电解电容与固态电容全面对比分析

每一次CPU/GPU更新会带来性能飞跃，就像nVIDIA刚刚发布的代号为FERMI”的GTX470/480，其单核性能已达到前代旗舰双核GTX295性能的提高自然是最令人兴奋的，但创造了记录30亿个的晶体管数量更是带来了惊人的功耗，GTX480超过满载功率实测400W（标称250W），这大大提高了供电部件的设计要求，显卡的高温也对周围部件提出了更严格的要求。

随着 CPU/GPU 从早期的一相供电到后来的多相供电，从传统的模拟信号 PWM 到数字信号 PWM ，从早期的整板电解电容到现在的固态电容，甚至更高端的钽电容，电容的形态也发生了变化。 在评板卡的评价中，将使用电容作为衡量材料质量的重要参考，使用固态电容器主板总是比使用电解电容器得到更高的评价，在许多文章中讨论了固态电容器的好处，但往往更一般，普通玩家只能从有限的形容词或介绍词中了解固态电容器的一些优点，但了解不深。下面就让我们对固态电容和电解电容进行深入的比较，了解为什么固态电容比电解电容好，好在哪里。 固态电容也是铝电解电容？ 作为供电部分最受关注的元件 -- 随着供电模块设计要求较高，电容器也发生了变化，其中最常用的是接下来要讨论的主角 — 电解电容和固态电容。 事实上，我们常说电解电容器和固态电容器的名称是不正确的。这些电容器属于铝电解电容器，固态电容器也是一种电解电容器。这两种电容器的正确名称应为液态铝电解电容器、高导电分子铝电解电容器或聚合物铝电解电容器。只要阳极材料是铝，它们就被称为铝电解电容器。 长期以来，电容器的分类是根据阳极进行划分的。随着技术的发展，使用不同材料的阴极可以极大地改变电容器参数。为了区分不同阴极的各种铝电解电容器，它们通常在名称上表达，我们通常称之为固态电容器，因为它们使用聚合物（固态）而不是传统的电解液（液态）。 也许很多人仍然怀疑为什么固态电容器也属于电解电容器，显然是固体材料，为什么没有电解质也被称为电解电容器？事实上，铝电解电容器中的电解质并不是指电解质，而是由电解质获得的名称，读者明白吗？ 为方便写作，玩家常用的电解电容代表液态铝电解电容，固态电容代表聚合物铝电解电容。 固态电容低于电解电容ESR ESR 既是串联等效电阻，在 CPU 在供电电路中，为了使电压更稳定，减少不必要的损耗，电路内阻越低越好，其中电感和 PCB 此时，电容器的内阻通常可以很低 ESR 成为决定性因素。 让我们举个例子来解释电路 ESR 以主流为重要性 CPU 来说，其工作电压基本上都在 1.2V 左右，我们假设 CPU 空载时电流为 20A ，满载时电流为 70A ，当 CPU 空载转入到满载时就会产生 50A 以上的突变电流，这时候 PWM 还来不及进行调整，而电容板极电压是不能突变的，流向 CPU 的电流都要经过电路上的串联等效电阻，假设线路内阻为 2 毫欧，那么突然增大的 50A 电流将在线路上产生 0.1V 的纹波电压（压降），也就是说 CPU 电压将由 1.2V 降到 1.1V ，这个变化往往会造成 CPU 的潜在不稳定性，而对于超频玩家而言，这就直接意味着能超与不能超、天堂与地狱的问题了。 以 i7 965 为例，其空载电流约 20A ，满载电流超过了 100A ，如果在极限超频状态下更是超过了 150A ，如此大的电流对于供电电路的大电流供应能力及电路内阻要求都相当的高，如果电路还是 2 毫欧内阻，电流突变 100A ，那电压就得降低 0.2V ，对于不到 1.2V 的 i7 而言很容易导致系统的不稳定，而对于超频玩家，突然降低近 20% 的电压直接就是宣告超频失败。这往往也是很多能以很高频率进入系统，一旦运行测试软件就死机，最后只能在相对低很多的频率下稳定运行的主要原因。 在这方面固态电容有着先天优势，由于采用了导电高分子聚合物作为电容介电材料，分子导电法比电解液电容的离子导电法在导电性参数要高上许多倍，从而获得了更低的 ESR 。 以主板上能见到的最好的电解液电容 Sanyo （三洋） WG 系列（或 Rubycon （红宝石） MBZ ）为例，其 2200uF/6.3V 品种的 ESR 为 13 毫欧，而三洋的 SPEC 系列固态电容 820uF/4V 品种 ESR 为 7 毫欧，足足降低了一倍，这意味着要达到同样的 2 毫欧电路内阻，使用 WG 系列 2200/6.3V 需要用到 13/2=6.5 颗并联，而使用 SEPC 系列 820uF/4V 只需要 3 颗并联。   同时，电解液电容的 Ripple Current （耐纹波电流）远低于固态电容， Ripple Current 的含义就是电容所能承受的纹波电流 / 电压值，当纹波电流增大时，即使 ESR 保持不变，纹波电压也会成倍的增加，换言之，当纹波电压增大时，纹波电流也随之增大，这就是要求电容具备更低的 ESR 的原因，叠加入纹波电流后由于电容内部的 ESR 引起发热从而直接影响到电容的使用寿命，这在高频开关电源设计（如 CPU 供电模块）中显得尤为重要。   由于新一代 CPU 对纹波电压 ( 电压波动 ) 的要求更高，对于供电电路内阻的要求也更高，在相同的电容数量上电解液电容要比固态电容高一倍的 ESR ，而在主板 PCB 寸土寸金的情况下我们又不可能无限的增加电容数量，这就注定了电解电容已经不再适合现代主板的要求。   固态电容有着更为理想的频率特性   如果说在前面介绍的 ESR 一项中固态电容并没有占到多大优势的话，那么在频率特性这一项上固态电容就有着电解电容所无法比拟的优势。对于很多玩家而言电容的频率特性似乎并不如电容的 ESR 受关注，而恰恰这才是电解电容被新一代主板“抛弃”的主要原因之一。   从上面的各种电容频率特性对比图中我们可以看出，粉红色曲线所代表的 OS-CON （包括其他品牌的聚合物固态电容）在高频下有着更低的阻抗特性，并且在 800K 左右时达到了最低阻抗，而同等规格的电解电容在 10K 以后的阻抗要明显高于固态电容，其中橙色曲线所代表的 1000uF/16V 电解电容在 300K 以上频率时 ESR 就已经呈现上升趋势，非常不利于高频开关电源下工作。   需要特别说明的是，上图中橙色曲线所代表的 1000uF/16V 电解电容容量要比其他对比电容 47uF/56uF 高出不少，而频率特性最差的也正是它，这就意味着容量越大，虽然 ESR 越低，但是高频特性也越差，图中的对比电容还只是 1000uF 的，如果换成主板上常用的 2200uF 或 3300uF ，其频率阻抗曲线只会更加难看。   在新一代板卡的供电设计中，设计师为了获得更好的电能效率往往会提高开关电源的频率作为最有效的手段之一，而一般的电解电容在 100K 频率时就已经出现性能严重下降，即使是针对高频低 ESR 设计的电解电容（比如我们前面举例的三洋 WG 系列和红宝石 MBZ 系列）在高频下依然会因为介电材料的导电性下降而造成容量的减少（性能下降），一旦到达临界点，将会从容性状态转变为感性状态从而无法起到电容滤波作用。这就是为什么近代中高端显卡几乎完全抛弃电解电容的原因，在如此高的频率下电解电容已经无法正常工作了，而固态电容优良的高频特性正是它取代电解电容的关键。   上图是借助高精度 LCR 数字电桥对主板上常见规格的电解电容和固态电容进行的不同频率下容量测试，可以看到，使用电解液作为介电材料的电解电容在在高频时容量会下降得相当厉害，而固态电容的变化则很小。   温度特性与寿命： 　　 温度对于电容来说一直都是最重要的参数之一，除了直接影响到电容寿命以外，还会影响到电容的参数，固态电容由于采用了固体聚合物作为阴极材料，即使在高温下高强度工作也不会像采用电解液阴极材料的电解电容那样出现爆浆（液态瞬间气化喷发）。