电解电容的参数及应用.docx
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电解电容的参数及应用
电解电容的参数及应用
铝电解电容内部结构图 以上是OST（台湾的一个电容厂）的一个加工厂提供的。
以下表格是结构图当中各个部位的详细说明：
NO
部件
所用材料
供应商
1
LEADLINE（外引线）
TINNEDCPWIRE
KOJOKU
2
TERMINAL（内引线）
ALUMINUMWIRE
KOHOKU
3
RUBBERSEAL（胶封）
IIR/EPT
QIANGAN
4
AL-FOIL（+）（铝箔）
FORMEDALUMINUMFOIL
MASTUSHITA,JCC
5
AL-FOIL（-）（铝箔）
ETCHED/FORMEDALUMINUMFOIL
GUANYE
6
CASE（电容外壳）
ALUMINUMCASE
XINGYU
7
SLEEVE（塑料外皮）
PVC
QIYUANYINLIN
8
SEPARATOR（电解纸）
ELECTROLYTEPAPER
DAFU
我们可以注意3个地方：
AL-FOIL（+）、AL-FOIL（-）、SEPARATOR，这些都是电容内部机构的关键部件，一些国内公司还无法做到。
我们可以看出，这些都是从日本JCC等公司进口的，对电容品质的保证起到了很重要的作用。
电解电容的八个基本参数详解[一]
参数一：
电容值
电容值C=Q/U。
要计算主板CPU供电部位对电容容量的需求，使用如下公式：
C=I/（?
V/?
t）
假如CPU的电流I为50A, ?
V=50mV时，?
t=10μS。
则容量要求为C=10000μf。
要得到理想的滤波效果的话，就要求要7颗1500μf的电容并联使用。
参数二：
耐压值
耐压值是表示电容＋/－极之间的最大压差，如果出现过压现象，电容就会处于击穿状态，漏电流增大，电容内部发热巨增，电容内部的电解液会因高温变成气体致使电容内部压力增大。
当这个压力超过电解电容的铝外壳承受压力的时候，电容就会发生爆炸。
CPU的工作电压一般在1～2V之间，电容耐压能在4V以上就一般不会出问题，前提是电容极性不得插反！
参数三：
损耗正切值
损耗正切值用tgδ表示，它是交流电压下介质中的能量损耗标称。
损耗跟温度及电压有关系，损耗值越小，电容发热就越小，热量对电容的工作寿命有很大的影响。
参数四：
ESR
ESR即EquivalentSeriesResistance（等效串联电阻），主板CPU供电部分都是用的LOWESR的电容，主板的CPU输入电容的ESR的要求值可根据以下公式计算：
而INTELPentium4处理器的要求是取3.06GHzCPUICC=65.4A。
则根据公式
（1）、
（2）可以得到最大ΔVTRAN=148.1mV。
根据公式可以得到RCESR/NC=2.26mΩ （全文摘自，有修改），当电容个数达到7个时，要求的电容ESR值为2.26X7=17.4mΩ。
常用的高品质电容ESR参数也才13mΩ，如RUBYCON的MBZ系列的电容，ESR值在100KHZ的测试条件下标准值为13mΩ。
雷同的还有TAICON的HI系列，SAMXON（OST及松下等公司的电容代工厂）的GD系列。
电容爆浆
ESR值越大，滤除纹波效果就越差，尤其市面上很多只有4—5颗输出电容的主板，将会影响主板的稳定性，用高频CPU时就更明显了。
甚至还有些用较差品牌，或是没有保证的国产电容，可能还会出现象XX等厂曾出现电容爆裂现象。
参数五：
纹波电流
纹波电流即RIPPLECURRENT（也称涟波电流），电容具有“通交流，阻直流”的特性，纹波电流就是用了通交流的特性，将有害的交流成分滤掉，使直流成分更纯，有助于CPU的工作稳定。
从公式I=U/R可以看出，它是跟ESR值是成正比关系的，在同等条件下（同材料，同环境等），ESR值越低，电容的耐纹波电流能力越强，尤其是在主板开关电源部分（如，CPU的电源部分在MOS管的前端）显得尤为重要，耐纹波电流能力差，ESR值大，发热量就会增大，电容的寿命将会极大的降低，甚至很容易出现爆裂现象。
参数六：
耐温值
电解电容一般耐温值有85℃及105℃两种，在环境差的条件下，选择高耐温的电容器有利于延长电容的工作寿命。
参数七：
漏电流
电容在直流的条件下也不是完全绝缘的，漏电流的要求一般为I≤0.01CU,漏电流越小越好，漏电流小，电容的发热量小。
参数八：
电容寿命
电容寿命计算公式为
Lx=LoX2【to-（tx+Δt）】/10
这是正常使用下电容的寿命公式，Lo=2000小时。
上图是TAICON的LOWESR电容HI系列参数要求
电容的寿命跟工作温度有很大的关系，通常所说的2000小时的工作寿命，是指电容在工作温度下，如105℃，80％工作电压（加上纹波电压不超过标称电压），加上标称的纹波电流（如TAICON的2200UF/6.3VHI系列，10X20的电容，纹波电流为2.55A），工作2000小时参数变化率在要求的范围内，无故障出现（如电容爆等）。
所以，要求高寿命的电容，跟选择好品质的电容是相依相存的，电容每个参数的好与坏都会直接影响到电容的工作寿命。
铝电解液电容的制造过程
贴片铝电解液电容是如今的板卡上最常见的电容之一。
事实上其它种类的贴片电解电容，例如铝固体聚合物电容的制造方法也和它类似，只是阴极采用的材料不是电解液，而是固体聚合物等等。
贴片铝电解液电容是显卡上最常见的电容
贴片铝电解液电容的制造过程包括九个步骤，我们就按顺序逐一为大家讲解：
第一步：
铝箔的腐蚀。
假如拆开一个铝电解液电容的外壳，你会看到里面是若干层铝箔和若干层电解纸，铝箔和电解纸贴附在一起，卷绕成筒状的结构，这样每两层铝箔中间就是一层吸附了电解液的电解纸了。
因此首先我们谈谈铝箔的制造方法。
为了增大铝箔和电解质的接触面积，电容中的铝箔的表面并不是光滑的，而是经过电化腐蚀法，使其表面形成凹凸不平的形状，这样能够增大7~8倍的表面积。
普通铝箔一平方米的价格在10元人民币左右，而经过这道工艺之后，它的价格将升到40~50元/平米。
电化腐蚀的工艺是比较复杂的，其中涉及到腐蚀液的种类、浓度、铝箔的表面状态、腐蚀的速度、电压的动态平衡等等。
我们国家目前在这方面的制造工艺还不够成熟，因此用于制造电容的经过电化腐蚀的铝箔目前还主要依赖进口。
第二步：
氧化膜形成工艺。
铝箔经过电化腐蚀后，就要使用化学办法，将其表面氧化成三氧化二铝——也就是铝电解电容的介质。
在氧化之后，要仔细检查三氧化二铝的表面，看是否有斑点或者龟裂，将不合格的排除在外。
第三步：
铝箔的切割。
这个步骤很容易理解。
就是把一整块铝箔，切割成若干小块，使其适合电容制造的需要。
第四步：
引线的铆接。
电容外部的引脚并不是直接连到电容内部，而是通过内引线与电容内部连接的。
因此，在这一步当中我们就需要将阳极和阴极的内引线，与电容的外引线通过超声波键合法连接在一起。
外引线通常采用镀铜的铁线或者氧化铜线以减少电阻，而内引线则直接采用铝线与铝箔直接相连。
大家注意这些小小的步骤无一不对精密加工要求很高。
第五步：
电解纸的卷绕。
电容中的电解液并非直接灌进电容，呈液态浸泡住铝箔，而是通过吸附了电解液的电解纸与铝箔层层贴合。
这当中，选用的电解纸与普通纸张的配方有些不同，是呈微孔状的，纸的表面不能有杂质，否则将影响电解液的成分与性能。
而这一步，就是将没有吸附电解液的电解纸，和铝箔贴在一块，然后卷进电容外壳，使铝箔和电解纸形成类似“101010”的间隔状态。
第六步：
电解液的浸渍。
当电解纸卷绕完毕之后，就将电解液灌进去，使电解液浸渍到电解纸上。
随着电解液配方的改进以及电解纸制造技术的提升，如今铝电解液电容的ESR值也逐渐得以提升，变成以前的若干分之一。
第七步：
装配。
这一步就是将电容外面的铝壳装配上，同时连接外引线，电容到这时已经基本成型了。
第八步：
卷边。
如果是那种“包皮”电容，就需要经过这一步，将电容外面包覆的PVC膜套在电容铝壳外面。
不过如今使用PVC膜的电容已经越来越少，主要原因在于这种材料并不符合环保的趋势，而和性能表现没有太大关系。
第九步：
组合装配。
如果是直插封装，就不需要经过这步
这是贴片铝电解电容制造的最后一步。
这一步就是将SMT贴片封装工艺所需要的黑色塑料底板元件装在电容底部。
对元件的要求，首先是密封效果要好；第二是耐热性能要好；第三还要具备耐化学性，不能和电容内部的电解液一类物质产生化学反应。
这块小塑料板叫做“端子板”，其制造精度要求是非常高，因为一旦大小不合适，要么影响电容的密封性（过小），或者阻挡PCB上电容附近其它元件的装配（过大）。
钽二氧化锰电容的制造过程
板卡上除了常见的贴片铝电解液电容外，偶尔还会出现比其更加高档的钽二氧化锰电容，也就是我们熟悉的钽电容。
钽二氧化锰电容的外观呈立方体，体积较小，与体积相对偏大，且外观为圆筒状的铝电解液电容截然不同。
不仅是外观，钽二氧化锰电容的内部结构也和铝电解液电容不一样。
那么，这种电容又是如何制造出来的呢？
钽电容是“高档的象征”
可以说将二氧化锰作为阴极的钽二氧化锰电容的制造过程，比将固体聚合物作为阴极的电容还要复杂。
因为PPY和PEDT这类固体聚合物，只需要直接放置入电容内部，而钽二氧化锰电容内部的二氧化锰，由于溶解性较差，熔点较高，无法预先紧密贴合，所以只能用硝酸锰热分解生成。
制造钽电容首先需要高纯度的钽粉。
其纯度至少应该在99.9%以上，目前这方面能达到的最高工艺是99.9999%。
首先，将钽粉和有机溶剂掺杂在一起，按照一定的形状加压成形，同时埋入钽引线。
然后，在2000度以上的真空高温环境下，将掺杂有机溶剂的钽粉在真空中进行烧结变成类似于海绵的状态，同时和引线真正地融合在一起。
（一定要保证真空环境，杜绝氧气，因为钽的熔点非常高，低于2000度无法熔化，而在2000度时，钽会和氧气发生剧烈反应，也就是爆炸所以一定不能有氧气混入）
接下来就要把烧结以后的海绵状的钽进行氧化而得到介质——五氧化二钽。
这一步是将海绵状的钽，泡在磷酸溶液里面电解，氧化后表面即生成五氧化二钽。
五氧化二钽的介电常数非常高，在27左右，性能高于铝电解电容的三氧化二铝介质（介电常数7左右）。
然后就是阴极材质——二氧化锰的生成。
这一环节，是将液态的硝酸锰加入钽块，然后将其在水蒸汽（催化剂）环境中进行热分解，分别成二氧化锰与二氧化氮。
为了使氧化膜能够真正完全黏附在二氧化锰上，这道工序要进行好几次（掺入，分解，再掺入……）。
硝酸锰吸附性好，生成的二氧化锰可以完全吸附在海面状钽块内部的无数个小孔当中。
假如这里直接使用固体的二氧化锰，就无法达到这种效果，这就是为什么二氧化锰只能在制造过程中得到的原因。
假如使用PPY/PEDT等固体聚合物，因其溶点很低，就可以直接将其熔解然后放进去。
最后要将银粉和石墨涂在二氧化锰的表面上，减少它的ESR，增强它的导电性。
这一步骤看似简单，但实际也非常重要。
尤其是涂层的厚薄要均匀，密度要大，否则对降低ESR帮助不大。
另外使用PPY/PEDT做阴极的时候，也同样要施行这一道工序。
此过程也要反复进行好多遍才可以
如此这般，钽二氧化锰电容内部的那颗“芯”就已经制作完成了。
对于一些LOWESR的高档钽二氧化锰/钽固体聚合物电容而言，厂商往往会先做好几个“芯”，然后将其并联在一起，封装成一个电容，这样其ESR值会很低，性能更加出色，当然价格也不便宜。
最后就是一些安装的工序。
首先加入外引线，然后用环氧树脂进行封装。
钽电容从外观上看一般有黄色和黑色两种，而它们都是环氧树脂。
环氧树脂的绝缘性、机械强度、耐湿性很好，比使用铝作为外壳的失效性更低。
不过铝电容也可以使用环氧树脂封装，这种铝电容的外观和钽电容是差不多的，这我们在上一篇文章里已经提到过，因此大家不能单凭外观来判断电容的阳极材质。
陶瓷电容经常出现在CPU、GPU等高频设备上
有一些朋友分不清钽电容和陶瓷电容有什么区别。
其实很简单，钽电容的外壳，采用的是不导电的环氧树脂，而陶瓷电容的外壳采用的则是导电的金属。
衡量电容性能的几个重要性能参数
在熟知电容的制造全过程，了解了电容的基本构造和原理之后，我们就将面临一个新的问题——如何从参数上判断电容品质的好坏？
只有掌握了这一方法，我们才能以不变应万变，即使对电容的种类和品牌本身不了解，也能通过几个参数迅速判断出其性能档次。
关于电容的参数，我们将其分为“看得到的”和“看不到的”。
所谓“看得到的”，就是印在电容表面的一些基本参数，这些参数在我们看到一颗电容之后往往可以直接得知。
例如电容的容量（比如“470μF”等等）、容量偏差范围、耐温范围、电压值（比如“16V”）。
所谓“看不到的”参数，就是我们需要根据电容的型号来查询的参数。
例如我们常说的ESR值，如今已成为区别电容性能的重要参数，而我们在电容上是看不到这个参数的，我们得去相关的网站通过电容的型号来查询。
类似的参数还有不少，其中包括如下一些：
1.ESR值；
2.能够耐受的涟波电流值；
3.温度特性；
4.损耗角的正切（TAN），相当于无功功率和有功功率的比值，这个值跟电容的品质以及发热量有关系，这个值越小电容性能越好。
5.漏电流值：
无论绝缘体多大，总是会有细微的电流漏过电容，这个值则代表具体漏过的多少。
此外，ESL特性也是电容的性能指标之一。
但是随着电容技术的发展，现在的高档电解电容，其ESL特性一般都很好，到10MHz、20MHz以上的时候往往才能体现出区别，因此也就失去了比较的意义。
电容ESR的意义ESR缘何重要？
首先来说ESR。
ESR是高频电解电容里面最重要的性能参数，很多电子元器件都强调“LOWESR”这一性能特征，也就是ESR值很小的意思。
那么，我们如何正确理解LOWESR的实际意义呢？
由于现在电子技术的发展，供应给硬件的电压正呈现越来越低的趋势，例如INTEL、AMD的最新款CPU，电压均小于2V，相比以前动辄3、4V的电压要低得多。
但是，另一方面这些芯片由于晶体管和频率爆增，需求的功耗却是有增无减，因此按P=UI的公式来计算，这些设备对电流的要求就越来越高了。
例如两颗功耗同样是70W的CPU，前者电压是3.3V，后者电压是1.8V。
那么，前者的电流就是I=P/U=70W/3.3V大约在21.2A左右。
而后者的电流就是I=P/U=70W/1.8V=38.9A，达到了前者的近一倍。
在通过电容的电流越来越高的情况下，假如电容的ESR值不能保持在一个较小的范围，那么就会产生比以往更高的涟波电压（理想的输出直流电压应该是一条水平线，而涟波电压则是水平线上的波峰和波谷）。
此外，即使是相同的涟波电压，对低电压电路的影响也要比在高电压情况下更大。
例如对于3.3V的CPU而言，0.2V涟波电压所占比例较小，还不足以形成致命的影响，但是对于1.8V的CPU而言，同样是0.2V的涟波电压，其所占的比例就足以造成数字电路的判断失误。
那么ESR值与涟波电压的关系何在呢？
我们可以用以下公式表示：
V=R（ESR）×I
这个公式中的V就表示涟波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。
可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，涟波电压也会成倍提高，采用更低ESR值的电容是势在必行。
这就是为什么如今的板卡等硬件设备上所用的电容，越来越强调LOWESR的缘故。
上图就是一个典型的滤波电路。
其中的SWIC相当开关电源，将输入的5V直流电转换为3.3V直流电。
而电路的L/C部分则构成电路的低通滤波器，目的就是尽量滤去直流电中的涟波电压。
而上图的表格则表明了，在L/C部分使用不同种类电容的情况下，这个电路中涟波电压的表现情况。
可以看出，具有LOWESR性能的铝固体聚合物导体电容（左边），其消除涟波电压的性能最强，钽二氧化锰电容（右边）性能次之，铝电解液电容（中间）表现最差。
同时最后的数值还将受温度影响，这点我们还将在后面详细说明。
温度与电容性能的密切关系
电容的性能并非一成不变，而是会受到环境的影响，而对电容影响最大的就是温度。
而在不同种类的电容当中，采用电解液作为阴极材质的电容例如铝电解液电容，受温度影响又最为明显。
因为在不同种类的阴极，例如电解液、二氧化锰、固体聚合物导体当中，只有电解液采用离子导电方式，而其余几种均采用电子导电方式。
对于离子导电而言，温度越高，其离子活动越强，电离程度也越强。
因此，在温度不超过额定限度的前提下，电解液电容在高温状态下的性能要比低温状态下更好。
上图代表25摄氏度下，三种电容降低涟波电压的能力（电路可以以上一章节中的电路图为参考）。
其中第一个表格所使用的OSCONSVP铝固体聚合物导体电容（1颗，100μF，ESR=40毫欧姆）），第二个表格所使用的是低阻抗铝电解液电容（3颗并联），第三个表格使用的是低阻抗钽电容（2颗并联）。
从表格中可以看出，在25摄氏度的常温状态下，三者所产生的涟波电压分别是22.8/23.8/24.8mV。
也就是说，1颗铝固体聚合物导体电容，在25摄氏度下降低涟波电压的能力，大致相当于2颗钽电容和3颗铝电解液电容。
上图同样是这三种电容，同一电路，在70摄氏度下降低涟波电压的表现。
可以看出，铝固体聚合物导体电容和钽电容的性能改变都不大，依然保持在24~25mV左右，但是3颗铝电解液电容并联下的涟波电压降低到了16.4mV，这时只需要并联两颗这种电容，即可达到25摄氏度状态下的25mV左右水平，其性能提升巨大。
下面我们就要看低温环境下这三种电容的表现了。
上图是在零下20摄氏度下三种电容的成绩。
可以看出，在低温环境下，铝电解液电容的性能降低得非常厉害。
3颗并联状态下的涟波电压由25摄氏度下的23.8mV猛增到了57.6mV。
要将涟波电压降低到和25摄氏度相同的数值，需要并联7颗这种电容。
相比之下我们还能看出，铝固体聚合物导体电容和钽电容的性能，无论是在25度、70度还是-20度环境下，其波动都不大。
从以上分析我们不难看出，铝电解液电容的ESR值受温度影响是极其明显的。
上面的图表则直接画出了不同种类电容，在不同温度状态下的ESR曲线。
其中铝电解液电容（蓝色线）随温度（Y轴）的增加，ESR值（X轴）降低明显。
而铝固体聚合物导体电容（紫色线）和钽电容（绿色线）以及高档陶瓷电容（红色线）则近似于直线，其ESR值受温度影响不大。
而普通陶瓷电容（粉红线）则受温度影响较大。
这里需要说明的是，上表中用做比较的铝固体聚合物导体电容，其容量较小（只有100μF），而且ESR并不太低（40毫欧）。
如换上大容量，ESR更低的同类产品，最终性能表现将更加突出。
如何计算电容寿命
在电容的表面，会标明一个温度数据，例如125等等。
这个温度，代表着该电容所能承受的最高温度，在这一最高温度下，电容一般只能保证正常工作1000个小时左右。
而通过这个温度数值，我们可以使用公式计算出该电容在其它不同温度环境下的寿命。
铝固体聚合物导体电容的计算公式：
L2=L1×10^[（t1-t2）/20]（方括号内的算式结果作为10的幂，下同）
其中L2表示实际使用中电容的寿命，单位为小时、L1表示最高温度下的寿命（1000小时）、T1代表该电容所标明的最高工作温度（例如上面所说的125）、T2代表实际使用的温度（例如85度等等）。
假设一颗最高工作温度为125度的铝固体聚合物导体电容，在85度下工作，那么它的寿命，通过计算我们可以得出L2=1000x10的2次方=100000小时，也就是说大约能工作11年左右。
铝电解液电容的计算公式：
L2=L1×2^[（t1-t2）/10]
假设一颗最高工作温度为125度的铝电解液电容，在85度下工作，那么它的寿命，通过计算我们可以得出L2=1000x2的4次方=16000小时，也就是说大约只有不到2年
目前市面上电容品牌繁多，日系的SANYO（三洋）、Rubycon（红宝石）、Nichcon、ELNA、Panasonic（松下）、Nippon Chemicon（日本化工）等，我国台湾（以下简称台系）的Taicon、OST、Evercon、Teapo（智宝）、GSC、Chocon、Foxcon等。
消费者在选购板卡时，应该多注意板卡所选用的电容品牌，这样才能选到称心如意的产品。
東莞荣誉電子有限公司是一家集研發、生產、銷售及服務為一體的、高科技電容器生產企業，專項致力於為客戶提供專業的電容器產品解決方案，產品廣泛應用於LED顯示幕系統集成、汽車電子,安防領域.消費電子,通信設備.工業控制,等行業. 荣誉電子專注於電容器相關領域，目前所經營的業務主要有鋁電解電容.薄膜電容.陶瓷電容.超級電容器的加工製造開發與生產等。
公司自成立以來，在全體員工的共同努力下，產品及服務已逐步銷售到了國內各級市場並逐……
如何来分辨电容呢？
答曰：
看顶部，看颜色，看防爆凹槽，看标识。
为了使读者更容易的识别电容，我们把电解电容简单地分分类。
电解电容主要靠阳极或阴极材质来分的，通常电容的阴阳极采用下面的材质。
阳极材质铝、钽、铌（已经不多见）
阴极材质电解液、二氧化锰、TCNQ、固体聚合物导体、固体聚合物导体+电解液
我们平常所谈论的固体电容也就是采用了固体作阴极材质，因为电解质是固态的，也就从根本上解决了爆浆的问题。
需要注意的是不同的阳极和阴极材料可以组合成多种规格的电解电容。
1、最常见的铝电解液电容
这类电容采用铝作为阳极材质，传统电解液作为阴极材质，耐压性好，价格便宜，主板基本采用此类电容，下面笔者就具体品牌来谈谈：
（1）
（图2）被神化了的红宝石电容顶部“K”字防爆凹槽
以红宝石电容为代表，其特点是：
电容侧面写着Rubycon，顶部有“K”字防爆凹槽，褐色或者紫色外皮（图2）。
（2）
（图3）著名的三洋电解电容
SANYO电解液电容也是一个“K”字防爆凹槽，但和红宝石的不同（图3）。
读者可以仔细比较，因为这是辨别SANYO和Rubycon最为直接的方法。
（3）
（图4）Nichcon的“十”标志
Nichcon（戏称“你吃糠”）顶部有一“十”字防爆凹槽，一般比较偏爱黑色（图4）。
其在铝电解液电容上的功力绝对不能小觑。
特点：
黑色、“十”字防爆凹槽，侧面上写着“Nichcon”。
有不少电容在侧面标示了铭牌或型号，这也是一个不错的鉴别方法。
另外，并非所有的“十”字防爆凹槽的电容都是Nichcon的，OST（外壳大部分是紫皮金颈，侧面有OST字样，ASUS多采用此电容，已发出电容爆裂警告）、GSC（EPOX主板上爆了的电容）、Taicon（偏好黑色）也是“十”字防爆凹槽。
（4）
（图5）日本化工
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