解析固態電容的工作原理

 瀏覽: 316     |      2018-09-27    |      返回列表

電容在主板電路中廣泛使用,打開機箱觀察主板,可以看到星羅棋布、數量眾多的電解電容。它是計算機系統供電電路中不可或缺的重要元件,主板上的各類板卡、 芯片組需要使用多種類型電壓的電源,如+12、-12、+5、-5 伏等,要保證主板及板卡的穩定運行需要采用電容器用于過濾電源,確保電壓穩定。當然在 CPU 供電電路中,電容更是起到提高電源質量的關鍵作用。計算機主板和顯卡等板卡上主要使用兩類電解電容:鋁電

電容在主板電路中廣泛使用,打開機箱觀察主板,可以看到星羅棋布、數量眾多的電解電容。它是計算機系統供電電路中不可或缺的重要元件,主板上的各類板卡、 芯片組需要使用多種類型電壓的電源,如+12、-12、+5、-5 伏等,要保證主板及板卡的穩定運行需要采用電容器用于過濾電源,確保電壓穩定。當然在 CPU 供電電路中,電容更是起到提高電源質量的關鍵作用。

計算機主板和顯卡等板卡上主要使用兩類電解電容:鋁電解電容和鉭 電解電容。鋁電解電容價廉且容量較大,主要用于電源濾波部分。鉭電解電容各項性能均優于鋁電解電容,但價格較高。一直以來,諸如系統運行不穩定,花屏、無法開機,超頻后易死機以及主板的諸多問題都與液態電解電容有著千絲萬縷的聯系。而液態鋁電解電容的漏液、壽命短等缺陷也為電腦玩家所詬病。要想使主板穩 定、高效運行,采用固態鋁電解電容通常起著關鍵作用,對于一些先天不足的主板更是可以起到大補功效。

在各類電容中,唯有鋁 電解電容存在壽命問題。在確保電容質量的前提下,高溫、超壓是導致液態電解電容失效的重要因素。液態電解電容的工作溫度每上升十攝氏度其使用壽命就會縮短 一半以上。電容的熱量一方面來自主板和其他板卡散熱排出的熱量,這是工作環境造成的,可以通過改善散熱措施減少這種熱量傳遞。另一方面則是因電容的電解質 存在電阻,電流流過電容時在其內部產生的,要減少這種情況引起的發熱只有通過電解質的技術創新來實現。

那么主板上電容接受的熱量究竟從何而來的呢?主板上的許多部件在工作中都會發熱,但發熱量最大的有三個部分:CPU、北橋芯片、場效應管。

通常CPU 和北橋芯片都會使用專用的散熱裝置降低溫度,但是用于CPU 供電的場效應管卻沒有任何的散熱措施。PWM(脈寬調制)電路是CPU 電源供給電路中的核心組成部分,其核心器件MOSFET 在工作中會釋放大量熱能,而這區域也是電子器件最為密集的部分。通常情況下,MOSFET 緊貼主板裝配,借助主 板進行散熱,從而直接將熱量傳遞給其周圍的電容(圖1)。


 

圖1 備受“煎熬”的電容

CPU 電壓調節模塊的電路位于CPU 附近,由于CPU 工作中消耗的能源并不恒定,導致電壓發生波動,從而需要電容來穩定電壓。由于CPU 的頻率越來越高,更多的 電腦玩家樂于超頻,電腦長時間連續工作,這些都直接導致整個主板發熱量直線上升,如果散熱措施不到位,熱量在電容周圍積聚從而導致液態電解電容漏液和提前失效。

鑒于液態電解電容的諸多問題,固態鋁電解 電容應運而生。20 世紀90 年代以來,鋁電解電容采用固態導電高分子材料取代電解液作為陰極,取得了革新性發展。導電高分子材料的導電能力通常要比電解液 高2~3 個數量級,應用于鋁電解電容可以大大降低ESR、改善溫度頻率特性;并且由于高分子材料的可加工性能良好,易于包封,極大地促進了鋁電解電容的片 式化發展。目前商品化的固態鋁電解電容主要有兩類:有機半導體鋁電解電容(OS-CON)和聚合物導體鋁電解電容(PC-CON)。

有機半導體鋁電解電容的結構與液態鋁電解電容相似,多采用直插立式封裝方式(圖2)。不同之處在于固態鋁聚合物電解電容的陰極材料用固態的有機半導體浸膏替代電解液,在提高各項電氣性能的同時有效解決了電解液蒸發、泄漏、易燃等難題。


 

圖2 有機半導體鋁電解電容構造圖

固態鋁聚合物貼片電容則是結合了鋁電解電容和鉭電容的特點而形成的一種獨特結構。同液態鋁電解電容一樣,固態鋁聚合物多采用貼片形式。高導電率的聚合物電極薄膜沉積在氧化鋁上,作為陰極,炭和銀為陰極的引出電極,這一點與固態鉭電解電容結構相似(圖3)。




圖3 鉭電容的構造

真是主板的“治病良藥”?—固態電解電容特性詳解

由于采用了新型的固態電解質,固態電解電容具有液態電解電容無法企及的優良特性。這些電氣性能對于提高計算機系統中以高頻為特征的應用顯得尤為重要。固態電解電容的多種優良特性可以為主板提供進補療效,固態電解電容比液態電解電容的優勢主要有三點。

1.高穩定性:

固體鋁電解電容可以持續在高溫環境中穩定工作,使用固態鋁電解電容可以直接提升主板性能。同時,由于其寬溫度范圍的穩定阻抗,適于電源濾波。它可以有效地提供穩定充沛的電源,在超頻中尤為重要。

固態電容在高溫環境中仍然能正常工作,保持各種電氣性能。其電容量在全溫度范圍變化不超過15%,明顯優于液態電解電容。同時固態電解電容的電容量與其工作電壓基本無關,從而保證其在電壓波動環境中穩定工作。

2.壽命長:

固態鋁電解電容具有極長的使用壽命(使用壽命超過50 年)。與液態鋁電解電容相比,可以算作“長命百歲”了。它不會被擊穿,也不必擔心液態電解質干涸以及外泄影響主板穩定性。由于沒有液態電解質諸多問題的困擾,固態鋁電解電容使主板更加穩定可靠。

固態的電解質在高熱環境下不會像液態電解質那樣蒸發膨脹,甚至燃燒。即使電容的溫度超過其耐受極限,固態電解質僅僅是熔化,這樣不會引發電容金屬外殼爆裂,因而十分安全。

工作溫度直接影響到電解電容的壽命,固態電解電容與液態電解電容在不同溫度環境下壽命明顯較長。


 

3.低ESR 和高額定紋波電流:

ESR(Equivalent Series Resistance)指串聯等效電阻,是電容非常重要的指標。ESR 越低,電容充放電的速度越快,這個性能直接影響到微處理器供電電路的退藕性能,在高 頻電路中固態電解電容的低ESR 特性的優勢更加明顯。可以說,高頻下低ESR 特性是固態電解電容與液態電容性能差別的分水嶺。固態鋁電解電容的ESR 非常 低,同時具有非常小的能量耗散。在高溫、高頻和高功率工作條件下固態電容的極低ESR 特性可以充分吸收電路中電源線間產生的高幅值電壓,防止其對系統的干擾。

目前CPU 的功耗非常大,主頻已遠遠超出1GHz,同時CPU 的峰值電流達到80A 或更多,輸出濾波電容已經接近工作 臨界點。另一方面,CPU 采用多種工作模式,大部分時間處于工作模式的轉換過程。當CPU 由低功耗狀態轉為全負荷狀態時,這種CPU 的瞬間(一般小于5 毫 秒)切換需要的大量能量均來自CPU 供電電路中的電容,此時固態電容高速充放電特性可以在瞬間輸出高峰值電流,保證充足的電源供應,確保CPU 穩定工作。



 

圖4 固態電解電容與液態電解電容綜合對比圖

固態電解電容的鑒別指南

由于各固態電容廠家采用各自的產品標識標準,所用要鑒別電解電容需要根據具體的生產廠家提供產品手冊進行查閱。對于國產電容,其產品標識一般由四部分組 成,第一部分為產品名稱用字母C 表示電容。第二部分一般用于標識材料,鉭材料為A,鋁材料為D。后面則標識容量和耐壓值,如容量47μF,電容耐壓 25V。

區分固態電解電容和液態電解電容直觀的方法是查看電容頂部是否有“K”或“十”字形的防爆凹槽,固態電解電容頂部平整,沒有防爆凹槽。還有一種固態和液態混合型的電解電容,其頂部的防爆凹槽較淺。另外,液態電解電容一般有各種顏色的塑料外皮。

那么如何分辨電容的外形呢?電解電容采用兩種封裝形式。

常見的是直插式封裝,其外形為圓柱形,下方有兩根金屬引線作為電極,垂直安裝在電路板上(圖5)。


 

圖5 SMT 貼片式(Surface MounT)電容,一種是矩形顆粒平貼主板焊接

另外一種采取帶橡膠底座的垂直主板安裝方式(圖6),這種SMT 貼片式電容方便使用貼片機大規模、高密度生產,可以實現高效快速焊接,同時在主板上占用的面積很小。區分SMT 貼片式與直插式電容的主要依據是電容下端的塑料底座(圖7)。


 

圖6 帶橡膠底座的電容


 

圖7 我們可以通過電容下端的底座來分辨SMT 貼片式與直插式電容

液態電容一般均采取立式封裝方式,但是電解電容的封裝形式與電容種類并無絕對聯系,所以不能僅從封裝外形來判斷電解電容的類型。液態和固態鋁電解電容都有SMT 貼片式的產品,鉭電容和鋁電容都能做成貼片式顆粒狀的產品。

更換電容,請慎重考慮!

了解了固態電解電容的種種優良特性后,你可能已經迫不及待地想給主板進行“大補”了吧?不過,在此我們要特別提醒:如果你有板卡焊接經驗,懂得挑選電子元 器件的方法,同時又是超頻DIY 的鐵桿發燒友,那么為你的主板更換固態電容的確是主板進補的不二之選;但是如果你沒有電子制作的經歷,最好不要動自己更換 電容的念頭,還是選用使用固態電容的成品主板較為穩妥。

由于更換電容將直接在主板上“動刀”,對主板安全有著很大影響,在 此之前應確保主板的“健康狀況”。如果你的主板已經發生故障或處于不穩定工作狀態,首先應排除其他故障隱患再更換固態電容。在發生了電容漏液、失效的情況 時,首先應該修復電路中導致電容失效的器件才能更換電容,否則并不能徹底解決問題。在更換電容前應排除:開關電路是否短路,開關管是否損壞,機箱電源輸入 的電源質量是否穩定,主板是否散熱不良等。在確定了的確是由于電容自身品質或者電容老化導致的漏液后,更換電容才有實際的意義。

在進行替換前,必須先確定替換電容的相關參數,否則無法保證系統實現正常功能,甚至會導致主板損壞!

直徑:應確保替換品與原液態電解電容直徑相同,這樣才能確保電容引腳與電路板上原引腳孔一一對應。替換品尺寸過大,不但無法安裝,同時會因元件過密導致散 熱性能下降,影響器件性能。替換品尺寸過小,電容引腳在插入元件孔焊接時發生彎曲,無法正常焊接或虛焊,導致電路運行不穩定(圖8)。

極性:電解電容均有極性,如果在焊接時接錯極性,會在使用時增加漏電流而縮短壽命。因此在替換時應按照電路板上標示的極性安裝電容。

確認額定性能:在選擇替換固態電容時應嚴格依照被替換的電解電容的額定性能。如應用的環境溫度應一致,包括最高溫度和最低溫度;不能超過額定紋波電流,否則電容內部將因ESR 上的電流過大而過度發熱。

故障處理:如果不合理焊接導致電容發生短路故障,電容內部會急劇發熱,當短路電流過大,電容內部的陰極物質會熔融并產生大量氣體,內部壓力升高,密封的橡 膠或塑料材料將發生卷曲,此時如果有氣味或電解液外溢,切勿觸摸。


 

圖8 錯誤的安裝方式

如果發生氣體進入眼睛或吸入口中應及時用清水沖洗。

最后需要強調的是,不能僅從電容來判斷主板質量的優劣,如果廠商沒有良好的設計和試驗環境,最終產品沒有做老化檢驗,元件也沒有做搭配測試,即使選用的全是名牌元件,也不能確保拼湊出來的產品的性能。

前瞻

液態鋁電解電容由于自身的特性,面臨著前所未有的壓力和挑戰.必定要退出歷史舞臺。新技術、新材料的發展,在創造出固態電解電容的同時,也為鋁電解電容的 創新突破打開希望之門。將有機半導體材料、導電高分子材料用作鋁電解電容陰極的嘗試,得到的頻率特性、溫度特性可以和片式陶瓷電容媲美,甚至高出固態鋁電 解電容,比如松下公司2006 年推出的TS-EE 系列鋁電解電容具有400~450V 的額定電壓范圍,將額定紋波電流增加了大約1.5 倍,有效控制了自身 發熱,同時體積卻縮小了三分之一,壽命可達到10 年,而價格卻很低。