走出误区 电容器深入解析（二）：透过功用看本质 [复制链接]

　　现代电子电路（无论数字或模拟）均可以分解为四大组成元素：电阻器、电容器、电感器、PN结（二极管和三极管）。或许有些朋友会感到惊讶和质疑，密布各种元器件的板卡以及高集成度的CPU竟然能够被分为这么简单的四件东西？事实无容置疑，CPU主要由晶体三极管（晶体管）构成，而晶体三极管的主要元素为PN结。而板卡上的各种芯片和元件也无一例外由这四大元素构成，甚至连导线我们也可以将其看作是一个阻值极低的电阻器。可以说，当今芯片和板卡的设计根本其实就是对这四大元素的调配和应用，只要了解了这四大元素就了解了现代电子电路。

　　在这四大元素中，电脑用户最为关注、讨论最多的就是电容器（Capacitor）。各大电脑硬件论坛中，关于电容器的讨论数不胜数，各类观点也是层出不穷。其中虽不乏真知灼见，但也产生了一些误区并发生了大范围传播，影响了人们对一些产品的正确评估。因此，笔者特别进行了大量研究及咨询，尽可能使用通俗易懂的语言向各位深入浅出的讲述电容器，让大家走出现存的误区，更全面认知电容器。

　　在第一部分中笔者已经为大家阐述了电容的主要分类及结构，在接下来的第二部分笔者将基于电容器的功用来向各位讲述能够衡量其性能的相关指标，建立正确的电容器选择观点。

　　当前市面上的板卡产品正在进行一场全固态革命。其主要原因是目前固态电解质电容器产业越来越成熟和发达，成本也比早年大大降低，它们不再是高端产品独享的元素。不少朋友很在乎电解电容器的电解质是固态或液态，很喜欢追究其内部是XX聚合物或者其他什么听起来很酷的高科技材料。其实，这些因素并不是普通用户需要关心的。在目前的世界大分工的潮流下，甚至板卡工程师也不用关心这些电容器制造业才需要知道的东西。

　　那么，我们所需要关心的“本质”是什么呢？笔者在本文中将为大家逐一讲述。

二、电容器的基本原理



　　电容器的电路符号很形象的表明了它的根本功能：隔直通交。电容器的一切功用都源自于此。对于恒定直流电来说，理想的电容器就像一个断开的开关，表现为开路状态；而对于交流电来讲，理想电容器则为一个闭合开关，表现为通路状态。



　　在上面的图中详细描述了直流电受电容器阻隔的原因。事实上，电容器并非立刻将直流电阻隔，当电路刚接通时，电路中会产生一个极大的电流值，然后随着电容器不断充电，极板电压逐渐增强，电路中的电流在不断减小，最终电容器电压和电源电压相等且反向，从而达到和电源平衡的状态。



　　而在交流电方面，为方便记忆，我们可以不太严谨但形象的认为交流电能够“跳过”电容器这道“峡谷”，从而保持“正常传导”。

　　这里有很关键的一点需要明确：无论是直流环境还是交流环境，理想的电容器内部是不会有任何电荷（电流）通过的，只是两极板电荷量对比发生了变化，从而产生了电场。

　　要想了解电容器的各种功用，我们还需要了解一下傅立叶级数。各位苦于微积分的朋友不用头晕，我们不需要去研究那些复杂的数学公式，仅仅是需要一个简单的结论：任何一个波，都可认为是多个不同的波形叠加之产物。即，一个波可以拆分成多个振幅、频率都不相同的波（包括振幅和频率为零的波）。这其实正如一个数字也能被拆分成多个其他数字的组合一样，例如3 = 1+2 = 1+1+1 = 0+3。

　　振幅或频率为零的波是什么？直线。对于电来说，那就是直流电，即电压恒定不变。正如世界上没有绝对的直线一样，世界上也没有绝对的直流电。尽管人们在追求尽可能理想的直流电，但直流和交流总是同时存在的。直流电中含有交流成分，交流电中也包含直流成分。当直流成分占主导地位时，就认为其乃直流电；当交流成分占主导地位时，就认为是交流电。这很像太极所描述的阴中有阳，阳中有阴。




直流和交流总是共存的
　　事物的具体应用都是由基本原理派生出的，哪怕你不理解只是死记硬背，同样也能够很容易得理解它的具体应用。毕竟，对于基本原理来说，往往仅仅需要知其然即可，例如1+1=2。对于电容器来说，我们需要明白两点：隔直通交和不走电荷。

三、电容器的应用：从电源滤波看电容器（一）

基于电容器隔直通交和不走电荷的原理，其应用方式也就应运而生了。在目前我们在电脑板卡上常见的电容器应用主要有：电源滤波、耦合与去藕、信号滤波。

电容器的应用：电源滤波
　　正如之前所说，世界上没有绝对的直流电，为了给设备提供尽可能理想化的直流供电，我们需要一些途径将交流成分尽量剔除。因此，供电滤波电路成为了每一块主板和显卡必备的电路组成部分，没了它们，我们的电脑就无法正常工作。



　　我们常针对电脑板卡所说的供电滤波电容器，其本质是利用电容器的基本原理，在电路中通过并联电容器，为交流成分设立额外通道，将其导入地线，从而得到比较稳定的直流电压。因为是在主电路旁边额外设立的一条小路，故而得名：旁路。



　　我们可以看到电脑主板上通常采用了多个电容器并联进行供电滤波，而且因需要而分成两级，不过它们的功能都是一样的。由于对电压稳定度的要求较低，通常一级旁路电容器也无需很高级。

　　在这里，我们不需要去关心电解质的形态，无需在乎电容器的封装与外壳。真正决定电容器性能的因素将被重点关注：额定电压、容抗、等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）、介质损耗角（tanδ）、漏电流、额定链波电流、温度范围和寿命。（嗯？竟然没有电容量？）

额定电压
　　额定电压应该是一个非常好理解的参数，任何元器件都有一定的工作电压要求。对于电容器来说，它一般不会存在因低压而不工作的问题，所以它的外壳上所标示的额定电压通常是指正常工作中的耐压能力。额定电压数值通常会比最大耐压低一些。



　　目前常见的电容器额定电压有2.5V、4V、6.3V、16V等等。它们适用于不同的工作环境。回忆一下笔者在第一部分所讲述的电容器结构，电容器的耐压能力是由电介质的绝缘强度决定的。电介质就像一堵墙阻隔了电流的前进，但是如果电压过高，电介质就可能无力再阻挡电流的通过，导致电容器因电介质击穿而失效。



　　这样我们其实也就很好理解主板的CPU供电回路上为何会有两种耐压不同的电容器了。因为由电源输入进来的电压为12V，此时我们通常需要在这里安置一些耐压为16V的电容器，作为一级旁路电容器。接着，经过PWM控制器和MOSFET进行降压、升频后，通常需要电感器和电容器进行滤波。此时电压已经降低，所以通常会选用一些低耐压的电容器。

　　可能有朋友会感到疑问，既然电容器并不要求最低工作电压，那为什么不干脆都用很高耐压电容器呢？这样不是更耐久么？事实并非如此。对于同类电容器来说，为了获得较高的耐压能力，通常会选择增加电介质厚度。如此以来，尽管耐压能力提高了，但是电容量也会减少，需要增加极板面积来保证电容量，这就增加了成本。同时，过高的耐压值也只能成为摆设，如果电路电压已经令2.5V额定电压（最高耐压>额定电压）的二级旁路电容器不堪重负，那么CPU应该早已阵亡。。。。。。提高了成本却不会带来任何实际效果，这样的事情自然是不值得的。

　　总的来说，根据电路的电压状况，选择适当额定电压的电容器即可。

四、电容器的应用：从电源滤波看电容器（二）

容抗



　　电容器对正弦电流产生的阻碍被称为容抗，通常用XC表示，单位和电阻相同均为欧姆。而我们在进行供电滤波时希望交流成分尽可能完全被旁路掉，若容抗高，所能够被旁路的交流成分就少，所以就需要尽可能减少阻碍、减少容抗。



　　电容器的容抗并非一个恒定的数值，它与频率（f）和电容量（C）的乘积成反比。这也就是人们看到板卡供电滤波使用大容量电容器就会觉得用料好的主要原因，电容量越大，则容抗越小，所能适应的频率范围更广，滤波效果也就越好。

　　但我们并不能够因此忽视频率因素，很明显，不同的频率对电容量的要求也不相同。在高频的情况下，不需要很大的电容量就能获得低容抗的效果。



　　各位还记得近年经常被说起的“数字供电”么？笔者在这里可以明确地说，供电是无法数字化的，这只是一个高频开关供电方式。由于频率远远高于常规的开关供电方式，因此只需要小小的陶瓷电容器就可以获得极低的容抗，完成滤波工作。除了电容器，大家一定也对那块好像芯片一样的电感器的高温有深刻印象吧？因为在高频时电感器产生了高额感应电流，此时电感器就好像一个巨大的电阻，数十安培的电流从此经过，自然会产生不俗的热量。尽管并非“数字化”，高频开关供电的确可以用更小巧的元器件、更少的空间占用来达到和常规开关供电模式相当的效果，不过电感器发热是一个需要关注的问题。

　　说完了高频，让我们一起来想一想低频时容抗的表现。当频率无限接近于零（直流电），那么容抗将会无限增大，此时直流电面前就像被安置了一个巨大的电阻，从而无法通过。尽管容抗的表现很像电阻，不过由于理想的电容器内部是没有电流通过的，因此容抗不会造成任何发热。

　　在频率确定的情况下，所以我们可以用电容量来衡量容抗，电容量越高则容抗越低，电容量越低则容抗越高。

ESR与ESL



　　世界上没有绝对的事情和理想的事物，人们常说理想与现实是有差距的，在电子元器件方面其实也不例外，理想化的元器件仅仅只能存在于我们的理念当中。现实中的元器件通常都会带有一定的ESR和ESL，简单说它们就相当于给电路中额外串联了一个电容器和电感器。

　　毫无疑问，ESR必然会带来发热以及能量损耗，同时也会对滤波产生阻碍作用，所以各电容器厂商都在追求尽可能低的ESR。目前来说，多数固态电解质电容器的ESR通常都比液态电解质电容器更低，不过需要明确的是，这并不是因为“固态”，而是因为物质本身。电容器的ESR和电容器的极板长度、极板面积、电解质等等都有关系。

　　元器件的等效串联电阻（ESR）经常被人们关注和提起，其实它还有个小兄弟：等效串联电感（ESL）。

　　因ESL而“增加”的隔交通直的电感器，也会出色的完成阻碍交变电流的任务，其感抗（XL）为我们的供电滤波工作设置障碍。所以，ESL也是越低越好。

电容器的阻抗
　　容抗、ESR、ESL三者共同构建了电容器的阻抗（Impedance），通常用字母Z表示。其计算公式为：






　　在电容量恒定的情况下，容抗会随着频率的提高以恒定变化率减小，感应系数则会随着频率提高以恒定变化率增加。而ESR是一个基本固定的数值，因此它将决定电容器阻抗的下限。只有ESR足够低，我们才能获得低阻抗的电容器。



　　从图上我们可以看到，若只有ESR降低，尽管电容器阻抗的最小值降低了，但是仅仅只能在较窄的频带上实现。这样是不够的，我们需要电容器在一定的频带宽度上都能保持低阻抗。在电容量和频率都确定的情况下，容抗无法改变，因此唯一的途径就是降低ESL。

　　很显然，为了更好的发挥滤波功能，低阻抗的电容器就是我们所期望的，即低容抗、低ESR、低ESL。我们必须了解到，ESR和ESL的作用绝不可忽视，单用容抗或电容量来衡量电容器性能是不合理的。




　　上图中是几种电容器的阻抗-频率图，我们可以看到在相同容量下（47μf），三洋OS-CON电容器在100K-1MHz这个常用频段的阻抗表现远远超越了常规铝-电解液电容器和钽电容器，甚至超越了1000μf的铝-电解液电容器。而在其他一些频段其阻抗反而大于其他电容器。所以，电容量只比较适合用于衡量和对比即定频率下的同系列电容器的性能。

　　嗯，接着让我们轻松一点，看几个比较单纯的性能因素。

五、电容器的应用：耦合与去藕，信号滤波

介质损耗角正切（tanδ）
　　它看上去是一个很神秘的东西，其实我们可以简单点，它其实是在指电容器的效率，即ESR与容抗的比值。通常会以120Hz（西方国家市电整流后的频率）频率为基准来衡量。无论如何，我们明白这个数值越低越好即可。

渗漏电流(Leakage Current)
　　世界上没有绝对无法打动的冰山美人，也没有绝对绝缘的电介质，内部绝对不走电荷的理想电容器是不存在的。一些不太规矩的电荷总会偷渡电介质，于是形成了渗漏电流。渗漏电流会白白浪费能量，增加发热，自然也是越低越好。同系列产品中，容量越大的电容器电介质层通常越薄，所以漏电流就会越大。

额定链波电流（Rated Ripple Current）
　　没有哪个元器件能够承受无限的电流，它们总要有个承受上限，链波电流量就是在表达这个上限。若电路中电流过大，会导致电容器损坏。你问链波电流是什么？就是有波纹的电流，通俗点，就是交流。。。。。。

温度范围
　　我们在电容器外壳上所看到的温度标注，指的是该电容器的最高工作温度。实际上电容器不仅仅只有一个高温指标，其正常工作温度是一个区间范围。

寿命
　　产品寿命总是用户最关心的问题之一。电容器的寿命取决去所用材质以及工作温度。工作温度越高，寿命就越低。我们只能从厂商的规格PDF中得到相关的寿命信息。



　　由于材质不同，OS-CON电容器的寿命要比常规铝-电解液电容高的多。同时，我们也可以看到，温度对电容器寿命的影响非常巨大。由于电脑板卡上很少会为电容器准备散热设备，因此使用太阳花式CPU/GPU散热器进行周边辅助散热以及降低环境温度会大大增加电容的使用寿命。当然，最好还是直接使用高温寿命较长的电容器。

电容器的应用：耦合与去藕
　　这两个应用恐怕各位听得最多的是去藕，“去藕电容”一词经常在一些内存评测文章中出现。耦合和去藕在不少朋友眼中可能显得十分深奥，其实它的本质还是很简单的利用了电容器的隔直通交原理。



　　耦合，我们可以称之为交流耦合。指的是在两个电路之间串联一个电容器，从而在保证信号传输的同时，遏制因两电路电压不同导致的异常直流电传导。例如上图中，电路A的输出电压是0V，而电路B的输入电压为5V，我们需要将信号从电路A传输到电路B。此时如果不使用电容器进行耦合，电路B的输入电流将会向电路A流去。在两电路之间串联电容器之后，直流电流会老老实实的待在一边，而交流信号仍旧保持正常传输。

　　有了交流耦合，同时也就诞生了直流去藕合，简称去藕。连接在电源线到地之间的电容器，在PCB中用于过滤由快速开关电路产生的直流电压中的瞬时电压或者尖峰信号。瞬时电压含有可能影响电路工作的高频成分，它们会被去藕电容短接到地。在一条线路上我们通常可以看到多个去藕电容，尤其是集成电路芯片周围密布的多层陶瓷电容中，不少就起着去藕作用。

信号滤波
　　信号滤波简单说就是放所需频带的信号电波通过，阻碍其他频率的电波（可以成为杂波）。电容器在这里主要是利用其容抗和频率相关的特性（XC = (1/(2πfC))来进行电波选择。

　　信号滤波在这里就不做太细致的描述了，今后笔者还有机会为大家讲述这方面的知识。


六、结语

通过文中的讲述，我们可以看到，电容器并没有什么神秘的因素，它不过是为了得到恒定直流电而努力的一分子，并非供电电路的全部。而恒定的直流供电也仅仅是超频的必要条件之一，并不会起决定作用。电容器性能是由多种互相联系的因素共同决定的，我们在看待产品的时候不应该单纯因看到“固态电容”就认为其如何好，应该去看看它们的规格PDF，综合多种指标以及应用环境才能得出比较正确的结论。

　　无论是CPU、GPU、内存或者芯片组，超频能力的高低90%是由芯片本身所决定的。无论主板或者显卡本身设计的多么强大，也仅仅是提供一个基础而已。就像即使给Athlon XP提供绝对理想的直流电，它也不可能达到5GHz的高度。

　　我们不应该幻想一块主板仅仅依靠“高品质固态电容”就会获得超频能力的飞跃，这其中的差别实在很小。如果说哪块主板因换了更好的电容器会大有改观的话，那只能代表它原本作的太差劲了。