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95年开始接触显卡,97年开始在《电脑报》、《微型运算机》上发表文章,99年进入耕宇公司,目前任职耕宇公司市场部,PCPOP技术顾问。
曾用笔名:
ECLIPSE、INTENSE、万大善人。
小地:
OK,万鹏先生,先向咱们介绍一下,什么是电容?
电容是最大体的电子元器件
万鹏:
电容确实是两块导体中间夹着一块绝缘体组成的电子元件,就像三明治一样。
电容是电子设备中最基础也是最重要的元件之一。
电容的产量占全世界电子元器件产品(其它的还有电阻、电感等)中的40%以上。
大体上所有的电子设备,小到闪盘、数码相机,大到航天飞机、火箭中都能够见到它的身影。
作为一种最大体的电子元器件,电容关于电子设备来讲就象食物关于人一样不可缺少。
小小一颗电容却是一个国家工业技术能力的完全表现,尤其是高级电容所代表的是本国周密加工、化工、、材料、基础研究的水平(美国、日本是世界上电容设计研究能力最高的两个国家)大伙儿万万别小看它,其高级产品的设计制造要求乃至不亚于。
一样是这棵不起眼的电容,上到神五,下到U盘,能够说有电源的地址就有它。
电容是无处不在的
电容的用途超级多,要紧有如下几种:
1.隔直流:
作用是阻止直流通过而让交流通过。
2.旁路(去耦):
为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。
3.耦合:
作为两个电路之间的连接,许诺交流信号通过并传输到下一级电路
4.滤波:
那个对DIY而言很重要,显卡上的电容大体都是那个作用。
5.温度补偿:
针对其它元件对温度的适应性不够带来的阻碍,而进行补偿,改善电路的稳固性。
6.计时:
电容器与电阻器配合利用,确信电路的时刻常数。
7.调谐:
对与频率相关的电路进行系统调谐,比如电话、收音机、电视机。
8.整流:
在预定的时刻开或关半闭导体开关元件。
9.储能:
贮存电能,用于必需要的时候释放。
例如相机闪光灯,加热设备等等。
(现在某些电容的储能水平已经接近锂电池的水准,一个电容贮存的电能能够供一个电话利用一天。
小地总结:
看完这章,大伙儿可能开始对电容感爱好了。
看完上一章以后咱们对电容已有了大体的了解,那此刻咱们再深切一点,请介绍一下现在电容的种类好吗?
咱们常听说什么铝电容,钽电容……,能不能为咱们系统地介绍一下电容的分类呢?
适才咱们说过,电容确实是两块导体(阴极和阳极)中间夹着一块绝缘体(介质)组成的电子元件。
电容的种类第一要依照介质种类来分。
这当中可分为无机介质电容器、有机介质电容器和电解电容器三大类。
不同介质的电容,在结构、本钱、特性、用途方面都大不相同。
陶瓷电容经常使用在超高频器件例如GPU上
无机介质电容器:
包括大伙儿熟悉的陶瓷电容和云母电容,在CPU上咱们会常常看到陶瓷电容。
陶瓷电容的综合性能专门好,能够应用GHz级别的超高频器件上,比如CPU/GPU。
固然,它的价钱也很贵。
有机介质电容器:
例如薄膜电容器,这种电容常经常使用在音箱上,其特性是比较周密、耐高温高压。
双电层电容器:
这种电容的电容量专门大,能够达到几百f(f=法,电容量单位,1f=1000000μf)。
因此这种电容能够做UPS的电池用,作用是贮存电能。
说句题外话,若是把地球算做一个孤立导体的话,那么它的容量只有700μf,还不如主板上用的一个铝电容。
电解电容器:
由于主板、显卡等产品利用的大体都是电解电容,因此这是咱们要讲的重点。
大伙儿熟悉的铝电容,钽电容其实都是电解电容。
若是说电容是电子元器件中最重要和不可取代的元件的话,那么电解电容器又在整个电容产业中占据了半壁河山。
我国电解电容年产量300亿只,且年平均增加率高达30%,占全世界电解电容产量的1/3以上。
大伙儿别小看电解电容,它实际上是一个国家的工业能力和技术水平的反映。
世界上最先进的电解电容的设计和生产国是美国和日本,顶级的电解电容器的生产工艺要求超级高,别看我国电解电容产量这么高,可是各项核心技术都把握在其它国家手里,我国也就能够算来料加工的“世界工厂”罢了,自主力量还很薄弱,而且生产的产品也都以低档的为主。
明白电容的分类后,至少你可不能再说什么“铝电容比电解电容好”一类的鬼话了。
我以为电解电容和DIY玩家的关系最紧密,那么,请继续为咱们介绍它吧。
在了解电容的分类后,我想大伙儿已经明白,和DIY玩家最切实相关的还属电解电容,因此咱们接下来要紧讲的也是它。
第一让咱们了解一下电解电容的性能特点,如此咱们才能清楚什么缘故主板、显卡和几乎所有的运算机设备里面都利用到了电解电容:
电解电容器特点一:
单位体积的电容量超级大,比其它种类的电容大几十到数百倍。
电解电容器特点二:
额定的容量能够做到超级大,能够轻易做到几万μf乃至几f(但不能和双电层电容相较)。
电解电容器特点三:
价钱比其它种类具有压倒性优势,因为电解电容的组成材料都是一般的工业材料,比如铝等等。
制造电解电容的设备也都是一般的工业设备,能够大规模生产,本钱相对照较低。
目前,新型的电解电容进展的超级快,某些产品的性能已达到无机电容器的水准,电解电容正在替换某些无机和有机介质电容器。
电解电容的利用范围相当普遍,大体上,有电源的设备都会利用到电解电容。
例如通信产品,数码产品,汽车上音响、发动机、ABS、、电子喷油系统和几乎所有的家用电器。
由于技术的进步,现在在小型化要求较高的军用电子对抗设备中也开始普遍利用电解电容。
有电源的地址就有电解电容,它价钱廉价,利用在几百上千元的主板、显卡上是再适合只是了。
电解电容如何分类?
咱们常听一些“高手”说“贴片电容比电解电容好”,“钽电容比贴片电容好”之类的话。
可否为咱们系统地介绍一下电解电容的分类,和好坏关系呢?
电解电容的分类,传统的方式都是按阳极材质,比如说铝或钽。
因此,电解电容按阳极分,为以下几种:
1.铝电解电容。
不管是SMT贴片工艺的(上图左,确实是大伙儿说的“贴片电容”,识别方式是底坐有黑色橡胶),仍是直插式的,或有塑料表皮的(上图右确实是直插式有塑料表皮的,那个被很多人以为是“电解电容”),只要它们的阳极材质是铝,那么他们就都叫做铝电解电容。
电容的封装方式和电容的品质本身并无直接联系,电容的性能只取决于具体型号,那个咱们后面会详细说明。
紫色的是SANYOOSCONTCNQ系列高级电容,采纳直插封装
2.钽电解电容。
阳极由钽组成,确实是那种咱们在显卡上一见到就会惊呼“那个显卡做工真不错!
”的那种黄色或黑色小颗粒。
目前很多钽电解电容都用贴片式安装,其外壳一样由树脂封装(采纳一样封装的也可能是铝电解电容)。
可是,钽电容的阴极也是电解质,因此很不幸的,它也是大伙儿十分瞧不起的“电解电容”的一种。
(有种晴天霹雳的感觉吧?
)。
需要提及的是,铝电解电容和钽电解电容不是由封装形式决定的。
像上图的黄色与黑色小方块,通常咱们以为其是钽电解电容,但实际其阳极也有可能是铝,也确实是说它们也有可能是铝电容而不是钽电容。
(第二个晴天霹雳!
?
)
是不是有橡胶底座,是判定SMT贴片与直插封装的要紧依据
3.铌电解电容。
这种电容现在已经用的比少,因此就不多介绍了。
以往传统的观点是钽电容性能比铝电容好,因为钽电容的介质为阳极氧化后生成的五氧化二钽,它的介电能力(通经常使用ε表示)比铝电容的三氧化二铝介质要高。
因此在一样容量的情形下,钽电容的体积能比铝电容做得更小。
(电解电容的电容量取决于介质的介电能力和体积,在容量必然的情形下,介电能力越高,体积就能够够做得越小,反之,体积就需要做得越大)再加上钽的性质比较稳固,因此通常以为钽电容性能比铝电容好。
但这种凭阳极判定电容性能的方式已通过时了,目前决定电解电容性能的关键并非在于阳极,而在于电解质,也确实是阴极。
因为不同的阴极和不同的阳极能够组合成不同种类的电解电容,其性能也大不相同。
采纳同一种阳极的电容由于电解质的不同,性能能够差距专门大,总之阳极关于电容性能的阻碍远远小于阴极。
大伙儿此刻再去看看显卡,目光可能会有些不同了。
此刻咱们来了解一下电容的阴极。
阴极材料是电容的另一个极板,阴极也确实是电容的电解质。
电容的阴极目前大体有如下几种:
1.电解液。
电解液是最传统的电解质,电解液是由GAMMA丁内酯有机溶剂加弱酸盐电容质通过加热取得的。
咱们所见到的一般意义上的铝电解电容的阴极,都是这种电解液。
利用电解液做阴极有很多益处。
第一在于液体与介质的接触面积较大,如此对提升电容量有帮忙。
第二是利用电解液制造的电解电容,最高能耐260度的高温,如此就能够够通过波峰焊(波峰焊是SMT贴片安装的一道重要工序),同时耐压性也比较强。
另外,利用电解液做阴极的电解电容,当介质被击穿的后,只要击穿电流不持续,那么电容能够自愈。
但电解液也有其不足的地方。
第一是在高温环境下容易挥发、渗漏,对寿命和稳固性阻碍专门大,在高温高压下电解液还有可能刹时汽化,体积增大引发爆炸(确实是咱们常说的爆浆);
第二是电解液所采纳的离子导电法其导电率很低,只有(电导率,欧姆的倒数)/CM,这造成电容的ESR值(等效串联电阻)专门高。
铝电解液电容爆浆
传统铝电解液电容都有防爆槽,这是为了让压力容易被释放,可不能发生更大的爆炸。
但某些产品为了节约本钱省去了防爆槽的工序。
2.二氧化锰。
二氧化锰是钽电容所利用的阴极材料。
二氧化锰是固体,传导方式为电子导电,导电率是电解液离子导电的十倍(CM),因此ESR比电解液低。
因此,传统上大伙儿感觉钽电容比铝电容好得多,同时固体电解质也没有泄露的危险。
另外二氧化锰的耐高温特性也比较好,能耐的刹时温度在500度左右。
二氧化锰的缺点在于在极性接反的情形下容易产生高温,在高温环境下释放出氧气,同时五氧化二钽介质层发生晶质转变,变脆产生裂痕,氧气沿着裂痕和钽粉混合发生爆炸。
另外这种阴极材料的价钱也比较贵。
(和铝电解液电容相较,尽管都是爆炸,可原理却不一样,有多少人能注意到这点呢?
)
传统上以为钽电容比铝电容性能好主若是由于钽加上二氧化锰阴极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。
若是把铝电解液电容的阴极改换为二氧化锰,那么它的性能其实也能提升很多。
3.接下来咱们就要引出一种革命性的阴极——TCNQ。
TCNQ是一种有机半导体,是一种络合盐。
TCNQ在电容方面的应用,是在90年代中后期才显现的,它的显现代表着电解电容技术革命的开始。
TCNQ是一种有机半导体,因此利用TCNQ的电容也叫做有机半导体电容,例如初期的三洋OSCON产品。
TCNQ的显现,使电解电容的性能能够直接挑战传统陶瓷电容霸占的很多领域,使电解电容的工作频率由以前的20KHZ直接上升到了1MHZ。
TCNQ的显现,使过去依照阳极划分电解电容性能的方式也过时了。
因为即便是阳极为铝的铝电解电容,若是利用了TCNQ作为阴极材质的话,其性能照样比传统钽电容(钽+二氧化锰)好得多。
TCNQ的导电方式也是电子导电,其导电率为1S/CM,是电解液的100倍,二氧化锰的10倍。
紫色为TCNQ电容(SANYO)
利用TCNQ作为阴极的有机半导体电容,其性能超级稳固,也比较廉价。
只是它的热阻性能不行,其熔解温度只有230-240摄氏度,因此有机半导体电容一样很少用SMT贴片工艺制造,因为无法通过波峰焊工艺,因此咱们看到的有机半导体电容大体都是插件式安装的。
TCNQ还有一个不足的地方确实是对环境的污染。
由于TCNQ是一种氰化物,在高温时容易挥发出剧毒的氰气,因此在生产和利用中会有限制。
4.若是说TCNQ是电解电容革命的开始的话,那么真正的革命的主角当属PPY(聚吡咯)和PEDT这种固体聚合物导体。
闻名的SANYOOSCONSVP系列铝固体聚合物导体电容
70年代末人们发觉,利用搀杂法能够取得优良的导电聚合物材料,从而引发了一场聚合物导体的技术革命。
1985年,小日本第一次开发了聚吡咯膜,若是利用复合法的话,能够使其导电率达到铜和银的水平,但它又不是金属而相当于工程塑料,附着性比金属好,同时价钱也比铜和银低很多,另外,在受力情形下,其导电率还会产生转变(其特性很像人的神经系统)。
这无疑是电容研发者梦寐以求的阴极材质。
2000年,美国人因为发明了大规模制造PPY聚吡咯膜的方式,而取得了昔时的诺贝尔化学奖,其重要性可见一斑。
聚吡咯的用途超级普遍,从隐形战斗机到人工手,和显示器和电池、电容等等。
聚吡咯的研发实力,能够反映出一个国家的化学水平,而我国的西安交通大学和成都电子科技大学在这方面比较突出。
三洋CVEX固体聚合物导体+电解液混合电容注意防爆槽
利用PPY聚吡咯和PEDT做为阴极材料的电容,叫做固体聚合物导体电容。
其电导率能够达到100S/CM,这是TCNQ盐的100倍,是电解液的10000倍,同时也没有污染。
固体聚合物导体电容的温度特性也比较好,能够忍耐300度以上的高温,因此能够利用SMT贴片工艺安装,也适合大规模生产。
固体聚合物导体电容的安全性较好,当碰到高温的时候,电解质只是熔化而可不能产生爆炸,因此它不像一般铝电解液电容那样开有防爆槽(三洋有一种CVEX电容,阴极为固体聚合物导体加电解液的混合型,因此也有防爆槽)。
固体聚合物导体电容的缺点在于其价钱相对偏高,同时耐电压性能不强。
GF6800U利用的CHEMICONPS/16V电容无防爆槽
最新锐的GF6800Ultra显卡,在公版上就利用了CHEMICONPS/16V固体聚合物导体电容。
我看到有些“高手”对此嗤之以鼻,说16V算什么?
确实,和利用电解液为阴极的电容相较,16V确实不算什么。
可是在16伏特电压下,它的ESR性能不是一样的电解液电容所能达到的,因此才被应用到GF6800Ultra如此的顶级显卡上。
利用不同的阳极和阴极材料能够组合成多种规格的电解电容,是吗?
是如此的。
大体上所有组合都能够。
例如钽电解电容也能够利用固体聚合物导体做为阴极,而铝电解电容既能够利用电解液,也能够利用TCNQ、PPY和PEDT等等。
此刻新型的钽电容也采纳了PPY和PEDT这种固体聚合物导体做阴极,因此性能进步很多,也没有以往二氧化锰阴极易爆炸的危险。
现在最好的钽聚合物电容的ESR能够达到5毫欧姆。
这种性能高、体积小的钽聚合物电容一样利用电话、数码相机等一些对体积要求较高的设备上。
你适才提到了有些电容不适合SMT贴片工艺,请问是不是利用SMT,对性能会带来什么阻碍?
不管是插件仍是贴片式的安装工艺,电容本身都是直立于PCB的,全然的区别方式是SMT贴片工艺安装的电容,有黑色的橡胶底座。
SMT的益处要紧在于生产方面,其自动化程度高,精度也高,在运输途中不像插件式那样容易受损。
可是SMT贴片工艺安装,需要波峰焊工艺处置,电容通太高温以后可能会阻碍性能,尤其是阴极采纳电解液的电容,通太高温后电解液可能会干枯。
插件工艺的安装本钱低,因此在一样本钱下,电容本身的性能能够更好一些。
由于欧美工厂的机械本钱低而人工比较贵,因此大部份偏向于SMT贴片制造。
而国内工厂的人工较廉价,因此厂商更情愿利用插件式安装。
在性能方面,插件式电容对频率的适应性差一些,只是不到500MHz以上的频率是很难表现出不同的。
利用插件式安装的电容中也有专门好的产品,例如CHEMICON的PS系列有一部份确实是利用插件式的。
主板上的电容大多有“皮”
有塑料外皮的电容和没有外皮的铝壳电容,性质上有什么区别吗?
什么缘故主板上多数利用前者?
新款主板开始利用铝聚合物高级电容
所有的直立式电容都是铝壳电容。
只只是有一部份电容外面包了PVC薄膜,如此对温度的适应性会好一点,可是如此做会污染环境,因此此刻的电容都很少利用了。
从本钱上将,有塑料外皮的电容对铝壳要求低,本钱会低一些。
主板产品因为面积大,能够用稳压电源,如此开关频率相对较低,因此没必要太好的电容,而显卡因为面积小,对电容要求就高。
只是此刻很多新款主板也开始用比较高级的电容了。
在以上表格当中,红线代表铝聚合物导体电容,绿色虚线表示一般铝电解液电容,蓝色虚线表示钽二氧化锰电容,黄色虚线表示超大容量(1000μF)、超大体积(后面的“Φ”符号代表了各自的体积)的铝电解液电容。
表格的X轴线表示频率,Y轴线表示阻抗,Y轴的阻抗数值越低,ESR值就越低,性能就越好。
那个表格表现的是在频率慢慢提升的情形下,不同种类电容的性能转变。
能够看出,当频率达到10KHz以上的时候铝聚合物导体电容的ESR值继续维持在较低的水平,当达到100KHz的时候,其ESR值低于其它所有类型的电容,包括钽电容和容量为1000μF的铝电解液电容(注意:
二者的体积比例为300:
5000),而该电容的容量仅为47μF。
到了1MHZ,铝聚合物导体电容优势更明显。
以上这4个表格代表的是陶瓷电容(左侧两个表格)和TCNQ有机半导体电容(右边两个表格),在施加电压为0V(上表)和20V(下表)的两种情形下,其ESR值的波动。
能够看出,陶瓷电容在20V电压,频率接近100KHz的时候ESR显现了猛烈的波动。
而TCNQ电容的ESR值则维持滑腻的曲线。
新电解材料的利用使电解电容在某些方面比电容的王者陶瓷电容更有优势。
当极性接反并施加2倍额定电压和20A电流时不同阴极钽电容的反映:
如上图,利用二氧化锰为阴极的钽二氧化锰电容全数爆炸,而利用PPY为阴极的钽固体聚合物电容尽管全数报废,但表面无损。
这反映了二氧化锰阴极电容和聚合物电容在安全性上的不同。
技术的进展是日新月益的,前几年我还在为电解电容可否工作在音频(20KHZ)上和人争吵,转眼此刻新电解电容都在挑战20MHZ了。
这几年我碰到无数设计上因为电容选择错误而致使恶性后果的事件(比如耕宇4200显卡花屏退货,XX厂主板电容爆浆),也看到很多厂商和所谓“高手”在电容上误导消费者。
最令人担忧的是此刻很多电子设计人员都没能注意到电容的地位愈来愈举足轻重,技术的进展已使电容洗心革面了,轻忽对它们的研究是很危险的。
还好咱们国家仍是有很多真正的人材在关注(比如西安交大和电子科大)。
为了让咱们在基础电子领域不掉队先进国家太远,笔者斗胆写点科普的东西(真正的研究人员往往不屑做)。
在搜集了两年资料和利用笔者能够参考内部资料的特权(大体上很多电容厂对配方和材质都是保密的,小日本尤其如此)后写就此文,希望读者专门是年轻读者能抓紧时刻投入到基础研究中去,专门感激PCPOP小地和李想和我的朋友谷毅等人的大力协助,没有他们的帮忙我不可能那么勤奋地预备文章,仅以此文献给广大读者和那些为我国基础电子产业默默奉献的栋梁。
本篇要紧讲解电容的基础知识,例如各个种类的电容及其大体性能等等。
在下篇当中,咱们的文章内容将由理论转为实战。
咱们将会大伙儿介绍电容的制造进程,和具体几款电容的性能、设计实例等等。
最后,咱们还将为大伙儿介绍常见的电容品牌的特色。
请大伙儿期待!
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