評(píng)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(hào)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(jì)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(zhǎng)寬值，設(shè)備內(nèi)部的高度加上外殼的壁厚、即可評(píng)估出設(shè)備整機(jī)的厚度尺寸。
4）計(jì)算設(shè)計(jì)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(hào)板的PCB表面積計(jì)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(shí)現(xiàn)的原理計(jì)算得到信號(hào)板熱功耗，或根據(jù)相同方案產(chǎn)品的AC端整機(jī)測(cè)量功耗*電源轉(zhuǎn)換效率計(jì)算得來(lái)；
信號(hào)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(shí)，也可以按照常用的長(zhǎng)寬比（瘦長(zhǎng)型）進(jìn)行大致估算，再由硬件對(duì)評(píng)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(zhǎng)寬值，即整機(jī)的外形長(zhǎng)或?qū)挾戎?PCB的長(zhǎng)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(jì)測(cè)量的整機(jī)功耗為6.5W、電源轉(zhuǎn)換效率80%，ID 希望的長(zhǎng)寬比例為1:1，需要評(píng)估整機(jī)的最小長(zhǎng)寬尺寸。
1）使用參考的參考表面散熱熱流密度值、計(jì)算得到信號(hào)板的需求面積：
S=6.5W*80%÷(2*0.058W/cm2) = 44.8 cm2 = 4480 cm2
2）在按照長(zhǎng)寬比1:1，估算得到信號(hào)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(yàn)值進(jìn)行預(yù)估，整機(jī)的規(guī)則長(zhǎng)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(píng)估需要對(duì)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(jì)、結(jié)構(gòu)和天線工程師共同來(lái)完成。單板式的產(chǎn)品比較簡(jiǎn)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(hào)板與電源板間距C+信號(hào)板板厚TWiFi+信號(hào)板板上高度D
圖九 雙板式插墻網(wǎng)絡(luò)設(shè)備厚度方向堆疊示意
計(jì)算示例：結(jié)合章節(jié)2.1的案例繼續(xù)計(jì)算，該設(shè)備的信號(hào)板功耗為5.6W，板厚1.2mm其板上器件高3mm、板下器件高1.5mm，電源板板厚1.6mm其板上器件高18mm、板下器件高2.7mm，需要評(píng)估整機(jī)的最小厚度尺寸。
1）由于信號(hào)板功耗為5.6W、適中，所以信號(hào)板正反面預(yù)留的散熱片按照中等厚度的2mm計(jì)算；
2）整機(jī)的厚度按照經(jīng)驗(yàn)公式和外殼經(jīng)驗(yàn)值大致計(jì)算，可大致評(píng)估得到整機(jī)的最小厚度為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）通過(guò)就算所得設(shè)備尺寸82x82x45mm、計(jì)算出外殼體積功率密度0.0215 W/cm3
6.5W/(82mm*82mm*45mm)*.001=0.0215 W/cm3
4）計(jì)算所得體積功率密度與推薦評(píng)估值0.021W/cm3進(jìn)行對(duì)標(biāo)，約超標(biāo)推薦值2.4%，基本可以滿足散熱要求，但仍需仿真關(guān)注關(guān)鍵元件的溫度滿足度。
當(dāng)然以上是比較理想的狀況，實(shí)際在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中、客戶往往希望在計(jì)算到的經(jīng)驗(yàn)外形尺寸上進(jìn)一步壓縮體積，來(lái)體現(xiàn)小型化的優(yōu)勢(shì)。
所以，評(píng)估出的整機(jī)外形尺寸值僅供初期ID設(shè)計(jì)參考，需要根據(jù)仿真驗(yàn)證整機(jī)尺寸是否可以進(jìn)一步縮小。
（未完待續(xù)）
* 投稿作者：EsseChan
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