電子發(fā)燒友網核心提示:隨著主板顯卡集成度越來越高,各品牌在PCB上可施展的空間越來越小,這時供電部分自然成為各品牌研發(fā)者的自留地,而對于供電部分來說,電感、電容、MOS是三個必備的器件,很多網友也通過觀察這里來判斷主板或者顯卡做工是否實在。這篇文章我們從幾個小點入手為大家介紹電容的相關趣聞。
在電源或其他大功率設備中的高壓側常會出現大電容,尺寸的特殊讓我們一眼注意到它,就拿最近我們剛剛測試過的電源來說,是一枚日本化工出品270uF容量,450V耐壓,105攝氏度耐溫的電容。電容可以存儲能量,這讓我們馬上聯想到了另一種可以存儲能量的東西:電池。如果只從能量角度看,電容和同尺寸的堿性電池誰的容量大呢?一起來算一下: 電容的直徑30mm,高度30mm,一號堿性電池的直徑32mm,高度59mm。所以兩顆圖中的電容差不多等于一個1號電池的體積了。 一、圖中電容。按電容儲能的公式:0.5*0.00027*450*450=27.3焦耳,兩顆就是54.5焦。 二、堿性電池。電量按8000毫安時算,電壓1.5V,就是43200焦耳。 所以即便用碳性電池,能量密度也遠高于電容。
問題:圖中鋁電解電容的容值是多少? 答:8200uF。 這樣回答并不能算完全正確,因為這個值只是在特定溫度和特定頻率下標定的,比如120Hz頻率的電路在20攝氏度溫度下電容至少可以保證有8200uF的容值。如果在其他溫度下情況就不一定了,規(guī)律是溫度升高容量會增加,85攝氏度時容量超過標稱10%左右;低溫下電容量減少,對于高壓電容來說在零下40℃的環(huán)境中容量減少40%都是有可能的。所以冬季對用了很久的PC電源來說是一個考驗,時間久里面的電解液會蒸發(fā)一些造成容值下降,溫度低也會造成高壓電容的容值大幅度下降,雪上加霜,出問題的幾率就大了。 說到電量,電池也是如此,充電電池經常用多少多少毫安時來形容容量,實際上不規(guī)定放電截止電壓,不規(guī)定放電電流,容量也是一個上下浮動很大的值。
在濾波電路中我們會用到電容,剛才說過溫度過低的話容量會減少,那么為了防止壽命后期或者低溫造成容值減少達不到濾波效果,我們可以增加使用電容。但如果你不考慮電容的工作頻率的話,增加多少顆電容也是沒用的,在極端條件下電容會變成了電感,至于原因解釋起來有點多,感興趣的網友可以繼續(xù)看后面兩頁,如果只想知道結論,那就是: 電路的工作頻率很高時,寄生電感(ESL)的效應將蓋過電容的容性,讓一顆電容呈現感性,如果頻率繼續(xù)增加,感性也將繼續(xù)增加。這就是電容變成電感的解釋。 對于鋁電解電容來說工作頻率一般不會工作在超過800KHz以上的頻率。
大部分圖中樣式的鋁電解電容長一些的腳是負極,短腳是正極。如果切開一個電容你會覺得里面好像是一團致密的紙卷,就像……手紙。這卷“手紙”由3種不同的薄膜卷成,一種是正極鋁箔,一種是負極鋁箔,一種是絕緣層隔(隔開正負極)。卷好以后正極引腳接在正極鋁箔上,負極接在負極鋁箔上,有時電容外殼就是負極,所以負極也會接在外殼上。而凡是有金屬導線的地方都會存在電感,一般工程上按每英寸(2.5厘米)存在20nH(一億分之二亨利)估算。 我們圖中使用的是插件式電容,即便插緊在PCB上了,電容內部從鋁箔到膠塞間仍然存在一段引腳,所以寄生電感比那些貼片(SMT)的電感要高。這些電感雖然很小,但到了一定條件下我們并不能忽略,這種電感在電容的模型中稱之為等效串聯電感(ESL)。 圖中還有一行字:“所有部分都有電阻”,所以除了寄生在物理尺寸上的電感外,電容上還有電阻存在,而且在大部分工程設計或考察電容供應商產品好壞時考慮這種電阻的效應遠多于ESL,這種電阻稱之為串聯等效電阻(ESR)。 結論:現實生活里的電容不止體現容性,還有寄生在物理尺寸上的電感和電阻。
如不感興趣可以跳過這頁,這里更詳細的解釋了實際使用中電容呈現感性的原因。下方公式里各個符號的意義是:j為復數單位1(平方為-1),ESL的電感值為L,電容容值為C,ESR的阻值為R,ω=2πf,f是頻率,所以ω代表了頻率。 在交流電電路中我們也試圖描述電路中元件對電流的阻礙作用,在直流電路中這種阻礙被稱之為電阻,交流電中稱之為“阻抗”。讓我們用交流電中常用的表達式寫出每個元件的阻抗。 電感的單獨存在會讓電流落后電壓90度,用jωL表示;電容的單獨存在會讓電壓落后電流90度,用jωC的倒數表示。電阻單獨存在時電壓和電流總是同步的,用R表示。 如果電阻、電容、電感串聯的話,電流會落后電壓還是會領先電壓的變化?這個問題等于在問:這個電路是呈現容性還是感性呢? 而這個串聯電路正好是我們所說的“現實中的電容模型”,他到底呈現出感性還是容性全靠上圖括號內值的正負。 我們來看括號里的內容,ω增大(也就是頻率增大),第一項ωL會增大,第二項因為分母增大會變小,對于電容來說最初括號里的值是小于零的,隨著頻率ω增長,括號里的值會等于零,這時電容自身的容性剛好抵消了寄生電感的感性,如果電路的頻率繼續(xù)增加,這個電容就會變成電感。比如鋁電解電容在1MHz頻率的電路中大都免不了呈現感性。下一頁說ESR的效應。
這張圖是2009年老圖,圖中的電路是音箱輸出電路,圖中圈出了隔直電容。這個電容的容值300uF,40V耐壓,ESR為0.1歐姆。 現在我們換用一個ESR為6歐姆其他參數一樣的電容做對比,兩個電容輸出功率的曲線已經標在圖中。看圖說話。 你會聽到在播放100Hz以下(低頻時)聲音時,不論使用哪顆電容輸出功率的差距都很小,也就是說音箱放低音時音量并沒有很大變化。但如果音箱在放高頻聲音,比如1000Hz的聲音時(高頻時),采用ESR 0.1歐姆電容的音箱音量遠遠大于采用ESR 6歐姆的音箱。實際上1000Hz的音高是音樂中很常見的中高頻聲音,如不選用良好的電容,用這個音箱聽歌就好像沒有了高音區(qū)那樣。圖中采用ESR 0.1歐姆的音箱比采用ESR 6歐姆的音箱在播放1000Hz聲音時輸出功率相差4瓦,這4瓦就是熱損耗。 有時ESR也會當做一種特性使用,如果你就是不想聽高音,那么選擇ESR大的電容輸出就好。 圖中舉的例子比較極端,因為你很難買到ESR高達6歐姆的電容,但ESR并不是一成不變的,鋁電解電容的ESR隨著溫度變化非常大,在80攝氏度時大約只有室溫下的70%,在零下40攝氏度時它會增加50倍都不止,結合我們第二頁說的PC電源中大電容的情況,低溫下的高頻應用對這些設備來說絕對是地獄一般。
顯卡、主板上已經開始使用鉭電容這種高端貨了,這種電容多用在頻率幾百KHz到幾MHz,電壓在30V以內的電路中,尤其是對壽命要求較高的地方。從容量上看,1000uF對鉭電容已經是邊緣上限值了,它并不能像鋁電解電容那樣做得很高(幾百萬uF)。鉭電容的ESR也從十幾毫歐到幾歐之間分布,相對鋁電解電容沒有巨大優(yōu)勢;鉭電容的ESL一般只有2nL,這和最好的貼片類的鋁電解電容差不多,遠低于插件式的電解電容。
從性能角度看選用最好的鋁電解電容,和選用鉭電容的效果差不多。鉭電容的優(yōu)勢在于溫度穩(wěn)定性好,即便在零下200攝氏度時容量損失也不會超過10%,此外的優(yōu)勢就是壽命長,因為鋁電解電容只要電解液干涸了電容就會失效。 但鉭電容也有它的劣勢,如果溫度是鋁電解電容的殺手,那電壓就是鉭電容的奪命刀。高壓會擊穿鉭電容的氧化膜,你甚至不容易買到15V耐壓以上的鉭電容。 這頁擺出了上下兩幅圖,上側的顯卡實實在在的全部采用鉭電容,下側顯卡還用了一些更便宜的電容,給人感覺不太誠懇,如果仔細看還會發(fā)現靠近6PIN顯卡供電接頭旁邊有兩枚本該采用鉭電容的位置被四枚陶瓷電容替代了,在這篇文章第一頁也是這張顯卡,從諸多細節(jié)看它更像一張樣品卡,現實中估計也難買到。更戲劇性的是上面那個看上去實實在在的顯卡品牌從前就是下面那個品牌更名換標而來。
我其實是想說,如果在本該使用耐壓高的部位硬采用鉭電容,讓板卡看上去更“高端”,實際上卻降低了整張卡的可靠性,且增加了相當多的成本,這種賺賣相的做法是不可取的。
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為了讓玩家感性的了解電容,我在Digikey上找了價格,這里僅僅是參考。玩家中有很多是電子行業(yè)的,甚至就是有多年采購經驗的專家,你們也知道同樣的元件,同一個代理商,不同數量的單價相差70%是很正常的;同一個元件,同數量采購,不同供應商的價格差50%以上也很正常。所以這些只是參考,因為都在同一供應商處得到公開報價,所以圖中電容之間的價格是有可比性的??梢钥吹酵瓿赏瑯庸δ艿墓虘B(tài)電容價格只是鉭電容是十幾分之一。陶瓷電容因為容量小耐壓低,所以并不方便比較。
關于電容的內容在寫的時候過濾掉很多,比如電容品牌看圖識標,比如Badcaps.net 中登記的事故電容,還有很多電容測試的數據等等。感興趣的玩家可以參考一顆頂十顆!顯卡電容用料全方位解析
關于電容的趣聞總結:
1、高壓電容能量密度沒堿性電池高;
2、電容量是近似值,低溫和高溫下相差甚至超過50%;
3、在高頻下實際的電容可能會“變成電感”;
4、電容的寄生參數中ESR的影響更大,它引起電容發(fā)熱;
5、鉭電容有壽命優(yōu)勢,但性能上沒有巨大優(yōu)勢。
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