让我们一起深入探讨电容的种类和作用

      你知道显卡为什么会花屏吗？没错，你肯定听说过“主板爆浆”，电解电容或者你还在对商家唾沫横飞的“专业分析”深信不疑？但您知道“爆浆”为什么会发生，而爆浆产生的环境、条件、原理又是如何？你可能也被主板或显卡花屏所困惑，你知道罪魁祸首很可能是那个最不起眼的电容吗？
　　当睡在你上铺的兄弟告诉你“铝电容就是比电解电容好，OSCON电容比铝电容好”，而你为此对他丰富的硬件知识佩服不已的时候，你是否会怀疑，这句话其实相当于：“摩托罗拉手机就是比GSM的手机好”——因为OSCON电容其实是铝电容的一种，而铝电容又是电解电容的一种。虽然这很可笑，但是你听不出来，因为你不像了解手机那样了解电容。
　　当你告诉他铝电容其实就是电解电容的一种，甚至他推崇有加的钽电容其实也是他最看不上的“电解电容”的一种的时候，您一定能让你上铺那位兄弟感到尴尬。但真理是越辨越明，你有丰富的知识，那他只能选择沉默。而事实并不仅仅如此，当你看完本文后，能被你搞沉默的人绝对不止上铺那位兄弟，也许还包括那些试图玩点猫腻的奸商——在中国能做到这点就很NB了。
　　因为我们相信你并不是那种仅仅满足于用半瓶子醋的DIY知识骗几个MM和菜鸟的“DIY玩家”，所以我们很真诚地邀请您阅读这篇有史以来IT媒体中最专业的关于电容的文章。
　　请相信，我们不是在忽悠。
　　在开始之前我们还是先向大家介绍一下本文的行文格式。为了方便大家阅读，本文由PCPOP编辑——小地，和业内资深的硬件专业人士——华巨先生以对话的形式进行。本文的主体内容均由华巨先生提供。
　　小地：OK，华巨先生，先向我们介绍一下，什么是电容？
　　电容是最基本的电子元器件
　　华巨：电容就是两块导体中间夹着一块绝缘体构成的电子元件，就像三明治一样。电容是电子设备中最基础也是最重要的元件之一。电容的产量占全球电子元器件产品（其它的还有电阻、电感等）中的40%以上。电解电容基本上所有的电子设备，小到闪盘、数码相机，大到航天飞机、火箭中都可以见到它的身影。作为一种最基本的电子元器件，电容对于电子设备来说就象食品对于人一样不可缺少。
　　小小一颗电容却是一个国家工业技术能力的完全体现，尤其是高档电容所代表的是本国精密加工、化工、、材料、基础研究的水平（美国、日本是世界上电容设计研究能力最高的两个国家）大家千万别小看它，其高档产品的设计制造要求甚至不亚于CPU。同样是这棵不起眼的电容，上到神五，下到U盘，可以说有 电源的地方就有它。
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　　电容是无处不在的
　　电容的用途非常多，主要有如下几种：
　　1．隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。
　　2．旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。
　　3．耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路
　　4．滤波：这个对DIY而言很重要显卡上的电容基本都是这个作用。
　　5．温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。
　　6．计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。
　　7．调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。
　　8．整流：在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。
　　9．储能：储存电能，用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯，加热设备等等。（如今某些电容的储能水平已经接近锂电池的水准，一个电容储存的电能可以供一个手机使用一天。
　　小地总结：看完这章，大家可能开始对电容感兴趣了。
　　小地：看完上一章之后我们对电容已有了基本的了解，那现在我们再深入一点，请介绍一下如今电容的种类好吗？我们常听说什么铝电容，钽电容……，能不能为我们系统地介绍一下电容的分类呢？
　　华巨：刚才我们说过，电容就是两块导体（阴极和阳极）中间夹着一块绝缘体（介质）构成的电子元件。电容的种类首先要按照介质种类来分。这当中可分为无机介质电容器、有机介质电容器和电解电容器三大类。不同介质的电容，在结构、成本、特性、用途方面都大不相同。
　　陶瓷电容常用在超高频器件例如GPU上
　　无机介质电容器：包括大家熟悉的陶瓷电容以及云母电容，在CPU上我们会经常看到陶瓷电容。陶瓷电容的综合性能很好，可以应用GHz级别的超高频器件上，比如CPU/GPU。当然，它的价格也很贵。
　　有机介质电容器：例如薄膜电容器，这类电容经常用在音箱上，其特性是比较精密、耐高温高压。
　　双电层电容器：这种电容的电容量特别大，可以达到几百f（f=法，电容量单位，1f=1000000μf）。因此这种电容可以做UPS的电池用，作用是储存电能。说句题外话，如果把地球算做一个孤立导体的话，那么它的容量只有700μf，还不如主板上用的一个铝电容。
　　电解电容器：由于主板、显卡等产品使用的基本都是电解电容，因此这是我们要讲的重点。大家熟悉的铝电容，钽电容其实都是电解电容。如果说电容是电子元器件中最重要和不可取代的元件的话，那么电解电容器又在整个电容产业中占据了半壁江山。我国电解电容年产量300亿只，且年平均增长率高达30%，占全球电解电容产量的1/3以上。
　　大家别小看电解电容，它其实是一个国家的工业能力和技术水平的反映。世界上最先进的电解电容的设计和生产国是美国和日本，顶级的电解电容器的生产工艺要求非常高，别看我国电解电容产量这么高，电解电容可是各项核心技术都掌握在其它国家手里，我国也就能算来料加工的“世界工厂”而已，自主力量还很薄弱，并且生产的产品也都以低档的为主。
　　小地总结：知道电容的分类后，至少你不会再说什么“铝电容比电解电容好”一类的鬼话了。
　　小地：我认为电解电容和DIY玩家的关系最密切，那么，请继续为我们介绍它吧。
　　华巨：在了解电容的分类后，我想大家已经知道，和DIY玩家最切实相关的还属电解电容，所以我们接下来主要讲的也是它。首先让我们了解一下电解电容的性能特点，这样我们才能清楚为什么主板、显卡以及几乎所有的计算机设备里面都使用到了电解电容：
　　电解电容器特点一：单位体积的电容量非常大，比其它种类的电容大几十到数百倍。
　　电解电容器特点二：额定的容量可以做到非常大，可以轻易做到几万μf甚至几f（但不能和双电层电容相比）。
　　电解电容器特点三：价格比其它种类具有压倒性优势，因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料，比如铝等等。制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以大规模生产，成本相对比较低。
　　目前，新型的电解电容发展的非常快，某些产品的性能已达到无机电容器的水准，电解电容正在替换某些无机和有机介质电容器。电解电容的使用范围相当广泛，基本上，有电源的设备都会使用到电解电容。例如通讯产品，数码产品，汽车上音响、发动机、ABS、GPS、电子喷油系统以及几乎所有的家用电器。由于技术的进步，如今在小型化要求较高的军用电子对抗设备中也开始广泛使用电解电容。
　　小地总结：有电源的地方就有电解电容，它价格便宜，使用在几百上千元的主板、显卡上是再合适不过了。
　　小地：电解电容如何分类？我们常听一些“高手”说“贴片电容比电解电容好”，“钽电容比贴片电容好”之类的话。能否为我们系统地介绍一下电解电容的分类，以及优劣关系呢？
　　华巨：电解电容的分类，传统的方法都是按阳极材质，比如说铝或者钽。所以，电解电容按阳极分，为以下几种：
　　1．铝电解电容。不管是SMT贴片工艺的（上图左，就是大家说的“贴片电容”，识别方式是底坐有黑色橡胶），还是直插式的，或者有塑料表皮的（上图右就是直插式有塑料表皮的，这个被很多人认为是“电解电容”），只要它们的阳极材质是铝，那么他们就都叫做铝电解电容。电容的封装方式和电容的品质本身并无直接联系，电容的性能只取决于具体型号，这个我们后面会详细说明。
　　紫色的是SANYO OSCON TCNQ系列高档电容，采用直插封装
　　2．钽电解电容。阳极由钽构成，就是那种我们在显卡上一见到就会惊呼“这个显卡做工真不错！”的那种黄色或黑色小颗粒。目前很多钽电解电容都用贴片式安装，其外壳一般由树脂封装（采用同样封装的也可能是铝电解电容）。但是，钽电容的阴极也是电解质，所以很不幸的，它也是大家十分瞧不起的“电解电容”的一种。（有种晴天霹雳的感觉吧？）。
　　需要提及的是，铝电解电容和钽电解电容不是由封装形式决定的。像上图的黄色与黑色小方块，通常我们认为其是钽电解电容，但实际其阳极也有可能是铝，也就是说它们也有可能是铝电容而不是钽电容。（第二个晴天霹雳！？）
　　是否有橡胶底坐，是判断SMT贴片与直插封装的主要依据
　　3。铌电解电容。这种电容如今已经用的比少，所以就不多介绍了。
　　以往传统的看法是钽电容性能比铝电容好，电解电容因为钽电容的介质为阳极氧化后生成的五氧化二钽，它的介电能力（通常用ε表示）比铝电容的三氧化二铝介质要高。因此在同样容量的情况下，钽电容的体积能比铝电容做得更小。（电解电容的电容量取决于介质的介电能力和体积，在容量一定的情况下，介电能力越高，体积就可以做得越小，反之，体积就需要做得越大）再加上钽的性质比较稳定，所以通常认为钽电容性能比铝电容好。
　　但这种凭阳极判断电容性能的方法已经过时了，目前决定电解电容性能的关键并不在于阳极，而在于电解质，也就是阴极。因为不同的阴极和不同的阳极可以组合成不同种类的电解电容，其性能也大不相同。采用同一种阳极的电容由于电解质的不同，性能可以差距很大，总之阳极对于电容性能的影响远远小于阴极。
　　在以上表格当中，红线代表铝聚合物导体电容，绿色虚线表示普通铝电解液电容，蓝色虚线表示钽二氧化锰电容，黄色虚线表示超大容量（1000μF）、超大体积（后面的“Φ”符号代表了各自的体积）的铝电解液电容。表格的X轴线表示频率，Y轴线表示阻抗，Y轴的阻抗数值越低，ESR值就越低，性能就越好。
　　这个表格体现的是在频率逐步提升的情况下，不同种类电容的性能变化。可以看出，当频率达到10KHz以上的时候铝聚合物导体电容的ESR值继续保持在较低的水平，当达到100KHz的时候，其ESR值低于其它所有类型的电容，包括钽电容和容量为1000μF的铝电解液电容（注意：两者的体积比例为300：5000），而该电容的容量仅为47μF。到了1MHZ，铝聚合物导体电容优势更明显。
　　目前生产的钽电解电容器主要有烧结型固体、箔形卷绕固体、烧结型液体等三种，其中烧结型固体约占目前生产总量的95%以上，而又以非金属密封型的树脂封装式为主体。小型化、片式化配合SMT技术下方兴未艾，片式烧结钽电容器已逐渐成主流。
　　固体钽电容器电性能优良，工作温度范围宽，而且形式多样，体积效率优异，具有其独特的特征：
　　钽电解电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。
　　此层氧化膜介质完全与组成电容器的一端极结合成一个整体，不能单独存在。因此单位体积内所具有的电容量特别大。即比容量非常高，因此特别适宜于小型化。
　　在钽电解电容器工作过程中，具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点所在的性能，使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力，而不致遭到连续的累积性破坏。这种独特自愈性能，保证了其长寿命和可靠性的优势。
　　钽电解电容器具有非常高的工作电场强度，并较任何类型电容器都大，以此保证它的小型化。
　　钽电解电容器可以非常方便地获得较大的电容量，在电源滤波、交流旁路等用途上少有竞争对手。
　　具有单向导电性，即所谓有“极性”，应用时应按电源的正、负方向接入电流，电容器的阳极（正极）接电源“+”极，阴极（负极）接电源的“-”极；如果接错不仅电容器发挥不了作用，而且漏电流很大，短时间内芯子就会发热，破坏氧化膜随即失效。
　　工作电压有一定的上限平值，但这方面的缺点对配合晶体管或集成电路电源，是不重要的。
　　电解电容器一般认为是一种性能优良，使用寿命长的电子元件，它的失效率正常时可达七级。但它总还是符合电子元器件的失效普遍规律，即澡盆形失效曲线，前期失效可在老炼过程中剔除。因此只有随机失效的可能性。而这种无效即有制造工艺控制问题，还常常伴随产品在使用过程的不当或超载所致，综合说来大约有三种模式即电流型、电压型和发热型。
　　钽电解电容器具有储藏电量、进行充放电等性能，主要应用于滤波、能量贮存与转换，记号旁路，耦合与退耦以及作时间常数元件等。在应用中要注意其性能特点，正确使用会有助于充分发挥其功能，其中诸如考虑产品工作环境及其发热温度，以及采取降额使用等措施，如果使用不当会影响产品的工作寿命。
　　贴片电容的种类和特点
　　单片陶瓷电容器(通称贴片电容)是目前用量比较大的常用元件,就AVX公司生产的贴片电容来讲有NPO、X7R、Z5U、Y5V等不同的规格,不同的规格有不同的用途。下面我们仅就常用的NPO、X7R、Z5U和Y5V来介绍一下它们的性能和应用以及采购中应注意的订货事项以引起大家的注意。不同的公司对于上述不同性能的电容器可能有不同的命名方法,这里我们引用的是AVX公司的命名方法,其他公司的产品请参照该公司的产品手册。
　　NPO、X7R、Z5U和Y5V的主要区别是它们的填充介质不同。在相同的体积下由于填充介质不同所组成的电容器的容量就不同,随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。所以在使用电容器时应根据电容器在电路中作用不同来选用不同的电容器。
　　一 NPO电容器
　　NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。
　　NPO电容器是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。电解电容温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃,电容量随频率的变化小于±0.3ΔC。NPO电容的漂移或滞后小于±0.05%,相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的。其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%。NPO电容器随封装形式不同其电容量和介质损耗随频率变化的特性也不同,大封装尺寸的要比小封装尺寸的频率特性好。下表给出了NPO电容器可选取的容量范围。