主板显卡的电容知识

2011-09-16 17:04:06来源: 互联网

主板显卡电容知识

作为DIY玩家,我们在关注一款显卡时,通常特别在意显卡的核心、显存、频率规格、散热器、价格等等,这些配件和参数都很直观、也很容易理解。可相当一部分人会忽略显卡的做工、用料,因为这两方面是相对来说的,主观成分比较多,而且与显卡的性能无关。 
    很多时候媒体在报道一款显卡的时候,也没有更多的形容词来描述,说来说去也就是“做工扎实、不惜工本、用料豪华等”,那么什么样的显卡才叫做工扎实、用料豪华呢?这个显然没有跑3DMark统计分数那么简单,一般来说做工主要针对显卡的PCB设计,而用料则是反映PCB上电容、电感等元件。


    很多厂商都会采用NV/ATI提供的公版PCB,公版的做工自然无需怀疑,至于非公版就需要仔细审查,到底是为了强化功能而开发、还是为了降低成本而开发?当各家的PCB完全相同时,那么PCB上的元件用料好坏就非常重要了,看似不起眼的电容成为了大家所关注的对象,也成为一些厂商划分档次、或者说是缩水的重要手段!


    于是在报道显卡时,电容的规格、品牌和特点成为重点介绍对象,但由于电容的特殊性,很多人包括编辑都缺乏了解,很多网站在介绍显卡的用料时都存在一些不懂装懂、模棱两可或者说是误导读者的行为!比如通常所说的固态电容、电解电容、铝壳电容、贴片电容其实说的是同一种电容(是不是很惊讶?)



    当然也有些稍微懂电容知识的网友,往往会在文章评论中争得面红耳赤,结果证明大家都是半瓶水,只知其一不知其二。为此,笔者特意搜集了很多有关电容的资料,并且咨询了业内相关专业人士,组织了本文供广大网友参考,帮助大家更深层次的了解显卡在生产制造中不为人知的秘密……
    几年前行业内有一句话非常流行:“做显卡就是玩显存!”这是因为显存对显卡的性能影响非常大,而且高速显存的成本不低,通过显存来划分档次、加强超频的做法非常流行。如今主流GDDR3显存的速度已经接近极限,当大家都使用了1.0ns显存之时,通过显存来体现差异化的做法已然过时。



    就拿时下最流行的8600系列显卡来,采用P401公版设计的显卡大都标配1.0ns显存颗粒,规格都是256MB 128Bit,默认频率在理论的2000MHz左右。那么不同厂商的显卡究竟有什么差异呢?难道仅仅是一个商标而已?仔细观察下面的图片,您就可以发现一些不同之处了:


   





   





   





   



    虽然这么多品牌都采用了完全相同的公版PCB,但用料方面还是有差异的,除了散热器可以随便更换之外,原来电容也可以有很多种组合方式。
    对于显卡厂商来说,无论采用公版PCB还是自行研发的非公版PCB,一旦方案确定下来那么PCB的成本就是个固定值,另外GPU和显存这两大核心部件并不受厂商控制,只有电容可以“随意”更改。所以大家可以看到不同厂商的显卡,电容并不相同。而且同一厂商不同型号、不同批次出货的显卡用料不尽相同,有些可能是采购方面的原因,而有些则是为了降低成本刻意缩水!



    对于显卡本身来说,80%的成本都用来采购GPU、显存和散热器,电容虽然在显卡成本中所占比例不多(中端显卡大概几十块钱),但是弹性却非常大,您可能不知道不同电容之间的成本差距可以达到十倍以上!通过降低电容档次可以将几颗显存的成本节省出来!这在如今显卡业微利时代来说,对于显卡厂商有不小的诱惑力,因此缩水电容便成为降低显卡成本的重要手段,也是划分不同型号档次的重要方法之一。
    接下来就从了解基础知识开始,带大家进入电容的世界!
    “这显卡用的是高档铝壳电容,肯定比电解电容好”,“这是贴片电容,比固态电容还要强!”当您被某些网站或者JS忽悠得晕头转向的时候,有没有想过其实他们也是外行?正所谓外行人看热闹,内行人看笑话,这种说法虽然很可笑,但是你听不出来,因为你不了解电容。
    出现这些说法的主要原因是电容的种类实在太多了,而且分类方式往往会交叉重叠,很容易很混淆是非黑白。因此这里首先对电脑配件常用的电容进行系统的分类,以正视听!
● 什么叫电容?
    电容就是两块导体中间夹着一块绝缘体构成的电子元件,就像汉堡一样。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。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。



电容的电路符号揭示了其基本构造
    电容虽小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。日本和美国是电容设计研究能力最强的两个国家,其高档产品的设计制造要求甚至不亚于CPU!
    当大家听到“某显卡使用了日系某某高档电容”这样的话时,不要感到奇怪,因为人家的技术就是牛。我国大陆以及台湾地区的电容产量不低,但其质量和性能与美日电容相比还有很大的距离,所以国产电容往往只能用在中低端产品之上。
● 电容的用途十分广泛:
    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:这个对板电脑配件而言很重要,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闭半导体开关元件。
    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、UPS等等。
● 电容的分类
    电容就是两块导体(阳极和阴极)中间夹着一块绝缘体(介质)构成的电子元件,由于其结构的特殊性,所以分类方式也有好多种,通常按照介质、阳极、阴极和工艺这四种分类方式,而且各种分类方式互相交叉重叠,可以说比较混乱:



电容的分类很复杂,以上只罗列了板卡中常见的一些类型
    上表是一个简单的、并不完整的电容分类表,主要列举了一些在板卡设备上最常见的电容类型,通过这个直观的树型表可以对电容的分类、命名方式有一个直观的认识。
    比如说常见的直立电容几乎都是铝电解电容,所谓的固态电容和液态电容都属于铝电解电容的一种。固态电容是按照阴极材料区分的,主要是有机半导体和高分子聚合物这两种,其阳极材料还是铝。
    接下来就为大家详细介绍各种电容的特性及优缺点。
    接上页的分类表,开始详细介绍各类电容的特性和优缺点。首先按照介质的不同分为无机电容、有机电容和电解电容三大类:
● 无机介质电容器:
    无机电容主要有陶瓷电容和云母电容,其基本结构就是在陶瓷片或者云母片的两面电镀金属材料比如银,电脑配件中陶瓷电容很常见。
    陶瓷电容性质非常稳定、高频性能很好、无极性、耐压、耐热、低阻抗、体积小,综合性能好因此使用非常广泛,它可以应用在GHz级别的超高频器件上,比如军用雷达、电磁干扰发射器等精密仪器,当然CPU、GPU、Chipset表面也只能使用陶瓷电容。


   



CPU背面、GPU表面和GPU四周PCB上的小颗粒都是陶瓷电容
    陶瓷电容之所以如此普及,这是因为能够在超高频率下正常工作的也只有陶瓷电容。所以我们可以看到,在主板CPU插槽四周/背面,显卡GPU四周/背面,还有内存、显存、芯片组、PCI-E插槽等,凡是高频器件周围都会有密密麻麻的陶瓷电容!



数字供电主要依靠高性能的多层陶瓷电容
    但是,陶瓷电容的价格比较昂贵,而且容量有限,因此不适合作为供电模块的滤波电容。不过近年来随着技术的发展,高档数字供电主控芯片也可以使用大量多层陶瓷电容,这可以让抗干扰能力、稳定性和转换效率都得到大幅提高!
● 有机介质电容器:
    薄膜电容就是典型的有机电容,音箱、收录机上很常见:



常见的薄膜电容
    薄膜电容的基本构造就是2层聚丙乙烯塑料和2层金属箔膜交替夹杂然后捆绑而成。这种电容的介质为高分子有机物,所以统称为有机电容,其特点与陶瓷电容类似,无极性、无感、高频特性好、体积小、耐压,但也同样存在容量不大、成本较高的缺点,另外它的介质是有机物,因此耐高温能力一般。
● 电解电容器:
    电介质的材料除了无机物就是有机物,为什么还会单独分出一个电解电容来呢?这是因为无机电容和有机电容的绝缘材料在生产时就已确定,比如陶瓷、云母、塑料等。而电解电容的绝缘材料是在生产时通过化学反应生成的,比如铝片浸泡酸性溶液(电解液)通过电化学腐蚀之后,电容两极的有效表面积成倍增加,再加上电解液和金属之间的介质氧化膜非常薄,因此容量可以做到很大!虽然电解电容的介质也是无机物,但它与无机电容还是有本质区别的。



电解电容的阳极为金属箔,阴极一般是电解液,介质为金属氧化物
    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。



大大小小的电解电容
    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。
    电解电容特点二:额定的容量可以做到非常大,大型电解电容可以做到几万μf甚至几f(但不能和多电层电容相比)。
    电解电容特点三: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,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。基本上,有电源的设备都会使用到电解电容,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。
    电解电容成本低,但是它的结构却非常复杂的,通过阳极和阴极的不同可以划分为好多种,接下来就专门介绍板卡设备常用的几种电解电容。
    电解电容的分类,传统的方法都是按阳极的材质分,比如铝、钽、铌等金属,其中铌电容很少见,板卡上最常用的还是铝电容和钽电容,相信很多人都比较耳熟。
● 铝电解电容
    各种电解电容的外观差异很大,但不管贴片工艺还是直插式(后文会有详细介绍),或者有塑料表皮的“包皮电容”,只要它们的阳极材质是铝,那么肯定就是铝电解电容。但是很多人可能受到误导以为只有“包皮电容”才是电解电容。


   



都是“铝壳”,一个贴片一个插件,一个固态一个液态


   



都是“包皮”插件式,一个固态一个液态
    总的来说,电容的封装方式和电容的品质本身并无直接联系,电解电容的性能只取决于具体型号。由于铝电解电容又可以分为好多种,因此其特性会在后文中详加介绍。
● 钽电解电容
    阳极使用金属钽的话,就是通常所说的钽电容,很多人看到这种黄豆状的小电容就会惊呼“这个显卡做工真不错!”的确如此,因为之前只有高端显卡才会不惜成本使用钽电容。


   



    X800时代ATI就大量使用钽电容(左图黑条状)为核心/显存供电;从X1800时代开始,ATI在核心/显存供电部分使用了多层陶瓷电容,钽电容(右图黄豆状)用来给附加功能芯片供电。NVIDIA 8800系列显卡的供电部分所用电容为铝固态电容和钽电容的组合。


   



8800GTS和HD2600XT也使用了钽电容和铝固态电容的搭配
    钽电解电容的体积很小,都使用贴片式安装,其外壳一般用树脂封装。但要注意的是,钽电容的阳极是钽,阴极也是电解质,因此钽电容也属于很多人所瞧不起的“电解电容”,关键是电解电容这个分类太大了!
    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。像上图中的黑色与黄色小方块,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。
    以往传统的看法是钽电容性能比铝电容好,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(ε)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。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。
    电解电容的阳极有很多种,但常见的只有金属铝和金属钽,而阴极是电解质,其成分非常复杂,不同的电解质对电容的性能影响非常大,成本也有天壤之别,所以需要重点介绍!
● 电解液(铝-电解液电容)
   电解液是最传统的电解质,电解液是由GAMMA丁内酯有机溶剂加弱酸盐电容质经过加热得到的。我们所见到的普通意义上的铝电解电容的阴极,都是这种电解液。



曾经名噪一时的高端铝电解液电容——红宝石MCZ
    使用电解液做阴极有不少好处。首先在于液体与介质的接触面积较大,这样对提升电容量有帮助(动辄1500μf)。其次是使用电解液耐高温能力不错,可使用SMT工艺,同时耐压性也比较强。此外,使用电解液做阴极的电解电容,当介质被击穿之后,只要击穿电流不持续,那么电容能够自愈(金属氧化物可以自动生成)。
    但电解液电容也有其不足之处。首先是在高温环境下容易挥发、渗漏,对寿命和稳定性影响很大,在高温高压下电解液还有可能瞬间汽化,体积增大引起爆炸(就是我们常说的爆浆);其次是电解液所采用的离子导电法其导电率很低,只有0.01S/CM(电导率,欧姆的倒数),这造成电容的ESR值(等效串联电阻,阻抗)特别高。
    阳极为铝、阴极为电解液的电容,其正式名称是铝电解液电容,因为有液体存在,所以被称为“液态”电容,因为太过常见所以被称为“普通”电解电容。接下来的电容就不“普通”了,也全都是“固态”电容。
● 二氧化锰(钽-二氧化锰电解电容)
    二氧化锰通常是钽电容所使用的阴极材料,所以那些黑条或者黄豆状钽电容的正式名称是“钽-二氧化锰电解电容”,它不存在电解液,当然属于“固态”电容。
    固体二氧化锰的传导方式为电子导电,导电率是电解液离子导电的十倍(0.1S/CM),所以ESR比电解液低。一般来说钽-二氧化锰电解电容比铝电解液电容好得多,同时固体电解质也没有泄露或爆浆的危险。此外二氧化锰的耐高温特性也比较好,能耐的瞬间温度在500度左右。



所有电解电容都不容许将极性接反
    二氧化锰的缺点在于在极性接反的情况下容易产生高温,在高温环境下释放出氧气,同时五氧化二钽介质层发生晶质变化,变脆产生裂缝,氧气沿着裂缝和钽粉混合发生剧烈爆炸!另外二氧化锰阴极材料的价格也比较贵。
    传统上认为钽电容比铝电容性能好 主要是由于钽加上二氧化锰阴极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。如果把铝电解液电容的阴极更换为二氧化锰,那么它的性能其实也能提升不少。 
    钽-二氧化锰电解电容按照特性来说,其应用方式介于陶瓷电容和直立电容之间,因为它的体积只是略大于陶瓷电容,但容量却要大很多几乎快赶上直立铝电解电容了,因此在一些必须使用大电容、但却体积有限的地方,一般都会使用钽电容。比如板卡PCB背面、散热器下面都不允许使用直立电容,而钽电容则正好合适。
● TCNQ(铝-有机半导体电解电容)
    TCNQ(四氰基对醌二甲烷)是一种有机半导体,它和金属结合后能生成金属有机络合盐。TCNQ的用途非常广泛,在电容方面的应用,是在90年代中后期才出现的,它的出现代表着电解电容技术革命的开始。



四颗紫皮电容就是铝-TCNQ电解电容
    TCNQ是一种有机半导体,因此使用TCNQ的电容也叫做有机半导体电容,例如早期的三洋OSCON产品。TCNQ的出现,使电解电容的性能可以直接挑战传统陶瓷电容霸占的很多领域,电解电容的工作频率由以前的20KHz直接上升到了1MHz。TCNQ的出现,使过去按照阳极划分电解电容性能的方法也过时了。因为即使是阳极为铝的铝电解电容,如果使用了TCNQ作为阴极材质的话,其性能足以和传统钽-二氧化锰电容相提并论。TCNQ的导电方式也是电子导电,其导电率为1S/CM,是电解液的100倍,二氧化锰的10倍。
    使用TCNQ作为阴极的有机半导体电容,其性能很稳定,成本相对较低。不过它的热阻性能不好,其熔解温度只有230-240摄氏度,所以有机半导体电容一般很少用SMT贴片工艺制造,因为无法通过高温波峰焊工艺,所以我们看到的有机半导体电容基本都是插件式安装的。TCNQ还有一个不足之处就是对环境的污染。由于TCNQ是一种氰化物,在高温时容易挥发出剧毒的氰气,因此在生产和使用中会有限制。
    总的来说,TCNQ让传统铝电解电容重获新生,性能、稳定性都获得提高,也让大家意识到在直立电容当中,“固体”电容就是比“液体”电容好。但由于TCNQ有毒而且无法使用SMT全自动焊接工艺,因此使用率越来越低,被性能更好的固体聚合物所代替!
    如果说TCNQ是电解电容革命的开始,那么革命成功的主角当属PPY(聚吡咯)以及PEDT这类固体聚合物导体。
● 固体聚合物导体(铝-固体聚合物导体电容)
    70年代末人们发现,使用搀杂法可以获得优良的导电聚合物材料,从而引发了一场聚合物导体的技术革命。1985年,日本首次开发了聚吡咯膜(PPY),如果使用复合法的话,可以使其导电率达到铜和银的水平,但它又不是金属而相当于工程塑料,附着性比金属好,同时价格也比铜和银低很多,此外,在受力情况下,其导电率还会产生变化(其特性很像人的神经系统)。这无疑是电容研发者梦寐以求的阴极材质。
    2000年,两位美国科学家和一位日本科学家因为发明了大规模制造PPY聚吡咯膜的方法,从而分享了当年的诺贝尔化学奖,固体聚合物导体的重要性可见一斑!聚吡咯的用途非常广泛,从隐形战斗机到人工手,以及显示器和电池、电容等等。聚吡咯的研发实力,可以反映出一个国家的化工水平,我国西安交通大学和成都电子科技大学在这方面比较突出。



8800GTS上一排整齐的三洋SVP铝-固体聚合物导体电容
    当然,电容阴极只是聚吡咯很小的一个应用领域,但它却让电解电容的性能得到再次飞跃式提升!使用PPY(聚吡咯)和PEDT(聚3,4-乙烯二氧噻吩)做为阴极材料的电容,叫做固体聚合物导体电容。其电导率可以达到100S/CM,这是TCNQ盐的100倍、二氧化锰的1000倍、电解液的10000倍!而且固体聚合物导体没有污染,可以忍耐300度以上的高温,因此可以使用SMT贴片工艺安装,也适合大规模生产。



三洋CVEX 固体聚合物导体+电解液混合电容 注意防爆槽
    固体聚合物导体电容的安全性较好,当遇到高温的时候,电解质只是熔化而不会产生爆炸,因此它不像普通铝电解液电容那样开有防爆槽(三洋有一种CVEX电容,阴极为固体聚合物导体加电解液的混合型,因此也有防爆槽)。固体聚合物导体电容的缺陷在于其成本昂贵,同时耐电压性能不强。



8800Ultra显卡,使用了陶瓷电容、钽电容和固体聚合物电容
紫色为三洋、红色富士通,都是铝-固体聚合物导体电解电容
    在NVIDIA最强的8800Ultra显卡上,就使用了三洋和富士通的16V 180uf的固体聚合物导体电容。可能很多“高手”对此不屑一顾,说16V算什么?可怜的180uf容量又算什么?和动辄1500uf的铝电解液电容如何比?16V 180uf这个参数确实不算什么,但是在16V的电压下,其超低ESR性能不是一般电解液电容所能达到的,因此固体聚合物电容才被应用到8800Ultra这种超大功率的顶级显卡上!
● 电容的阴/阳极可以随便组合!

    通过前面的介绍可以发现,电解电容之间的区别主要在阳极和阴极上面,理论上来说,使用不同的阳极和阴极材料可以组合成多种规格的电解电容。
    比如通常所说的钽电容的阴极一般是二氧化锰,不过新型的钽电容也能够在阴极使用PPY和PEDT这类固体聚合物导体,因此性能进步很多,也没有以往二氧化锰阴极易爆炸的危险。如今最好的钽-聚合物电容的ESR可以达到5毫欧姆。这类性能高、体积小的钽聚合物电容一般使用在手机、数码相机等一些对体积要求较高的设备上。
    经常有文章介绍产品时会指出,某某显卡全部使用了高档的贴片电容、豪华供电、做工一流,而中低端显卡则大量使用普通的直插电容。那么贴片电容和插件电容的区别是什么呢?
● 贴片和插件的根本区别在于安装工艺
    无论是插件式还是贴片式的安装工艺,电容本身都是直立于PCB的,根本的区别方式是SMT(Surface Mount Technology,表面贴装技术,俗称贴片工艺)安装的电容,有黑色的橡胶底座:



[/url]
[url=http://www.pcpop.com/doc/App/208790/000552314.html]



    贴片电容为什么要安装橡胶底座呢?因为这样表面焊接的电容引脚和PCB结合会更加稳固。另外,从SMT的字面意思就可以理解,表面焊接的焊点在PCB正面,引脚不会穿透PCB;而插件电容的引脚要穿透PCB,焊点在PCB的背面。



    由上图可以看出,贴片电容也可以改装成直插电容使用,为什么要改装呢?这是因为很多DIY玩家喜欢自己改造主板或者显卡,直插电容可以用电烙铁手工焊接,而贴片电容只能使用昂贵的贴片机进行焊接。



    这个道理对于工厂同样适用,有实力的大型代工厂为了提高产能,必然会购置多台SMT贴片机扩充生产线,因此其显卡多采用贴片电容进行全自动安装。而小厂无力购买贴片机或者贴片机数量有限,只用于安装必不可少的贴片小电阻小电容之类的,所以其电容多为直插式。
    另外必须要了解的是,欧美工厂的机械成本低而人工比较贵,所以大部分倾向于SMT贴片制造。而国内工厂的人工很便宜,所以厂商更愿意使用插件式安装。当然插件式多用于中低端显卡,高端显卡为了保证质量会尽量避免人工焊接!
● 贴片和插件的优缺点
    通过上面的介绍大家可以很容易了解到,插件的优势就是设备要求不高,人力成本低;而贴片的优势就是全自动化流水线作业,产能高、精度高,而且贴片电容在运输途中不像插件式那样容易受损。

关键字:主板  显卡  电容

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0916/article_11774.html
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