无线网卡设计指南

无线网卡作为家庭终端设备,在无线局域网中的通信作用已不言而喻,关于无线电的发展历史,如果您有兴趣可以去网上搜集相关的资讯进行了解。

WIFI DONGLE , 从多年前的大体积发展到今天的超级Mini型,这其中所代表的是芯片制程、芯片集成度的提高,以及生产工艺的提升。纵观整个通信行业,所有电子产品的发展也基本上遵循了同样的规律。

WIFI DONGLE 和WIFI AP 是捆绑在一起的,二者缺一不可。由于WIFI AP 分为企业级AP、消费类AP,系统设计复杂程度各有所不同,而WIFI Dongle 类产品所具备了所有wifi 产品设计的基本框架,可谓“麻雀虽小,五脏俱全”,本文仅仅只是从产品开发的角度,来剖析如何设计一款性能优越的Dongle.

这里以2.4G 2T2R 芯片方案为例来阐述网卡硬件开发步骤,对于1T1R 形态150M和11AC 450M产品,设计过程类似。

一.了解IC手册及芯片内部架构
一般在确定IC方案后,我们要熟悉并研读Datasheet部分,主要了解IC内部架构及IC各管脚定义及接口分布。常见的wifi基带芯片包含了如下几个部分:包含USB接口,系统控制(MCU)单元,MAC,Baseband, 内置LNA,PA单元。其中MCU单元用来执行USB固件程序[这里一般是一个51的core]。

二.硬件block及原理图设计
1.先理清系统电源,
1) 首先这里提出“电源树”的概念,所谓“电源树”就是指整个系统的电源分布架构图,从源头到电源末端的各个分支,以及各支路所消耗的电流等等。这个概念在Router、AP产品系统里面显得尤为重要,可以很清晰、直观的让我们评估整个系统各部分的功耗。
如下是一款常见的Router”电源树”分支:网卡的结构比较简单,如下图所示:从上图中可以看出,网卡通过PC机5V USB接口供电,再通过一个DC-DC电源IC转换成3.3V和1.5V供主系统使用。
A.其中3.3V 主要给系统主电源使用,
B.1.5V主要供IC内部LDO使用,
C.特别值得说明的是,一般在IC内部还有PLL单元、core内核单元,这两个单元的电压为常见的1.2V。这个电压由1.5V内部LDO转换而成。
如下是电源部分DC-DC的设计,这部分的设计,如图中R2,R3作为分压使用,请选择精度为F档的电阻。另外C2,C12的电容务必上件,作为前馈电容,有利于提高系统的动态响应。

2)USB电源接口部分
USB部分做为系统电源的入口,请在5V power入口处放置10uF和104pf的小电容,以滤除电脑USB口带来的纹波波干扰[因为电脑的USB接口输出的电源属于开关电源,而开关电源本身具有纹波大的特点]。

另外在差分线上预留ESD器件,这颗器件主要是用来防静电,如果打静电测试无法通过,可以加上此器件,一般可以解决。当然还有一种替代方案就是在差分线上放置两颗小电容,但是小电容可能影响USB眼图的信号质量,造成USB眼图测试无法通过,如果非要使用,需要tunning到一个合理的参数范围。

2.RF部分设计
这一块的电路设计是整个网卡的设计核心。如果是内置PA及LNA的网卡,follow Refrence design 就可以,如下图所示是常见的设计。从图中可以看到主要分为4个部分
1) IC内部端口匹配网络
这部分主要用来匹配IC内部端口产分主抗,因为一般IC厂家不会公布内部端口的阻抗,完全follow参考设计的参数就行了。
2) 巴伦转换电路
这部分电路主要用来将差分信号和单端信号实现相互转换。参数一般按照理论计算是,L:2.7nH, C:1.2pf。 如果在实际tunning过程中,发现RF性能不太好,一般通过调节这部分参数可以解决。
3) PI型匹配电路,
这里的PI型匹配电路主要是用来匹配后端天线,尤其是PCB板载天线,一定要预留位号。如果系统是PCB印制天线或者铁皮插件天线,当天线的S11无法达到要求时,一般通过可以匹配PI来解决。如果系统是外置天线,则一般这部分电路不需要上件,可以costdown 2颗电容(C29,C33)的成本。 另外,在过相关认证时,会对网卡的杂散有明确要求,如果发现杂散超标,也可以通过调节PI来解决。
4) 天线及IPEX接口
早期的网卡,尤其是笔记本电脑,台式机电脑等,外置天线比较常见,一般采用IPEX接口转接,但是IPEX接口所带来的成本大概在0.5RMB左右,这对于低成本网卡设计来讲是不允许的。
所以,这部分一般采用兼容设计,或者完全采用PCB板印天线设计,IPEX接口只是用来研发调试使用。

三.物料及关键器件的选型
无线网卡里面几个比较关键的器件:USB接口、WPS按键、电源IC、晶体、电感.
1) 关于USB接口和WPS按键属于结构件部分,在项目开发测试过程中务必做好结构匹配实验及验证。比如WPS按键可能因为公差的原因造成死键或手感反馈差等,
2) 电源IC,按照第二节所讲的“电源树”的概念,我们可以清楚的评估到系统的功耗。比如,系统在OFDM模式下消耗的最大电流在600mA, 那么我们应该选择负载电流为1A的电源IC,注意电流预留20%的余量。而且,要注意电源IC的体积、封装、动态响应以及成本控制等。
3) 晶体,晶体的作用不用多说,主要是给系统提供一个精准的clock时钟源。这里要主要的是控制好晶体的厂牌,以便控制好精准的频偏参数。选择参数请参考主芯片Datasheet里面的要求,其对负载电容,频偏范围都会有较为详细的说明。
4) 电感。无线网卡系统里面的电感一般主要有两个,
第1个是DC-DC电源IC输出电流的电感,另一个是IC内部电源转换单元输出端的电感。选择电感时要注意电感的制作工艺,是积层电感还是绕线电感,以及电感的饱和电流等等。

四.Layout及相关注意事项
这里主要罗列几个Layout时需要注意的事项,如下所示是一款无线网卡的Layout.1). USB差分阻抗的控制。针对USB2.0系统,做好差分90ohm阻抗控制;针对USB3.0系统,做好差分100ohm阻抗控制。另外,在布线时,最好不要让差分线穿层,如果穿层,请保持差分对一起穿层。
2). 计算好电源部分线路的线宽,并优化走线。
以主电源为例,如果评估得到系统在最大负荷下的工作电流在1A,则可通过软件计算出此时的电流线宽。由于电流线宽受到铜皮厚度、铜皮温升、环境温度等影响,在走外层和走内层时的线宽也会不太一样.
3).优化电源走线,如下图所示,是2T2R的网卡电源层,系统的3.3V电压从源头跨过Ant1路天线,再跨到Ant0路。显然这样的设计是存在隐患的,因为跨过两路射频电路电源上的噪声可能会给RF支路带来影响,比如RF的指标无法达标,更严重的是吞吐量低下。
4. 天线部分
常见的天线分为外置铜管天线,内置PCB天线,内置铁皮天线,陶瓷天线,内置板印天线。 1)对于内置陶瓷天线和内置板印天线,一定要优先考虑好禁布区,如下所示。如果是4层板,天线部分内层要掏空。
2)对于双天线或三天线系统,一定要考虑好天线之间的隔离度问题。
3)如果是PCB板印天线,请不要将LED灯布局在天线实体部分同一面,这会对吞吐量性能带来严重干扰。如下图所示是一款失败的设计,将天线和LED灯设计在同一面,结果导致无线吞吐量严重下降。

5.打孔设计
板面上,USB部分,RF差分线部分等,都要打一些地孔,以让系统Noise找到最短的回流路径,减少干扰。

五.网卡底层配置及相关寄存器操作注意事项
对于网卡的底层配置文件,请重点关注WIFI相关的如下信息: MAC地址、信道Gain值、频率参数等

六.生产装备软件优化
因为dongle类产品一般容易起量,在开发装备程式时,你需要不断的优化测试制程,以最大限度的节省校准,测试时间.时间就是效率,就是成本。

七. 生产可行性及成本评估
如果客户没有明确要求进行板测,无线网卡的生产采用K经验值的方法,具体为:
1) 研发阶段手动调试、复制20~40块样机,记录好网卡的校准参数,并采用CPK分析工具进行分析、统计,微调。给出一份经验值文档。
2)小批量试产导入经验值文档,抽检是否满足设计要求。
3)采用跑流量或ping包的方式进行终测。

[本网站原创,转载请注明出处]

10

本文由作者 MarkShaw 发布在 TNEXT , 转载请联系service@tnext.org授权处理,获得授权后请保留文章的完整性并附上原文链接: https://tnext.org/308.html

We will be happy to hear your thoughts

发表评论

error: Content is protected !
TNEXT