电解电容与固态电容全面对比分析

每一次CPU/GPU的更新换代都会带来性能上的飞跃，正如nVIDIA刚刚发布的代号为“FERMI”的GTX470/480，其单核性能就已经达到了前代旗舰双核GTX295的水平，性能的提升自然是最让人兴奋的，但创记录的30亿个的晶体管数量更是带来了惊人的功耗，GTX480满载功率实测超过400W（标称250W），这对供电部分的设计要求大为提高，同时显卡的高温也对周边元件提出了更严格的要求。

GTX480 夸张的 6+2 相供电

 
随着 CPU/GPU 的发展对供电部分提出的越来越高的要求，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 ，作为供电部分最重要的元件之一，电容的形态也出现了变化，从早期的整板电解电容到现在的固态电容，甚至更为高端的钽电容。  

你真的了解“它们”吗？

 
在评测文章对板卡的评价中，都会把使用的电容作为衡量用料好坏的重要参考，使用固态电容的主板总能比使用电解电容的得到更高的评价，在很多文章里都讨论过固态电容的好处，但是往往说得比较笼统，普通玩家也仅能从有限的形容词或介绍词里了解到固态电容的一些优点，但了解得并不深入。下面就随着本文让我们对固态电容和电解电容做一次深入的比较，了解为什么固态电容比电解电容好，好在什么地方。
“固态电容”也是铝电解电容？
 
作为供电部分最受关注的元件 -- 电容，也随着更高要求的供电模块设计而出现了变化，而其中用得最多的正是接下来要讨论的主角 — 电解电容和固态电容。
 
其实我们常说的电解电容和固态电容这个名称并不正确，这些电容都属于“铝电解电容”，固态电容也是电解电容的一种，这两种电容的正确名称应该是“液态铝电解电容”和“高导电分子铝电解电容”或“聚合物铝电解电容”，只要阳极材料是铝那都是叫铝电解电容。

 
“固态电容”实际上也是铝电解电容的一种

 
一直以来电容的分类是按照阳极划分的，而随着技术的发展，通过使用不同材料的阴极能对电容参数产生极大的变化，为了区分各类不同阴极的铝电解电容，一般都会在名称上加以表述，而我们惯叫的固态电容就是因为采用了聚合物（固态）而非传统的电解液（液态）而得来“固态电容”一说。

固态电容的内部结构

 
也许很多人还对“固态电容”为什么也属于“电解电容”带有疑惑，明明是固体材料了，没有电解液为何还叫“电解电容”呢？其实铝电解电容里的“电解”指的并非“电解液”，而是因为采用电解质而得来的名称，这下读者们明白了吧？
为了行文方便，下文中还是使用玩家们惯用的“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”。：）
固态电容比电解电容有着更低的ESR
 
ESR 既是串联等效电阻，在 CPU 供电电路里，为了让电压更加稳定及减少不必要的损耗，电路的内阻越低越好，在这其中，电感及 PCB 走线内阻一般都可以做得很低，这时候电容的 ESR 就成了决定性的因素。

供电模块简化原理图

 
让我们举个例子来说明电路 ESR 的重要性，以目前主流的 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。

i7 能不能超很多时候取决于供电电路内阻

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。

固态电容与电解电容参数对比

 
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。

固态电容与其它种类电容的频率特性图

 
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。

R600 显卡的供电设计频率高达 1.5Mhz

 
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。

高频下电解电容的容量下降严重

 
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）。

只有电解液电容的温度 / 阻抗曲线变化最大

从上图我们可以清楚的看到各类电容器在不同温度下的阻抗变化曲线，而只有 Ai-Cap 铝电解液电容的特性曲线出现大范围变化，而且变化趋势为 15 度以下时 ESR 随温度降低而迅速增大，而在 25 度以上时会随温度增加而 ESR 降低，这意味着电解电容无法适应低温下的使用，而这正是造成了业内曾经轰动一时的耕昇显卡花屏的主要元凶。

三洋 CVEX 固体 / 电解液混合电容（绿色）难逃低温“浩劫”

 

造成这个现象的原因主要是因为电解电容采用的离子导电法，在低温下离子在液态中运动较慢（高阻抗），而高温会使得离子活跃度增加而变得低阻抗，与固态电容稳定的分子导电法不同，固态电容基本不受温度影响。

温度和寿命是电解电容的“矛”与“盾”

 

有的读者或许会想，既然电解电容高温下 ESR 降低，正好适合在板卡供电上使用。但实际上虽然高温下电解电容 ESR 降低了，但同时寿命也会显著减少，这是一个鱼与熊掌不可兼得的特性。

固态电容与电解电容温度 / 寿命对比

从上面的固态电容与电解电容的不同温度下的寿命对比可以看出，即使在 105 度时固态电容与电解电容都是 2000 小时的寿命，但是固态电容是每下降 20 度寿命就增加 10 倍，而根据 Arrhenius 法则，电解电容每下降 10 度寿命只增加 2 倍。

固态电容还有着更小的体积，不会阻挡散热器及三热风道

即使在 75 度下工作（主板供电模块的环境温度一般不超过 60 度），固态电容也有 63000 小时寿命，而电解电容只有 16000 小时，读者们可以根据自己电脑的使用时间来计算下你的主板电容能用多长时间不***，呵呵。

有条件的话，全固态电容的主板绝对是您的最佳选择