Особенности создания Wi-Fi -устройств. Часть 1: тепловой режим работы

Рис. 1.	Проектирование беспроводных Wi-Fi-систем требует выполнения теплового анализа.

Расширение функционала «умных домов»

В настоящий момент типовая домашняя сеть объединяет 12 клиентов или IoT-устройств, которые общаются друг с другом. Однако это число неминуемо возрастет уже в ближайшее время. По оценкам Intel, среднее число клиентов домашней сети увеличится до 50 в 2020 году, а по оценкам Gartner, к тому же 2020 году по всему миру будет использоваться около 20.4 млрд IoT-устройств.

Сейчас операторы связи и интернет провайдеры, как правило, предлагают использовать топологию домашней сети с одним единственным мощным беспроводным роутером, который способен покрывать весь дом. Но с резким увеличением числа бытовых приборов и IoT-устройств топология с одним роутером будет постепенно вытесняться.

В будущем возрастет популярность других топологий беспроводных домашних сетей. С ростом объемов трафика размещение дополнительных роутеров или точек доступа поможет обслуживать больше клиентов и передавать большие объемы данных (Рис. 2). Эта новая ячеистая топология (mesh network) расширяет эффективность беспроводной сети за счет использования некоторых технологий, которые уже применяются в офисах, больницах и университетских городках.

Рис. 2.	Архитектура беспроводной сети.

Задачи, которые стоят перед IoT

Применение ячеистой топологии, внедрение новых стандартов и возможностей приведет к неизбежному усложнению беспроводных сетей.

При внедрении IoT решается несколько задач:

• Расширение перечня поддерживаемых стандартов. В настоящее время точки доступа поддерживают не только Wi-Fi, но и Zigbee, Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE), Thread, узкополосный IoT (NB-IoT) и многие другие стандарты, в том числе LTE-M (версия от LTE).
   
• Расширение числа пользователей в сети. Современные сети – это не только пара компьютеров и несколько телефонов. Сегодня узлами сети также являются компьютеры, телевизоры, смартфоны, портативные устройства, сети безопасности и многие другие устройства, подключенные к интернету через Wi-Fi.
   
• Расширение диапазона Wi-Fi. Современные Wi-Fi-устройства уже не ограничены одним каналом 2.4 ГГц и одним каналом 5 ГГц. В настоящее время используется до восьми отдельных каналов 2.4 ГГц и восьми каналов 5 ГГц. Это изменение дает нам поддержку MIMO (multiple input/ multiple output) и MIMO (MU-MIMO).
   
• Уменьшение размера и расширенная функциональность. Производители делают Wi-Fi-устройства более компактными и менее навязчивыми. Существуют модели, способные работать на открытом воздухе, а также решения с поддержкой дополнительных функций, например, ночного освещения.

Блок-схемы старых или новых точек доступа подчеркивают, какую сложную структуру имеют современные беспроводные устройства (Рис. 3).

Рис. 3.	Эволюция точек доступа.

Температурный режим работы

Рост числа поддерживаемых беспроводных радиоканалов вызывает увеличение мощности, рассеиваемой в устройстве. Повышение температуры приводит к возникновению проблем с настройкой ВЧ-каналов, что становится особенно критичным при уменьшении габаритов беспроводных устройств.

В результате, одной из основных проблем, с которыми приходится сталкиваться разработчикам Wi-Fi-устройств, становится обеспечение нормального температурного режима работы. В современных изделиях компоненты работают при средней температуре 60 °C или даже выше, при том, что комнатная температура составляет 25 °C. Очень важно учитывать этот факт на ранней стадии проектирования, чтобы впоследствии не тратить времени и средства на исправление ошибок.

Как температурный режим влияет на работу радиоканалов

Перегрев Wi-Fi-устройства сильно зависит от характеристик и особенностей работы трех основных звеньев радиоканала:

• Усилителей мощности (PA);
• ВЧ переключателей и малошумящих усилителей (LNA);
• Фильтров.

Рассмотрим проблемы, возникающие с повышением температуры при работе каждого из перечисленных звеньев.

1. Влияние усилителя мощности на перегрев системы

Инженеры часто вынуждены искать компромисс между линейностью, выходной мощностью и эффективностью радиоканала. Использование оптимизированных усилителей мощности с высокой линейностью или FEM-модулей повышает эффективность системы за счет сокращения выделяемого тепла.

Рис. 4.	Высокоуровневая архитектура Wi-Fi-приложения (8 антенн 4×4 MU-MIMO, формирование потока).

Инженеры ВЧ каналов также должны учитывать современные тенденции развития Wi-Fi-устройств, которые влияют на усилители мощности:

• Использование дуплексного обмена с разделением по времени. В сетях Wi-Fi используется дуплексный режим обмена с разделением по времени, что означает чередование интервалов передачи и приема и, как следствие, постоянное включение и выключение усилителя мощности. Такой режим увеличивает длительность переходных процессов, вызывающих дополнительный перегрев.
   
• Усложнение EVM-спецификаций (EVM). EVM – это показатель качества модуляции и частоты возникновения ошибок. В 802.11ac значение EVM составляло –35 дБ, но в следующем стандарте Wi-Fi, 802.11ax оно возросло до –47 дБ, что усложнило жизнь разработчикам Wi-Fi-устройств. Разработчики должны применять высоколинейные FEM-модули для оптимизации EVM, что в конечном итоге поможет снизить общий перегрев устройства.
   
• Изменение схемы модуляции. Чтобы повысить пропускную способность и скорость передачи данных, Wi-Fi-системы переходят от модуляции 256 QAM к 1024 QAM. При модуляции 1024 QAM на каждый символ приходится 10 бит против 8 бит в 256 QAM. Однако по мере увеличения скорости передачи данных возникают проблемы с обеспечением уровня EVM. При использовании 1024 QAM поток данных оказывается настолько плотным, что процессор должен использовать сложные алгоритмы обработки. Очевидно, что когда процессор работает с большой интенсивностью, уровень тока потребления и нагрева возрастают.
   
• Как эффективность ВЧ-канала влияет на потребление процессора. Неэффективная работа ВЧ канала приводит к тому, что процессору приходится работать с повышенной интенсивностью, чтобы обеспечить выполнение общих системных требований. Как результат – увеличение разогрева процессора.

2. Каков вклад ВЧ ключей и малошумящего усилителя (LNA)?

При работе ВЧ ключей неизбежны потери мощности, которые приводят к дополнительному нагреву. Из-за вносимых потерь усилитель мощности вынужден работать с повышенной нагрузкой, чтобы компенсировать ослабление полезного сигнала. Это приводит к снижению эффективности. Очевидно, что чем меньше эффективность, тем больше выделяется тепла. Использование ВЧ ключей с высокой линейностью позволяет уменьшить уровень потерь во всем динамическом диапазоне.

Пропускная способность приемника сильно зависит от коэффициента усиления малошумящего усилителя LNA и показателей шума. Хотя LNA не вносит существенного вклада в тепловыделение, однако повышение температуры может существенно повлиять на характеристики LNA и пропускную способность. Повышение температуры приводит к ухудшению показателей шумов, что в ряде случаев может потребовать от разработчика принятия дополнительных мер для компенсации этого негативного явления.

3. Влияние фильтров

Изменение температуры приводит к смещению частотных характеристик фильтров. Это хорошо видно на графиках для SAW- и BAW-фильтров, представленных на Рис. 5. Эти сдвиги могут приводить к большим потерям на краях полосы пропускания и недостаточному усилению сигнала. Если характеристика фильтра слишком сильно смещается (как показано на рисунке для SAW-фильтра), то усилитель мощности вынужден работать с перегрузкой, чтобы компенсировать ослабление сигнала. Как следствие – повышение тока и уменьшение эффективности системы.

Рис. 5.	Графики потерь в SAW и BAW.

Использование фильтров с высокими потерями может привести к снижению линейности и увеличению выходной мощности ВЧ-канала. Одним из основных преимуществ BAW-фильтров LowDrift™ от компании Qorvo является их температурная стабильность. Диплексоры, полосовые фильтры и согласующие фильтры, которые используют BAW-технологию с низким температурным дрейфом, помогают уменьшить вносимые потери и позволяют улучшить температурные показатели беспроводного устройства в целом.

Посмотреть более подробно технические характеристики BAW-фильтров от компании Qorvo