4．濾波：這個對DIY而言很重要，顯卡上的電容基本都是這個作用。

 

5．溫度補償：針對其它元件對溫度的適應性不夠帶來的影響，而進行補償，改善電路的穩(wěn)定性。

 

6．計時：電容器與電阻器配合使用，確定電路的時間常數(shù)。

 

7．調諧：對與頻率相關的電路進行系統(tǒng)調諧，比如手機、收音機、電視機。

 

8．整流：在預定的時間開或者關半閉導體開關元件。

 

9．儲能：儲存電能，用于必須要的時候釋放。例如相機閃光燈，加熱設備等等。（如今某些電容的儲能水平已經(jīng)接近鋰電池的水準，一個電容儲存的電能可以供一個手機使用一天。

 

看完這章，大家可能開始對電容感興趣了。

 

認知電容的種類

 

看完上一章之后我們對電容已有了基本的了解，那現(xiàn)在我們再深入一點，請介紹一下如今電容的種類好嗎？我們常聽說什么鋁電容，鉭電容??，能不能為我們系統(tǒng)地介紹一下容的分類呢？

 

剛才我們說過，電容就是兩塊導體（陰極和陽極）中間夾著一塊絕緣體（介質）構成的電子元件。電容的種類首先要按照介質種類來分。這當中可分為無機介質電容器、有機介質電容器和電解電容器三大類。不同介質的電容，在結構、成本、特性、用途方面都大不相同。

 

 

無機介質電容器：包括大家熟悉的陶瓷電容以及云母電容，在CPU上我們會經(jīng)?？吹教沾呻娙荨Ｌ沾呻娙莸木C合性能很好，可以應用GHz級別的超高頻器件上，比如CPU/GPU。當然，它的價格也很貴。

 

有機介質電容器：例如薄膜電容器，這類電容經(jīng)常用在音箱上，其特性是比較精密、耐高溫高壓。雙電層電容器：這種電容的電容量特別大，可以達到幾百

 

f（f=法，電容量單位，1f=1000000μf）。因此這種電容可以做UPS的電池用，作用是儲存電能。說句題外話，如果把地球算做一個孤立導體的話，那么它的容量只有700μf，還不如主板上用的一個鋁電容。

 

電解電容器：由于主板、顯卡等產(chǎn)品使用的基本都是電解電容，因此這是我們要講的重點。大家熟悉的鋁電容，鉭電容其實都是電解電容。如果說電容是電子元器件中最重要和不可取代的元件的話，那么電解電容器又在整個電容產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了半壁江山。我國電解電容年產(chǎn)量300億只，且年平均增長率高達30%，

 

占全球電解電容產(chǎn)量的1/3以上。

 

大家別小看電解電容，它其實是一個國家的工業(yè)能力和技術水平的反映。

 

世界上最先進的電解電容的設計和生產(chǎn)國是美國和日本，頂級的電解電容器的生產(chǎn)工藝要求非常高，別看我國電解電容產(chǎn)量這么高，可是各項核心技術都掌握在其它國家手里，我國也就能算來料加工的“世界工廠”而已，自主力量還很薄弱，并且生產(chǎn)的產(chǎn)品也都以低檔的為主。

 

知道電容的分類后，至少你不會再說什么“鋁電容比電解電容好”一類的鬼話了。

 

深入電解電容的性能特點

 

我認為電解電容和DIY玩家的關系最密切，那么，請繼續(xù)為我們介紹它吧。

 

在了解電容的分類后，我想大家已經(jīng)知道，和DIY玩家最切實相關的還屬電解電容，所以我們接下來主要講的也是它。

 

首先讓我們了解一下電解電容的性能特點，這樣我們才能清楚為什么主板、顯卡以及幾乎所有的計算機設備里面都使用到了電解電容：

 

電解電容器特點一：單位體積的電容量非常大，比其它種類的電容大幾十到數(shù)百倍。

 

電解電容器特點二：額定的容量可以做到非常大，可以輕易做到幾萬μf甚至幾f（但不能和雙電層電容相比）。

 

電解電容器特點三：價格比其它種類具有壓倒性優(yōu)勢，因為電解電容的組成材料都是普通的工業(yè)材料，比如鋁等等。制造電解電容的設備也都是普通的工業(yè)設備，可以大規(guī)模生產(chǎn)，成本相對比較低。

 

目前，新型的電解電容發(fā)展的非?？?，某些產(chǎn)品的性能已達到無機電容器的水準，電解電容正在替換某些無機和有機介質電容器。電解電容的使用范圍相當廣泛，基本上，有電源的設備都會使用到電解電容。

 

例如通訊產(chǎn)品，數(shù)碼產(chǎn)品，汽車上音響、發(fā)動機、ABS、GPS、電子噴油系統(tǒng)以及幾乎所有的家用電器。由于技術的進步，如今在小型化要求較高的軍用電子對抗設備中也開始廣泛使用電解電容。

 

總結：有電源的地方就有電解電容，它價格便宜，使用在幾百上千元的主板、顯卡上是再合適不過了。

 

從鋁電容到鉭電容 透過陽極看電解電容

 

電解電容如何分類？我們常聽一些“高手”說“貼片電容比電解電容好”，“鉭電容比貼片電容好”之類的話。能否為我們系統(tǒng)地介紹一下電解電容的分類，以及優(yōu)劣關系呢？

 

電解電容的分類，傳統(tǒng)的方法都是按陽極材質，比如說鋁或者鉭。

 

所以，電解電容按陽極分，為以下幾種：

 

1．鋁電解電容。不管是SMT貼片工藝的（上圖左，就是大家說的“貼片電容”，識別方式是底坐有黑色橡膠），還是直插式的，或者有塑料表皮的（上圖右就是直插式有塑料表皮的，這個被很多人認為是“電解電容”），只要它們的陽極材質是鋁，那么他們就都叫做鋁電解電容。電容的封裝方式和電容的品質本身并無直接聯(lián)系，電容的性能只取決于具體型號，這個我們后面會詳細說明。

 

 

2．鉭電解電容。陽極由鉭構成，就是那種我們在顯卡上一見到就會驚呼“這個顯卡做工真不錯！”的那種黃色或黑色小顆粒。目前很多鉭電解電容都用貼片式安裝，其外殼一般由樹脂封裝（采用同樣封裝的也可能是鋁電解電容）。但是，鉭電容的陰極也是電解質，所以很不幸的，它也是大家十分瞧不起的“電解電容”的一種。（有種晴天霹靂的感覺吧？）。

 

需要提及的是，鋁電解電容和鉭電解電容不是由封裝形式?jīng)Q定的。

 

像上圖的黃色與黑色小方塊，通常我們認為其是鉭電解電容，但實際其陽極也有可能是鋁，也就是說它們也有可能是鋁電容而不是鉭電容。（第二個晴天霹靂！？）

 

 

3.鈮電解電容。

 

這種電容如今已經(jīng)用的比少，所以就不多介紹了。

 

以往傳統(tǒng)的看法是鉭電容性能比鋁電容好，因為鉭電容的介質為陽極氧化后生成的五氧化二鉭，它的介電能力（通常用ε表示）比鋁電容的三氧化二鋁介質要高。因此在同樣容量的情況下，鉭電容的體積能比鋁電容做得更小。（電解電容的電容量取決于介質的介電能力和體積，在容量一定的情況下，介電能力越高，體積就可以做得越小，反之，體積就需要做得越大）再加上鉭的性質比較穩(wěn)定，所以通常認為鉭電容性能比鋁電容好。

 

但這種憑陽極判斷電容性能的方法已經(jīng)過時了，目前決定電解電容性能的關鍵并不在于陽極，而在于電解質，也就是陰極。因為不同的陰極和不同的陽極可以組合成不同種類的電解電容，其性能也大不相同。采用同一種陽極的電容由于電解質的不同，性能可以差距很大，總之陽極對于電容性能的影響遠遠小于陰極。小地總結：大家現(xiàn)在再去看看顯卡，眼光可能會有些不同了。

 

從諾貝爾獎到NV40顯卡透過陰極看電解電容

 

現(xiàn)在我們來了解一下電容的陰極。

 

陰極材料是電容的另一個極板，陰極也就是電容的電解質。

 

電容的陰極目前基本有如下幾種：

 

1．電解液。電解液是最傳統(tǒng)的電解質，電解液是由GAMMA丁內酯有機溶劑加弱酸鹽電容質經(jīng)過加熱得到的。我們所見到的普通意義上的鋁電解電容的陰極，都是這種電解液。使用電解液做陰極有不少好處。首先在于液體與介質的接觸面積較大，這樣對提升電容量有幫助。其次是使用電解液制造的電解電容，最高能耐260度的高溫，這樣就可以通過波峰焊（波峰焊是SMT貼片安裝的一道重要工序），同時耐壓性也比較強。此外，使用電解液做陰極的電解電容，當介質被擊穿的后，只要擊穿電流不持續(xù)，那么電容能夠自愈。但電解液也有其不足之處。首先是在高溫環(huán)境下容易揮發(fā)、滲漏，對壽命和穩(wěn)定性影響很大，在高溫高壓下電解液還有可能瞬間汽化，體積增大引起爆炸（就是我們常說的爆漿）；其次是電解液所采用的離子導電法其導電率很低，只有0.01S（電導率，歐姆的倒數(shù)）/CM，這造成電容的ESR值（等效串聯(lián)電阻）特別高。

 

 

傳統(tǒng)鋁電解液電容都有防爆槽，這是為了讓壓力容易被釋放，不會發(fā)生更大的爆炸。

 

 

但某些產(chǎn)品為了節(jié)約成本省去了防爆槽的工序。

 

2. 二氧化錳。二氧化錳是鉭電容所使用的陰極材料。二氧化錳是固體，傳導方式為電子導電，導電率是電解液離子導電的十倍（0.1S/CM），所以ESR比電解液低。所以，傳統(tǒng)上大家覺得鉭電容比鋁電容好得多，同時固體電解質也沒有泄露的危險。此外二氧化錳的耐高溫特性也比較好，能耐的瞬間溫度在500度左右。二氧化錳的缺點在于在極性接反的情況下容易產(chǎn)生高溫，在高溫環(huán)境下釋放出氧氣，同時五氧化二鉭介質層發(fā)生晶質變化，變脆產(chǎn)生裂縫，氧氣沿著裂縫和鉭粉混合發(fā)生爆炸。另外這種陰極材料的價格也比較貴。（和鋁電解液電容相比，雖然都是爆炸，可原理卻不一樣，有多少人能注意到這點呢？）

 

傳統(tǒng)上認為鉭電容比鋁電容性能好主要是由于鉭加上二氧化錳陰極助威后才有明顯好于鋁電解液電容的表現(xiàn)。如果把鋁電解液電容的陰極更換為二氧化錳，那么它的性能其實也能提升不少。

 

3．接下來我們就要引出一種革命性的陰極——TCNQ。TCNQ是一種有機半導體，是一種絡合鹽。TCNQ在電容方面的應用，是在90年代中后期才出現(xiàn)的，它的出現(xiàn)代表著電解電容技術革命的開始。TCNQ是一種有機半導體，因此使用TCNQ的電容也叫做有機半導體電容，例如早期的三洋OSCON產(chǎn)品。TCNQ的出現(xiàn)，使電解電容的性能可以直接挑戰(zhàn)傳統(tǒng)陶瓷電容霸占的很多領域，使電解電容的工作頻率由以前的20KHZ直接上升到了1MHZ。TCNQ的出現(xiàn)，使過去按照陽極劃分電解電容性能的方法也過時了。因為即使是陽極為鋁的鋁電解電容，如果使用了TCNQ作為陰極材質的話，其性能照樣比傳統(tǒng)鉭電容（鉭+二氧化錳）好得多。TCNQ的導電方式也是電子導電，其導電率為1S/CM，是電解液的100倍，二氧化錳的10倍。

 

 

使用TCNQ作為陰極的有機半導體電容，其性能非常穩(wěn)定，也比較廉價。不過它的下載阻性能不好，其熔解溫度只有230-240攝氏度，所以有機半導體電容一般很少用SMT貼片工藝制造，因為無法通過波峰焊工藝，所以我們看到的有機半導體電容基本都是插件式安裝的。TCNQ還有一個不足之處就是對環(huán)境的污染。由于TCNQ是一種氰化物，在高溫時容易揮發(fā)出劇毒的氰氣，因此在生產(chǎn)和使用中會有限制。

 

陰極的革命固體聚合物導體

 

4．如果說TCNQ是電解電容革命的開始的話，那么真正的革命的主角當屬PPY（聚吡咯）以及PEDT這類固體聚合物導體。

 

 

70年代末人們發(fā)現(xiàn)，使用攙雜法可以獲得優(yōu)良的導電聚合物材料，從而引發(fā)了一場聚合物導體的技術革命。1985年，小日本首次開發(fā)了聚吡咯膜，如果使用復合法的話，可以使其導電率達到銅和銀的水平，但它又不是金屬而相當于工程塑料，附著性比金屬好，同時價格也比銅和銀低很多，此外，在受力情況下，其導電率還會產(chǎn)生變化（其特性很像人的神經(jīng)系統(tǒng)）。這無疑是電容研發(fā)者夢寐以求的陰極材質。2000年，美國人因為發(fā)明了大規(guī)模制造PPY聚吡咯膜的方法，而獲得了當年的諾貝爾化學獎，其重要性可見一斑。聚吡咯的用途非常廣泛，從隱形戰(zhàn)斗機到人工手，以及顯示器和電池、電容等等。聚吡咯的研發(fā)實力，可以反映出一個國家的化學水平，而我國的西安交通大學和成都電子科技大學在這方面比較突出。

 

 

使用PPY聚吡咯和PEDT做為陰極材料的電容，叫做固體聚合物導體電容。其電導率可以達到100S/CM，這是TCNQ鹽的100倍，是電解液的10000倍，同時也沒有污染。固體聚合物導體電容的溫度特性也比較好，可以忍耐300度以上的高溫，因此可以使用SMT貼片工藝安裝，也適合大規(guī)模生產(chǎn)。固體聚合物導體電容的安全性較好，當遇到高溫的時候，電解質只是熔化而不會產(chǎn)生爆炸，因此它不像普通鋁電解液電容那樣開有防爆槽（三洋有一種CVEX電容，陰極為固體聚合物導體加電解液的混合型，因此也有防爆槽）。固體聚合物導體電容的缺陷在于其價格相對偏高，同時耐電壓性能不強。

 

 

最新銳的GF 6800 Ultra顯卡，在NVIDIA公版上就使用了CHEMICON PS/16V固體聚合物導體電容。我看到有些“高手”對此不屑一顧，說16V算什么？確實，和使用電解液為陰極的電容相比，16V確實不算什么。但是在16伏特電壓下，它的ESR性能不是一般的電解液電容所能達到的，因此才被應用到GF 6800 Ultra這樣的頂級顯卡上。

 

使用不同的陽極和陰極材料可以組合成多種規(guī)格的電解電容，是嗎？

 

是這樣的?；旧纤薪M合都可以。例如鉭電解電容也可以使用固體聚合物導體做為陰極，而鋁電解電容既可以使用電解液，也可以使用TCNQ、PPY和PEDT等等?，F(xiàn)在新型的鉭電容也采用了PPY和PEDT這類固體聚合物導體做陰極，因此性能進步很多，也沒有以往二氧化錳陰極易爆炸的危險。如今最好的鉭聚合物電容的ESR可以達到5毫歐這類性能高、體積小的鉭聚合物電容一般使用手機、數(shù)碼相機等一些對體積要求較高的設備上。

 

你剛才提到了有些電容不適合SMT貼片工藝，請問是否使用SMT，對性能會帶來什么影響？無論是插件還是貼片式的安裝工藝，電容本身都是直立于PCB的，根本的區(qū)別方式是SMT貼片工藝安裝的電容，有黑色的橡膠底座。SMT的好處主要在于生產(chǎn)方面，其自動化程度高，精度也高，在運輸途中不像插件式那樣容易受損。但是SMT貼片工藝安裝，需要波峰焊工藝處理，電容經(jīng)過高溫之后可能會影響性能，尤其是陰極采用電解液的電容，經(jīng)過高溫后電解液可能會干枯。插件工藝的安裝成本低，因此在同樣成本下，電容本身的性能可以更好一些。由于歐美工廠的機械成本低而人工比較貴，所以大部分傾向于SMT貼片制造。而國內工廠的人工較便宜，所以廠商更愿意使用插件式安裝。

 

在性能方面，插件式電容對頻率的適應性差一些，不過不到500MHz以上的頻率是很難體現(xiàn)出差異的。使用插件式安裝的電容中也有很好的產(chǎn)品，例如CHEMICON的PS系列有一部分就是使用插件式的。

 

 

有塑料外皮的電容和沒有外皮的鋁殼電容，性質上有什么區(qū)別嗎？為什么主板上大都使用前者？

 

 

所有的直立式電容都是鋁殼電容。只不過有一部分電容外面包了PVC薄膜，這樣對溫度的適應性會好一點，但是這樣做會污染環(huán)境，所以現(xiàn)在的電容都很少使用了。從成本上將，有塑料外皮的電容對鋁殼要求低，成本會低一些。主板產(chǎn)品因為面積大，可以用穩(wěn)壓電源，這樣開關頻率相對較低，所以沒必要太好的電容，而顯卡因為面積小，對電容要求就高。不過現(xiàn)在很多新款主板也開始用比較高檔的電容了。

 

電解電容陰極性能初步對比電

 

 

 

在以上表格當中，紅線代表鋁聚合物導體電容，綠色虛線表示普通鋁電解液電容，藍色虛線表示鉭二氧化錳電容，黃色虛線表示超大容量（1000μF）、超大體積（后面的“Φ”符號代表了各自的體積）的鋁電解液電容。表格的X軸線表示頻率，Y軸線表示阻抗，Y軸的阻抗數(shù)值越低，ESR值就越低，性能就越好。

 

這個表格體現(xiàn)的是在頻率逐步提升的情況下，不同種類電容的性能變化。

 

可以看出，當頻率達到10KHz以上的時候鋁聚合物導體電容的ESR值繼續(xù)保持在較低的水平，當達到100KHz的時候，其ESR值低于其它所有類型的電容，包括鉭電容和容量為1000μF的鋁電解液電容（注意：兩者的體積比例為300：5000），而該電容的容量僅為47μF。到了1MHZ，鋁聚合物導體電容優(yōu)勢更明顯。

 

 

以上這4個表格代表的是陶瓷電容（左邊兩個表格）和TCNQ有機半導體電容（右邊兩個表格），在施加電壓為0V（上表）和20V（下表）的兩種情況下，其ESR值的波動。可以看出，陶瓷電容在20V電壓，頻率接近100KHz的時候ESR出現(xiàn)了劇烈的波動。而TCNQ電容的ESR值則保持平滑的曲線。新電解材料的使用使電解電容在某些方面比電容的王者陶瓷電容更有優(yōu)勢。

 

 

當極性接反并施加2倍額定電壓和20A電流時不同陰極鉭電容的反映：如上圖，使用二氧化錳為陰極的鉭二氧化錳電容全部爆炸，而使用PPY為陰極的鉭固體聚合物電容雖然全部報廢，但表面無損。這反映了二氧化錳陰極電容和聚合物電容在安全性上的差異。

 

 

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