元器件科普——电容小趣闻 - 全文

　　电子发烧友网核心提示：随着主板显卡集成度越来越高，各品牌在PCB上可施展的空间越来越小，这时供电部分自然成为各品牌研发者的自留地，而对于供电部分来说，电感、电容、MOS是三个必备的器件，很多网友也通过观察这里来判断主板或者显卡做工是否实在。这篇文章我们从几个小点入手为大家介绍电容的相关趣闻。

　　在电源或其他大功率设备中的高压侧常会出现大电容，尺寸的特殊让我们一眼注意到它，就拿最近我们刚刚测试过的电源来说，是一枚日本化工出品270uF容量，450V耐压，105摄氏度耐温的电容。电容可以存储能量，这让我们马上联想到了另一种可以存储能量的东西：电池。如果只从能量角度看，电容和同尺寸的碱性电池谁的容量大呢？一起来算一下： 电容的直径30mm，高度30mm，一号碱性电池的直径32mm，高度59mm。所以两颗图中的电容差不多等于一个1号电池的体积了。 一、图中电容。按电容储能的公式：0.5*0.00027*450*450=27.3焦耳，两颗就是54.5焦。 二、碱性电池。电量按8000毫安时算，电压1.5V，就是43200焦耳。 所以即便用碳性电池，能量密度也远高于电容。

　　问题：图中铝电解电容的容值是多少？ 答：8200uF。 这样回答并不能算完全正确，因为这个值只是在特定温度和特定频率下标定的，比如120Hz频率的电路在20摄氏度温度下电容至少可以保证有8200uF的容值。如果在其他温度下情况就不一定了，规律是温度升高容量会增加，85摄氏度时容量超过标称10%左右；低温下电容量减少，对于高压电容来说在零下40℃的环境中容量减少40%都是有可能的。所以冬季对用了很久的PC电源来说是一个考验，时间久里面的电解液会蒸发一些造成容值下降，温度低也会造成高压电容的容值大幅度下降，雪上加霜，出问题的几率就大了。 说到电量，电池也是如此，充电电池经常用多少多少毫安时来形容容量，实际上不规定放电截止电压，不规定放电电流，容量也是一个上下浮动很大的值。

　　在滤波电路中我们会用到电容，刚才说过温度过低的话容量会减少，那么为了防止寿命后期或者低温造成容值减少达不到滤波效果，我们可以增加使用电容。但如果你不考虑电容的工作频率的话，增加多少颗电容也是没用的，在极端条件下电容会变成了电感，至于原因解释起来有点多，感兴趣的网友可以继续看后面两页，如果只想知道结论，那就是： 电路的工作频率很高时，寄生电感（ESL）的效应将盖过电容的容性，让一颗电容呈现感性，如果频率继续增加，感性也将继续增加。这就是电容变成电感的解释。 对于铝电解电容来说工作频率一般不会工作在超过800KHz以上的频率。

　　大部分图中样式的铝电解电容长一些的脚是负极，短脚是正极。如果切开一个电容你会觉得里面好像是一团致密的纸卷，就像……手纸。这卷“手纸”由3种不同的薄膜卷成，一种是正极铝箔，一种是负极铝箔，一种是绝缘层隔（隔开正负极）。卷好以后正极引脚接在正极铝箔上，负极接在负极铝箔上，有时电容外壳就是负极，所以负极也会接在外壳上。而凡是有金属导线的地方都会存在电感，一般工程上按每英寸（2.5厘米）存在20nH（一亿分之二亨利）估算。 我们图中使用的是插件式电容，即便插紧在PCB上了，电容内部从铝箔到胶塞间仍然存在一段引脚，所以寄生电感比那些贴片（SMT）的电感要高。这些电感虽然很小，但到了一定条件下我们并不能忽略，这种电感在电容的模型中称之为等效串联电感（ESL）。 图中还有一行字：“所有部分都有电阻”，所以除了寄生在物理尺寸上的电感外，电容上还有电阻存在，而且在大部分工程设计或考察电容供应商产品好坏时考虑这种电阻的效应远多于ESL，这种电阻称之为串联等效电阻（ESR）。 结论：现实生活里的电容不止体现容性，还有寄生在物理尺寸上的电感和电阻。

　　如不感兴趣可以跳过这页，这里更详细的解释了实际使用中电容呈现感性的原因。下方公式里各个符号的意义是：j为复数单位1（平方为-1），ESL的电感值为L，电容容值为C，ESR的阻值为R，ω=2πf，f是频率，所以ω代表了频率。 在交流电电路中我们也试图描述电路中元件对电流的阻碍作用，在直流电路中这种阻碍被称之为电阻，交流电中称之为“阻抗”。让我们用交流电中常用的表达式写出每个元件的阻抗。 电感的单独存在会让电流落后电压90度，用jωL表示；电容的单独存在会让电压落后电流90度，用jωC的倒数表示。电阻单独存在时电压和电流总是同步的，用R表示。 如果电阻、电容、电感串联的话，电流会落后电压还是会领先电压的变化？这个问题等于在问：这个电路是呈现容性还是感性呢？ 而这个串联电路正好是我们所说的“现实中的电容模型”，他到底呈现出感性还是容性全靠上图括号内值的正负。 我们来看括号里的内容，ω增大（也就是频率增大），第一项ωL会增大，第二项因为分母增大会变小，对于电容来说最初括号里的值是小于零的，随着频率ω增长，括号里的值会等于零，这时电容自身的容性刚好抵消了寄生电感的感性，如果电路的频率继续增加，这个电容就会变成电感。比如铝电解电容在1MHz频率的电路中大都免不了呈现感性。下一页说ESR的效应。

　　这张图是2009年老图，图中的电路是音箱输出电路，图中圈出了隔直电容。这个电容的容值300uF，40V耐压，ESR为0.1欧姆。 现在我们换用一个ESR为6欧姆其他参数一样的电容做对比，两个电容输出功率的曲线已经标在图中。看图说话。 你会听到在播放100Hz以下（低频时）声音时，不论使用哪颗电容输出功率的差距都很小，也就是说音箱放低音时音量并没有很大变化。但如果音箱在放高频声音，比如1000Hz的声音时（高频时），采用ESR 0.1欧姆电容的音箱音量远远大于采用ESR 6欧姆的音箱。实际上1000Hz的音高是音乐中很常见的中高频声音，如不选用良好的电容，用这个音箱听歌就好像没有了高音区那样。图中采用ESR 0.1欧姆的音箱比采用ESR 6欧姆的音箱在播放1000Hz声音时输出功率相差4瓦，这4瓦就是热损耗。 有时ESR也会当做一种特性使用，如果你就是不想听高音，那么选择ESR大的电容输出就好。 图中举的例子比较极端，因为你很难买到ESR高达6欧姆的电容，但ESR并不是一成不变的，铝电解电容的ESR随着温度变化非常大，在80摄氏度时大约只有室温下的70%，在零下40摄氏度时它会增加50倍都不止，结合我们第二页说的PC电源中大电容的情况，低温下的高频应用对这些设备来说绝对是地狱一般。

　　显卡、主板上已经开始使用钽电容这种高端货了，这种电容多用在频率几百KHz到几MHz，电压在30V以内的电路中，尤其是对寿命要求较高的地方。从容量上看，1000uF对钽电容已经是边缘上限值了，它并不能像铝电解电容那样做得很高（几百万uF）。钽电容的ESR也从十几毫欧到几欧之间分布，相对铝电解电容没有巨大优势；钽电容的ESL一般只有2nL，这和最好的贴片类的铝电解电容差不多，远低于插件式的电解电容。

　　从性能角度看选用最好的铝电解电容，和选用钽电容的效果差不多。钽电容的优势在于温度稳定性好，即便在零下200摄氏度时容量损失也不会超过10%，此外的优势就是寿命长，因为铝电解电容只要电解液干涸了电容就会失效。 但钽电容也有它的劣势，如果温度是铝电解电容的杀手，那电压就是钽电容的夺命刀。高压会击穿钽电容的氧化膜，你甚至不容易买到15V耐压以上的钽电容。 这页摆出了上下两幅图，上侧的显卡实实在在的全部采用钽电容，下侧显卡还用了一些更便宜的电容，给人感觉不太诚恳，如果仔细看还会发现靠近6PIN显卡供电接头旁边有两枚本该采用钽电容的位置被四枚陶瓷电容替代了，在这篇文章第一页也是这张显卡，从诸多细节看它更像一张样品卡，现实中估计也难买到。更戏剧性的是上面那个看上去实实在在的显卡品牌从前就是下面那个品牌更名换标而来。

　　我其实是想说，如果在本该使用耐压高的部位硬采用钽电容，让板卡看上去更“高端”，实际上却降低了整张卡的可靠性，且增加了相当多的成本，这种赚卖相的做法是不可取的。

　　为了让玩家感性的了解电容，我在Digikey上找了价格，这里仅仅是参考。玩家中有很多是电子行业的，甚至就是有多年采购经验的专家，你们也知道同样的元件，同一个代理商，不同数量的单价相差70%是很正常的；同一个元件，同数量采购，不同供应商的价格差50%以上也很正常。所以这些只是参考，因为都在同一供应商处得到公开报价，所以图中电容之间的价格是有可比性的。可以看到完成同样功能的固态电容价格只是钽电容是十几分之一。陶瓷电容因为容量小耐压低，所以并不方便比较。

　　关于电容的内容在写的时候过滤掉很多，比如电容品牌看图识标，比如Badcaps.net 中登记的事故电容，还有很多电容测试的数据等等。感兴趣的玩家可以参考一颗顶十颗！显卡电容用料全方位解析

　　关于电容的趣闻总结：

　　1、高压电容能量密度没碱性电池高；

　　2、电容量是近似值，低温和高温下相差甚至超过50%；

　　3、在高频下实际的电容可能会“变成电感”；

　　4、电容的寄生参数中ESR的影响更大，它引起电容发热；

　　5、钽电容有寿命优势，但性能上没有巨大优势。