解析固态电容的工作原理

 浏览: 309     |      2018-09-27    |      返回列表

电容在主板电路中广泛使用,打开机箱观察主板,可以看到星罗棋布、数量众多的电解电容。它是计算机系统供电电路中不可或缺的重要元件,主板上的各类板卡、 芯片组需要使用多种类型电压的电源,如+12、-12、+5、-5 伏等,要保证主板及板卡的稳定运行需要采用电容器用于过滤电源,确保电压稳定。当然在 CPU 供电电路中,电容更是起到提高电源质量的关键作用。计算机主板和显卡等板卡上主要使用两类电解电容:铝电

电容在主板电路中广泛使用,打开机箱观察主板,可以看到星罗棋布、数量众多的电解电容。它是计算机系统供电电路中不可或缺的重要元件,主板上的各类板卡、 芯片组需要使用多种类型电压的电源,如+12、-12、+5、-5 伏等,要保证主板及板卡的稳定运行需要采用电容器用于过滤电源,确保电压稳定。当然在 CPU 供电电路中,电容更是起到提高电源质量的关键作用。

计算机主板和显卡等板卡上主要使用两类电解电容:铝电解电容和钽 电解电容。铝电解电容价廉且容量较大,主要用于电源滤波部分。钽电解电容各项性能均优于铝电解电容,但价格较高。一直以来,诸如系统运行不稳定,花屏、无法开机,超频后易死机以及主板的诸多问题都与液态电解电容有着千丝万缕的联系。而液态铝电解电容的漏液、寿命短等缺陷也为电脑玩家所诟病。要想使主板稳 定、高效运行,采用固态铝电解电容通常起着关键作用,对于一些先天不足的主板更是可以起到大补功效。

在各类电容中,唯有铝 电解电容存在寿命问题。在确保电容质量的前提下,高温、超压是导致液态电解电容失效的重要因素。液态电解电容的工作温度每上升十摄氏度其使用寿命就会缩短 一半以上。电容的热量一方面来自主板和其他板卡散热排出的热量,这是工作环境造成的,可以通过改善散热措施减少这种热量传递。另一方面则是因电容的电解质 存在电阻,电流流过电容时在其内部产生的,要减少这种情况引起的发热只有通过电解质的技术创新来实现。

那么主板上电容接受的热量究竟从何而来的呢?主板上的许多部件在工作中都会发热,但发热量最大的有三个部分:CPU、北桥芯片、场效应管。

通常CPU 和北桥芯片都会使用专用的散热装置降低温度,但是用于CPU 供电的场效应管却没有任何的散热措施。PWM(脉宽调制)电路是CPU 电源供给电路中的核心组成部分,其核心器件MOSFET 在工作中会释放大量热能,而这区域也是电子器件最为密集的部分。通常情况下,MOSFET 紧贴主板装配,借助主 板进行散热,从而直接将热量传递给其周围的电容(图1)。


 

图1 备受“煎熬”的电容

CPU 电压调节模块的电路位于CPU 附近,由于CPU 工作中消耗的能源并不恒定,导致电压发生波动,从而需要电容来稳定电压。由于CPU 的频率越来越高,更多的 电脑玩家乐于超频,电脑长时间连续工作,这些都直接导致整个主板发热量直线上升,如果散热措施不到位,热量在电容周围积聚从而导致液态电解电容漏液和提前失效。

鉴于液态电解电容的诸多问题,固态铝电解 电容应运而生。20 世纪90 年代以来,铝电解电容采用固态导电高分子材料取代电解液作为阴极,取得了革新性发展。导电高分子材料的导电能力通常要比电解液 高2~3 个数量级,应用于铝电解电容可以大大降低ESR、改善温度频率特性;并且由于高分子材料的可加工性能良好,易于包封,极大地促进了铝电解电容的片 式化发展。目前商品化的固态铝电解电容主要有两类:有机半导体铝电解电容(OS-CON)和聚合物导体铝电解电容(PC-CON)。

有机半导体铝电解电容的结构与液态铝电解电容相似,多采用直插立式封装方式(图2)。不同之处在于固态铝聚合物电解电容的阴极材料用固态的有机半导体浸膏替代电解液,在提高各项电气性能的同时有效解决了电解液蒸发、泄漏、易燃等难题。


 

图2 有机半导体铝电解电容构造图

固态铝聚合物贴片电容则是结合了铝电解电容和钽电容的特点而形成的一种独特结构。同液态铝电解电容一样,固态铝聚合物多采用贴片形式。高导电率的聚合物电极薄膜沉积在氧化铝上,作为阴极,炭和银为阴极的引出电极,这一点与固态钽电解电容结构相似(图3)。




图3 钽电容的构造

真是主板的“治病良药”?—固态电解电容特性详解

由于采用了新型的固态电解质,固态电解电容具有液态电解电容无法企及的优良特性。这些电气性能对于提高计算机系统中以高频为特征的应用显得尤为重要。固态电解电容的多种优良特性可以为主板提供进补疗效,固态电解电容比液态电解电容的优势主要有三点。

1.高稳定性:

固体铝电解电容可以持续在高温环境中稳定工作,使用固态铝电解电容可以直接提升主板性能。同时,由于其宽温度范围的稳定阻抗,适于电源滤波。它可以有效地提供稳定充沛的电源,在超频中尤为重要。

固态电容在高温环境中仍然能正常工作,保持各种电气性能。其电容量在全温度范围变化不超过15%,明显优于液态电解电容。同时固态电解电容的电容量与其工作电压基本无关,从而保证其在电压波动环境中稳定工作。

2.寿命长:

固态铝电解电容具有极长的使用寿命(使用寿命超过50 年)。与液态铝电解电容相比,可以算作“长命百岁”了。它不会被击穿,也不必担心液态电解质干涸以及外泄影响主板稳定性。由于没有液态电解质诸多问题的困扰,固态铝电解电容使主板更加稳定可靠。

固态的电解质在高热环境下不会像液态电解质那样蒸发膨胀,甚至燃烧。即使电容的温度超过其耐受极限,固态电解质仅仅是熔化,这样不会引发电容金属外壳爆裂,因而十分安全。

工作温度直接影响到电解电容的寿命,固态电解电容与液态电解电容在不同温度环境下寿命明显较长。


 

3.低ESR 和高额定纹波电流:

ESR(Equivalent Series Resistance)指串联等效电阻,是电容非常重要的指标。ESR 越低,电容充放电的速度越快,这个性能直接影响到微处理器供电电路的退藕性能,在高 频电路中固态电解电容的低ESR 特性的优势更加明显。可以说,高频下低ESR 特性是固态电解电容与液态电容性能差别的分水岭。固态铝电解电容的ESR 非常 低,同时具有非常小的能量耗散。在高温、高频和高功率工作条件下固态电容的极低ESR 特性可以充分吸收电路中电源线间产生的高幅值电压,防止其对系统的干扰。

目前CPU 的功耗非常大,主频已远远超出1GHz,同时CPU 的峰值电流达到80A 或更多,输出滤波电容已经接近工作 临界点。另一方面,CPU 采用多种工作模式,大部分时间处于工作模式的转换过程。当CPU 由低功耗状态转为全负荷状态时,这种CPU 的瞬间(一般小于5 毫 秒)切换需要的大量能量均来自CPU 供电电路中的电容,此时固态电容高速充放电特性可以在瞬间输出高峰值电流,保证充足的电源供应,确保CPU 稳定工作。



 

图4 固态电解电容与液态电解电容综合对比图

固态电解电容的鉴别指南

由于各固态电容厂家采用各自的产品标识标准,所用要鉴别电解电容需要根据具体的生产厂家提供产品手册进行查阅。对于国产电容,其产品标识一般由四部分组 成,第一部分为产品名称用字母C 表示电容。第二部分一般用于标识材料,钽材料为A,铝材料为D。后面则标识容量和耐压值,如容量47μF,电容耐压 25V。

区分固态电解电容和液态电解电容直观的方法是查看电容顶部是否有“K”或“十”字形的防爆凹槽,固态电解电容顶部平整,没有防爆凹槽。还有一种固态和液态混合型的电解电容,其顶部的防爆凹槽较浅。另外,液态电解电容一般有各种颜色的塑料外皮。

那么如何分辨电容的外形呢?电解电容采用两种封装形式。

常见的是直插式封装,其外形为圆柱形,下方有两根金属引线作为电极,垂直安装在电路板上(图5)。


 

图5 SMT 贴片式(Surface MounT)电容,一种是矩形颗粒平贴主板焊接

另外一种采取带橡胶底座的垂直主板安装方式(图6),这种SMT 贴片式电容方便使用贴片机大规模、高密度生产,可以实现高效快速焊接,同时在主板上占用的面积很小。区分SMT 贴片式与直插式电容的主要依据是电容下端的塑料底座(图7)。


 

图6 带橡胶底座的电容


 

图7 我们可以通过电容下端的底座来分辨SMT 贴片式与直插式电容

液态电容一般均采取立式封装方式,但是电解电容的封装形式与电容种类并无绝对联系,所以不能仅从封装外形来判断电解电容的类型。液态和固态铝电解电容都有SMT 贴片式的产品,钽电容和铝电容都能做成贴片式颗粒状的产品。

更换电容,请慎重考虑!

了解了固态电解电容的种种优良特性后,你可能已经迫不及待地想给主板进行“大补”了吧?不过,在此我们要特别提醒:如果你有板卡焊接经验,懂得挑选电子元 器件的方法,同时又是超频DIY 的铁杆发烧友,那么为你的主板更换固态电容的确是主板进补的不二之选;但是如果你没有电子制作的经历,最好不要动自己更换 电容的念头,还是选用使用固态电容的成品主板较为稳妥。

由于更换电容将直接在主板上“动刀”,对主板安全有着很大影响,在 此之前应确保主板的“健康状况”。如果你的主板已经发生故障或处于不稳定工作状态,首先应排除其他故障隐患再更换固态电容。在发生了电容漏液、失效的情况 时,首先应该修复电路中导致电容失效的器件才能更换电容,否则并不能彻底解决问题。在更换电容前应排除:开关电路是否短路,开关管是否损坏,机箱电源输入 的电源质量是否稳定,主板是否散热不良等。在确定了的确是由于电容自身品质或者电容老化导致的漏液后,更换电容才有实际的意义。

在进行替换前,必须先确定替换电容的相关参数,否则无法保证系统实现正常功能,甚至会导致主板损坏!

直径:应确保替换品与原液态电解电容直径相同,这样才能确保电容引脚与电路板上原引脚孔一一对应。替换品尺寸过大,不但无法安装,同时会因元件过密导致散 热性能下降,影响器件性能。替换品尺寸过小,电容引脚在插入元件孔焊接时发生弯曲,无法正常焊接或虚焊,导致电路运行不稳定(图8)。

极性:电解电容均有极性,如果在焊接时接错极性,会在使用时增加漏电流而缩短寿命。因此在替换时应按照电路板上标示的极性安装电容。

确认额定性能:在选择替换固态电容时应严格依照被替换的电解电容的额定性能。如应用的环境温度应一致,包括最高温度和最低温度;不能超过额定纹波电流,否则电容内部将因ESR 上的电流过大而过度发热。

故障处理:如果不合理焊接导致电容发生短路故障,电容内部会急剧发热,当短路电流过大,电容内部的阴极物质会熔融并产生大量气体,内部压力升高,密封的橡 胶或塑料材料将发生卷曲,此时如果有气味或电解液外溢,切勿触摸。


 

图8 错误的安装方式

如果发生气体进入眼睛或吸入口中应及时用清水冲洗。

最后需要强调的是,不能仅从电容来判断主板质量的优劣,如果厂商没有良好的设计和试验环境,最终产品没有做老化检验,元件也没有做搭配测试,即使选用的全是名牌元件,也不能确保拼凑出来的产品的性能。

前瞻

液态铝电解电容由于自身的特性,面临着前所未有的压力和挑战.必定要退出历史舞台。新技术、新材料的发展,在创造出固态电解电容的同时,也为铝电解电容的 创新突破打开希望之门。将有机半导体材料、导电高分子材料用作铝电解电容阴极的尝试,得到的频率特性、温度特性可以和片式陶瓷电容媲美,甚至高出固态铝电 解电容,比如松下公司2006 年推出的TS-EE 系列铝电解电容具有400~450V 的额定电压范围,将额定纹波电流增加了大约1.5 倍,有效控制了自身 发热,同时体积却缩小了三分之一,寿命可达到10 年,而价格却很低。