電解電容與固態(tài)電容全面對比分析
信息來源于：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于：2021-12-24
隨著CPU/GPU的發(fā)展對供電部分提出的越來越高的要求，從早期的一相供電到后來的多相供電，從傳統(tǒng)的模擬信號PWM到數(shù)字信號PWM，作為供電部分最重要的元件之一，電容的形態(tài)也出現(xiàn)了變化，從早期的整板電解電容到現(xiàn)在的固態(tài)電容，甚至更為高端的鉭電容。
你真的了解“它們”嗎？
在評測文章對板卡的評價(jià)中，都會把使用的電容作為衡量用料好壞的重要參考，使用固態(tài)電容的主板總能比使用電解電容的得到更高的評價(jià)，在很多文章里都討論過固態(tài)電容的好處，但是往往說得比較籠統(tǒng)，普通玩家也僅能從有限的形容詞或介紹詞里了解到固態(tài)電容的一些優(yōu)點(diǎn)，但了解得并不深入。下面就隨著本文讓我們對固態(tài)電容和電解電容做一次深入的比較，了解為什么固態(tài)電容比電解電容好，好在什么地方。
“固態(tài)電容”也是鋁電解電容？
作為供電部分最受關(guān)注的元件--電容，也隨著更高要求的供電模塊設(shè)計(jì)而出現(xiàn)了變化，而其中用得最多的正是接下來要討論的主角—電解電容和固態(tài)電容。
其實(shí)我們常說的電解電容和固態(tài)電容這個名稱并不正確，這些電容都屬于“鋁電解電容”，固態(tài)電容也是電解電容的一種，這兩種電容的正確名稱應(yīng)該是“液態(tài)鋁電解電容”和“高導(dǎo)電分子鋁電解電容”或“聚合物鋁電解電容”，只要陽極材料是鋁那都是叫鋁電解電容。
“固態(tài)電容”實(shí)際上也是鋁電解電容的一種
一直以來電容的分類是按照陽極劃分的，而隨著技術(shù)的發(fā)展，通過使用不同材料的陰極能對電容參數(shù)產(chǎn)生極大的變化，為了區(qū)分各類不同陰極的鋁電解電容，一般都會在名稱上加以表述，而我們慣叫的固態(tài)電容就是因?yàn)椴捎昧司酆衔铮ü虘B(tài)）而非傳統(tǒng)的電解液（液態(tài)）而得來“固態(tài)電容”一說。
固態(tài)電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
也許很多人還對“固態(tài)電容”為什么也屬于“電解電容”帶有疑惑，明明是固體材料了，沒有電解液為何還叫“電解電容”呢？其實(shí)鋁電解電容里的“電解”指的并非“電解液”，而是因?yàn)椴捎秒娊赓|(zhì)而得來的名稱，這下讀者們明白了吧？
為了行文方便，下文中還是使用玩家們慣用的“電解電容”代表“液態(tài)鋁電解電容”，“固態(tài)電容”代表“聚合物鋁電解電容”。：）
固態(tài)電容比電解電容有著更低的ESR
ESR既是串聯(lián)等效電阻，在CPU供電電路里，為了讓電壓更加穩(wěn)定及減少不必要的損耗，電路的內(nèi)阻越低越好，在這其中，電感及PCB走線內(nèi)阻一般都可以做得很低，這時(shí)候電容的ESR就成了決定性的因素。
供電模塊簡化原理圖
讓我們舉個例子來說明電路ESR的重要性，以目前主流的CPU來說，其工作電壓基本上都在1.2V左右，我們假設(shè)CPU空載時(shí)電流為20A，滿載時(shí)電流為70A，當(dāng)CPU空載轉(zhuǎn)入到滿載時(shí)就會產(chǎn)生50A以上的突變電流，這時(shí)候PWM還來不及進(jìn)行調(diào)整，而電容板極電壓是不能突變的，流向CPU的電流都要經(jīng)過電路上的串聯(lián)等效電阻，假設(shè)線路內(nèi)阻為2毫歐，那么突然增大的50A電流將在線路上產(chǎn)生0.1V的紋波電壓（壓降），也就是說CPU電壓將由1.2V降到1.1V，這個變化往往會造成CPU的潛在不穩(wěn)定性，而對于超頻玩家而言，這就直接意味著能超與不能超、天堂與地獄的問題了。
i7能不能超很多時(shí)候取決于供電電路內(nèi)阻以i7 965為例，其空載電流約20A，滿載電流超過了100A，如果在極限超頻狀態(tài)下更是超過了150A，如此大的電流對于供電電路的大電流供應(yīng)能力及電路內(nèi)阻要求都相當(dāng)?shù)母?，如果電路還是2毫歐內(nèi)阻，電流突變100A，那電壓就得降低0.2V，對于不到1.2V的i7而言很容易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，而對于超頻玩家，突然降低近20%的電壓直接就是宣告超頻失敗。這往往也是很多能以很高頻率進(jìn)入系統(tǒng)，一旦運(yùn)行測試軟件就死機(jī)，最后只能在相對低很多的頻率下穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因。
在這方面固態(tài)電容有著先天優(yōu)勢，由于采用了導(dǎo)電高分子聚合物作為電容介電材料，分子導(dǎo)電法比電解液電容的離子導(dǎo)電法在導(dǎo)電性參數(shù)要高上許多倍，從而獲得了更低的ESR。
以主板上能見到的最好的電解液電容Sanyo（三洋）WG系列（或Rubycon（紅寶石）MBZ）為例，其2200uF/6.3V品種的ESR為13毫歐，而三洋的SPEC系列固態(tài)電容820uF/4V品種ESR為7毫歐，足足降低了一倍，這意味著要達(dá)到同樣的2毫歐電路內(nèi)阻，使用WG系列2200/6.3V需要用到13/2=6.5顆并聯(lián)，而使用SEPC系列820uF/4V只需要3顆并聯(lián)。
固態(tài)電容與電解電容參數(shù)對比
同時(shí)，電解液電容的Ripple Current（耐紋波電流）遠(yuǎn)低于固態(tài)電容，Ripple Current的含義就是電容所能承受的紋波電流/電壓值，當(dāng)紋波電流增大時(shí)，即使ESR保持不變，紋波電壓也會成倍的增加，換言之，當(dāng)紋波電壓增大時(shí)，紋波電流也隨之增大，這就是要求電容具備更低的ESR的原因，疊加入紋波電流后由于電容內(nèi)部的ESR引起發(fā)熱從而直接影響到電容的使用壽命，這在高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)（如CPU供電模塊）中顯得尤為重要。
由于新一代CPU對紋波電壓(電壓波動)的要求更高，對于供電電路內(nèi)阻的要求也更高，在相同的電容數(shù)量上電解液電容要比固態(tài)電容高一倍的ESR，而在主板PCB寸土寸金的情況下我們又不可能無限的增加電容數(shù)量，這就注定了電解電容已經(jīng)不再適合現(xiàn)代主板的要求。
固態(tài)電容有著更為理想的頻率特性
如果說在前面介紹的ESR一項(xiàng)中固態(tài)電容并沒有占到多大優(yōu)勢的話，那么在頻率特性這一項(xiàng)上固態(tài)電容就有著電解電容所無法比擬的優(yōu)勢。對于很多玩家而言電容的頻率特性似乎并不如電容的ESR受關(guān)注，而恰恰這才是電解電容被新一代主板“拋棄”的主要原因之一。
固態(tài)電容與其它種類電容的頻率特性圖
從上面的各種電容頻率特性對比圖中我們可以看出，粉紅色曲線所代表的OS-CON（包括其他品牌的聚合物固態(tài)電容）在高頻下有著更低的阻抗特性，并且在800K左右時(shí)達(dá)到了最低阻抗，而同等規(guī)格的電解電容在10K以后的阻抗要明顯高于固態(tài)電容，其中橙色曲線所代表的1000uF/16V電解電容在300K以上頻率時(shí)ESR就已經(jīng)呈現(xiàn)上升趨勢，非常不利于高頻開關(guān)電源下工作。
需要特別說明的是，上圖中橙色曲線所代表的1000uF/16V電解電容容量要比其他對比電容47uF/56uF高出不少，而頻率特性最差的也正是它，這就意味著容量越大，雖然ESR越低，但是高頻特性也越差，圖中的對比電容還只是1000uF的，如果換成主板上常用的2200uF或3300uF，其頻率阻抗曲線只會更加難看。
R600顯卡的供電設(shè)計(jì)頻率高達(dá)1.5Mhz
在新一代板卡的供電設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師為了獲得更好的電能效率往往會提高開關(guān)電源的頻率作為最有效的手段之一，而一般的電解電容在100K頻率時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)性能嚴(yán)重下降，即使是針對高頻低ESR設(shè)計(jì)的電解電容（比如我們前面舉例的三洋WG系列和紅寶石MBZ系列）在高頻下依然會因?yàn)榻殡姴牧系膶?dǎo)電性下降而造成容量的減少（性能下降），一旦到達(dá)臨界點(diǎn)，將會從容性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦行誀顟B(tài)從而無法起到電容濾波作用。這就是為什么近代中高端顯卡幾乎完全拋棄電解電容的原因，在如此高的頻率下電解電容已經(jīng)無法正常工作了，而固態(tài)電容優(yōu)良的高頻特性正是它取代電解電容的關(guān)鍵。
高頻下電解電容的容量下降嚴(yán)重
上圖是借助高精度LCR數(shù)字電橋?qū)χ靼迳铣Ｒ娨?guī)格的電解電容和固態(tài)電容進(jìn)行的不同頻率下容量測試，可以看到，使用電解液作為介電材料的電解電容在在高頻時(shí)容量會下降得相當(dāng)厲害，而固態(tài)電容的變化則很小。
溫度特性與壽命：
溫度對于電容來說一直都是最重要的參數(shù)之一，除了直接影響到電容壽命以外，還會影響到電容的參數(shù)，固態(tài)電容由于采用了固體聚合物作為陰極材料，即使在高溫下高強(qiáng)度工作也不會像采用電解液陰極材料的電解電容那樣出現(xiàn)爆漿（液態(tài)瞬間氣化噴發(fā)）。
只有電解液電容的溫度/阻抗曲線變化最大
從上圖我們可以清楚的看到各類電容器在不同溫度下的阻抗變化曲線，而只有Ai-Cap鋁電解液電容的特性曲線出現(xiàn)大范圍變化，而且變化趨勢為15度以下時(shí)ESR隨溫度降低而迅速增大，而在25度以上時(shí)會隨溫度增加而ESR降低，這意味著電解電容無法適應(yīng)低溫下的使用，而這正是造成了業(yè)內(nèi)曾經(jīng)轟動一時(shí)的耕昇顯卡花屏的主要元兇。
三洋CVEX固體/電解液混合電容（綠色）難逃低溫“浩劫”
造成這個現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)殡娊怆娙莶捎玫碾x子導(dǎo)電法，在低溫下離子在液態(tài)中運(yùn)動較慢（高阻抗），而高溫會使得離子活躍度增加而變得低阻抗，與固態(tài)電容穩(wěn)定的分子導(dǎo)電法不同，固態(tài)電容基本不受溫度影響。
溫度和壽命是電解電容的“矛”與“盾”
有的讀者或許會想，既然電解電容高溫下ESR降低，正好適合在板卡供電上使用。但實(shí)際上雖然高溫下電解電容ESR降低了，但同時(shí)壽命也會顯著減少，這是一個魚與熊掌不可兼得的特性。
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