一、 插墻網絡設備的類型和行業現狀
1.1 插墻網絡設備的類型
插墻網絡設備一般包含電力貓(PLC/PLW)，無線中繼器/擴展器（Wireless Repeater）等帶AC電源插頭的網絡設備。
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、復式、別墅等解決面積大、Wi-Fi信號、無法布線等問題而設計，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，就可以立即組建網絡。
圖二 電力貓在復式/別墅中的組網方式
無線中繼器/擴展器（Wireless Repeater）在兩個網絡節點中起物理信號的雙向轉發作用，將不同傳輸介質的網絡連接在一起。使用無線中繼器/擴展器來擴展基站的覆蓋范圍、是越來越多家庭網絡實現的選擇。
圖三 無線中繼器的組網圖示
1.2 插墻網絡設備的行業現狀
插墻網絡設備由于集成了AC to DC電源（簡稱ACDC電源），可以直接插在插座上供電使用，較為節省了用戶的空間。
從市場競爭和用戶使用的角度，插墻網絡設備不斷小型化，功能多樣化，多頻天線的運用，插墻網絡設備空氣自然散熱的問題越來越突出。
隨著無線網絡協議的推陳出新， 11AX協議設備（俗稱Wi-Fi 6）的逐漸上市，以及三頻設備（2.4G/5.2G/5.8G頻段）的日益成熟，散熱甚至將成為插墻網絡設備在用戶體驗和可靠性方面的一個瓶頸。
二、 插墻網絡設備的散熱痛點
從圖四 插墻網絡設備的主要組成部件圖可以看出，設備的內部堆疊方式常采用信號模塊與電源模塊組合的雙板結構。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 插墻網絡設備的主要組成部件圖
由于體積小和成本的限制，風扇或熱管之類的散熱方式基本不納入考慮范疇。插墻網絡設備由于集成了ACDC電源，其AC部分、還有安全法規方面的問題需要規避，所以、小型化插墻網絡設備的空氣自然散熱一直是個難點。
2.1 設備外殼溫升 —— 插墻網絡設備散熱的一大“痛點”
用戶可以觸摸到的設備外殼的溫度，是用戶對設備散熱設計優劣的直接體現。大多高端網絡設備品牌，都對設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熱系數的特性來均溫，改善用戶體驗。
但是從美觀的角度考慮，插墻網絡設備越來越多的使用內置天線來實現。而均溫常用的常用石墨片或金屬箔類、因具有導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、設備的外殼溫升成為了插墻網絡設備散熱的一大“痛點”。
2.2 一次性準確的評估出兼顧成本和競爭力的”最小” 設備體積 —— 插墻網絡設備散熱的另一“痛點”
在概念設計階段，從設備美觀、用戶使用方便和整體成本角度出發，產品經理都希望產品能做到盡可能的縮小體積。而插墻網絡設備的系統堆疊，需要從ID，硬件，天線，結構，散熱和安規等多方面考慮。
因此，在滿足一些列硬件性能要求的前提下，盡可能一次性準確的評估出、設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，成為了插墻網絡設備散熱設計的另一大“痛點”。
三、 插墻網絡設備外形尺寸的評估方法
判定是否滿足自然散熱一般根據產品的熱密度來確定。
1） 設備的外形尺寸能否滿足散熱需求，常采用體積發熱功率密度來度量。
圖五 體積發熱功率密度
1） 由于設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。
由于插墻網絡設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行評估。
圖六 表面散熱熱流密度
設備的極限散熱能力，除了與外殼的體積發熱功率密度、PCB的表面散熱熱流密度相關外，還與設備的使用放置方式以及通風孔的位置相關。因為：
第一，計算外殼的體積發熱功率密度時，沒有考量外殼的通風孔。
第二，不同的設備使用放置方式，對流散熱的能力不同，在相同成本投入的散熱方案下，散熱的實現難易程度也不同。
3.1 熱流密度評估經驗推薦值
通過大量的插墻網絡設備產品的熱設計數據收集、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備尺寸散熱滿足度、可否進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備的通風孔率以及數據收集設備在開發過程的難度兩方面因素。當然，隨著收集數據的增加和新散熱技術的運用，熱流密度評估推薦值也將不斷的修訂。
1）外殼體積發熱功率密度的推薦值為0.021W/cm3，在數據平均值基礎上上浮4%作為推薦值。
圖七 外殼體積發熱功率密度數據庫
2）PCB表面散熱熱流密度(單面)的推薦值為0.058W/cm2，在數據平均值基礎上上浮8.5%作為推薦值。
圖八 PCB表面散熱熱流密度數據庫
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均在推薦值以內，設備的散熱風險則較易可控，不用投入過多精力。
若其中一項指標超過了推薦值則，需要進一步仿真評估。
若兩項指標均超過了推薦值的30%，則熱風險非常大，需要重點仿真可行性了。
3.2 設備尺寸的經驗評估方式
在ID效果圖設計階段時常遇到，需要熱設計工程師初步計算設備外形尺寸的情況。這就需要結合熱流密度經驗評估值，并綜合相關領域如結構、天線、安規等方面的要求進行推算。
大致總結的插墻網絡設備經驗尺寸計算方式如下：
1）根據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留的散熱方案空間，堆疊計算出設備內部的高度尺寸；
3）PCB的外形尺寸加上外殼固定PCB結構需要的寬度、可得到設備的外形長寬值，設備內部的高度加上外殼的壁厚、即可評估出設備整機的厚度尺寸。
4）計算設計的外殼體積功率密度，確認設備外形尺寸是否在推薦值范圍內。
3.2.1 設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：由硬件根據產品實現的原理計算得到信號板熱功耗，或根據相同方案產品的AC端整機測量功耗*電源轉換效率計算得來；
信號板表面散熱熱流密度參考值0.058W/cm2；
1）當尚未進行PCB預布局時，也可以按照常用的長寬比（瘦長型）進行大致估算，再由硬件對評估的PCB外形尺寸進行Layout確認是否可以滿足布局。
2）PCB的外形尺寸加上外殼固定PCB結構需要的寬度以及壁厚、可得到整機的外形長寬值，即整機的外形長或寬度值=PCB的長或寬度值+2*（外殼固定PCB結構寬度+外殼壁厚）。
比如：某產品同芯片方案的樣機、功率計測量的整機功耗為6.5W、電源轉換效率80%，ID 希望的長寬比例為1:1，需要評估整機的最小長寬尺寸。
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的結構寬度和壁厚采用經驗值進行預估，整機的規則長寬尺寸為：（67+2*（5+2.5））x（67+2*（2.5+2.5））=82mmx82mm。
3.2.2 設備的厚度（高度方向）的尺寸堆疊
插墻網絡設備的整機厚度（高度）堆疊評估需要對設備的PCB組合形式和內部結構比較了解，一般由熱設計、結構和天線工程師共同來完成。單板式的產品比較簡單、本文著重探索雙板式插墻網絡設備的厚度堆疊。
從下面的雙板式插墻網絡設備整機厚度（高度）堆疊圖可以看出：
整機的厚度（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
圖九 雙板式插墻網絡設備厚度方向堆疊示意
計算示例：結合章節2.1的案例繼續計算，該設備的信號板功耗為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，需要評估整機的最小厚度尺寸。
1）由于信號板功耗為5.6W、適中，所以信號板正反面預留的散熱片按照中等厚度的2mm計算；
2）整機的厚度按照經驗公式和外殼經驗值大致計算，可大致評估得到整機的最小厚度為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）通過就算所得設備尺寸82x82x45mm、計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）計算所得體積功率密度與推薦評估值0.021W/cm3進行對標，約超標推薦值2.4%，基本可以滿足散熱要求，但仍需仿真關注關鍵元件的溫度滿足度。
當然以上是比較理想的狀況，實際在產品開發中、客戶往往希望在計算到的經驗外形尺寸上進一步壓縮體積，來體現小型化的優勢。
所以，評估出的整機外形尺寸值僅供初期ID設計參考，需要根據仿真驗證整機尺寸是否可以進一步縮小。
（未完待續）
* 投稿作者：EsseChan
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