中心論題：
- 在計(jì)算機(jī)CPU的電源線路中，當(dāng)負(fù)載高速變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的電壓波動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果
- 解決這一問(wèn)題最簡(jiǎn)單最有效的方法是大量合理使用高性能去耦電容器
- PA-Cap聚合物片式疊層鋁電解電容器具有很多優(yōu)點(diǎn)，是去耦電容的最佳選擇
- 通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)三種電容器在減小電源電壓的瞬間波動(dòng)的效果上進(jìn)行了比較
- 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)PA-Cap電容器可以有效地抑制電源電壓下降，穩(wěn)定電路工作
解決方案：
- 大量合理使用高性能去耦電容器可以抑制CPU高速大負(fù)荷負(fù)載電流變化引起的瞬時(shí)電源電壓波動(dòng)
- 在開(kāi)關(guān)電源和數(shù)字電路中選用PA-Cap電容器是最好的選擇
引言
在計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)碼產(chǎn)品和消費(fèi)電子等領(lǐng)域中，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)不可避免的進(jìn)一步等比縮小，集成電路的供電電壓持續(xù)降低。目前供電電壓降到1.05V，甚至更低，而耗散功率卻有增無(wú)減，隨之電流則成倍地急劇增加。以計(jì)算機(jī)為例，下表列出了歷年的微處理器性能參數(shù)變化情況。
| 年份 | 電壓（V） | 耗散功率（W） | 最大電流（A） | 最大電源阻抗（mΩ） | 工作頻率(MHz) |
| 1990 | 5.0 | 5 | 1 | 250 | 16 |
| 1993 | 3.3 | 10 | 3 | 54 | 66 |
| 1996 | 2.5 | 30 | 12 | 10 | 200 |
| 1999 | 1.8 | 90 | 50 | 1.8 | 600 |
| 2002 | 1.2 | 130 | 108 | 0.8 | 1200 |
| 2006 | 1.05 | 180 | 170 | 0.4 | 3200 |
在個(gè)人計(jì)算機(jī)特別是筆記本電腦中，由于高速大負(fù)荷負(fù)載電流的急劇變化，使電源電壓產(chǎn)生波動(dòng)，是因?yàn)閷?shí)際的電源平面總是存在著阻抗，這樣，在瞬間電流通過(guò)的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一定的電壓降和電壓波動(dòng)。這種電壓波動(dòng)會(huì)引起數(shù)字電路存儲(chǔ)性器件中的數(shù)據(jù)意外翻轉(zhuǎn)而產(chǎn)生誤動(dòng)作，其后果是十分嚴(yán)重的，解決這一問(wèn)題是至關(guān)重要的。
目前一種方法是減小電源阻抗，然而由于非理想因素的存在，實(shí)際上電源阻抗的設(shè)計(jì)不可能十分小。而解決這一問(wèn)題的最簡(jiǎn)單也最有效的方案是大量合理使用高性能去耦電容器。
一、電路的去耦電容器
去耦電容有兩種作用：一是作為電路電源的蓄能，相當(dāng)于起到電池的作用，提供該數(shù)字電路脈沖瞬間的充放電能，以滿(mǎn)足電路中電流的變化需要；二是因?yàn)楦鞑糠蛛娐饭灿靡粋€(gè)電源,以消除由于電源的公共阻抗或布線電感而引起各電路相互間的耦合干擾。
普通電解電容器由于內(nèi)阻大，瞬時(shí)響應(yīng)慢、高頻特性差，已難以適應(yīng)計(jì)算機(jī)超大規(guī)模集成電路的高速大負(fù)荷負(fù)載電流變化的需求。因此，目前在計(jì)算機(jī)尤其是筆記本電腦已大量采用了高分子導(dǎo)電材料的聚合物電容器。
計(jì)算機(jī)的電源和CPU電源直流轉(zhuǎn)換電路都采用開(kāi)關(guān)電源的方式，電源輸出的雜波頻率都在幾十KHz至幾百KHz。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)低功耗化，在其內(nèi)部設(shè)置有停止時(shí)鐘的電路。一旦計(jì)算機(jī)要進(jìn)入休眠狀態(tài)，便利用停止時(shí)鐘電路，使開(kāi)關(guān)電源停止工作，減少電力消耗。這樣，電路將頻繁地改變接通/斷開(kāi)的狀態(tài)。為此，開(kāi)關(guān)電源要具備相當(dāng)快的響應(yīng)速度，就必須采用電流轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)、高頻特性好、ESR等效串聯(lián)電阻低的PA-Cap聚合物片式疊層鋁電解電容器作為去耦電容，減小電源電壓的瞬間波動(dòng)，以使計(jì)算機(jī)工作具有高穩(wěn)定性和可靠性。
二、電路的三種類(lèi)型電容器實(shí)驗(yàn)
下面在模擬計(jì)算機(jī)的CPU高速大負(fù)荷負(fù)載電流變化時(shí)的電路中，用AL液體鋁電解電容器、TA片式疊層鉭電解電容器和PA-Cap聚合物片式疊層鋁電解電容器進(jìn)行平滑電流的波動(dòng)，在CPU電源與負(fù)載工作時(shí)電壓變化的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用效果比較。
實(shí)驗(yàn)?zāi)M電路如下圖所示：
計(jì)算機(jī)電源與負(fù)載工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)電路模型
由E、CE、rE組成模擬電源，電源電壓E＝4 V，電源內(nèi)阻rE＝1Ω；CT為去耦（測(cè)試）電容；
Rs為CPU休眠負(fù)載；G、RL組成模擬CPU高速大負(fù)荷電流變化的負(fù)載。
實(shí)驗(yàn)電路原理：
在計(jì)算機(jī)中，由于CPU工作狀態(tài)通常是從休眠狀態(tài)瞬間進(jìn)入全部電路同時(shí)開(kāi)始工作狀態(tài)。電源部分對(duì)應(yīng)這種負(fù)載急劇變化反映為電流不能及時(shí)供應(yīng)。上圖模擬了計(jì)算機(jī)的CPU電源與負(fù)載之間工作時(shí)的模擬實(shí)驗(yàn)電路。
電源E、CE輸出4 V直流電壓，經(jīng)電源內(nèi)阻rE降壓后，在CPU休眠負(fù)載Rs上得到2.9 V的電壓，Is=0.173(A)。G作為開(kāi)關(guān)管，其導(dǎo)通或截止模擬500KHz高速大負(fù)荷電流IL=0.88(A)的負(fù)載RL接入休眠負(fù)載中，電源負(fù)載電流急劇增加5倍而引起電源電壓波動(dòng)。測(cè)試檢驗(yàn)三種不同類(lèi)型的CT去耦電容在瞬間釋放電能供應(yīng)大電流以抑制電源電壓下降的能力與效果。
實(shí)驗(yàn)儀器：
1、 DF1731SL2A電源
2、 YB1620H DDS 數(shù)字合成函數(shù)波形發(fā)生器
3、 TDS1002 60MHZ數(shù)字示波器
實(shí)驗(yàn)條件：
CPU休眠時(shí)電流Is=0.173(A)
CPU負(fù)載時(shí)電流IL=0.88(A)
CPU電源休眠與負(fù)載的電流變化量為5倍
模擬CPU負(fù)載的開(kāi)關(guān)頻率f= 500 KHz；
實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法：
將CT測(cè)試電容用液體鋁電解電容器（1000μF）、固體鉭電解電容器（470μF、220μF）和PA-Cap聚合物片式疊層鋁電解電容器（56μF、82μF）分別接入，用數(shù)字示波器在CT電容器兩端測(cè)試輸出的電壓波形。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形：
1、當(dāng)測(cè)試電容為(AL)液體鋁電解電容器CT=1000μF ESR=56mΩ時(shí)，輸出電壓下跌值為232mV。
2、當(dāng)測(cè)試電容為(Ta)鉭電解電容器CT＝470μF ESR=149mΩ時(shí)，輸出電壓下跌值為292mV。
3、當(dāng)測(cè)試電容為(Ta)鉭電解電容器CT＝220μF ESR=73mΩ時(shí)，輸出電壓下跌值為172mV。
4、當(dāng)測(cè)試電容采用(PA-Cap)聚合物片式疊層鋁電解電容器CT＝56μF ESR=23mΩ時(shí)，輸出電壓下跌值為90mV。
5、當(dāng)測(cè)試電容采用(PA-Cap)聚合物片式疊層鋁電解電容器CT＝82μF ESR=13mΩ時(shí)，輸出電壓下跌值僅為66mV。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：
| CT電容器種類(lèi) | C（μF） | λ(S/cm) | ESR（mΩ） | ΔV（mV） |
| AL液體鋁電解電容器（插式) | 1000 | 0.01 | 56 | 232 |
| Ta固體鉭電解電容器（片式） | 470 | 0.1 | 149 | 292 |
| Ta固體鉭電解電容器（片式） | 220 | 0.1 | 73 | 172 |
| PA-Cap聚合物鋁電解電容器（片式） | 56 | 100 | 23 | 90 |
| PA-Cap聚合物鋁電解電容器（片式） | 82 | 100 | 13 | 66 |
三、電路的實(shí)驗(yàn)分析：
從以上的實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)可見(jiàn)，用三種不同類(lèi)型的去耦電容器在電路中的作用與效果：
1、AL液體鋁電解電容器雖然容量大（1000μF）、ESR值較低（56 mΩ），但由于是卷繞型結(jié)構(gòu)的電容器其等效串聯(lián)電感ESL值大、電解液離子電導(dǎo)率低（λ＝0.01S/cm）, 瞬時(shí)響應(yīng)慢而高頻特性差導(dǎo)致應(yīng)用效果不佳，電源電壓變化值為232mV。
2、Ta固體片式鉭電解電容器，其中470μF雖然容量較大，ESR值卻較高（149 mΩ）而效果還不如220μF（73mΩ）的好。因此，由于ESR值較高，電容的陰極材料MnO2的電導(dǎo)率較低（0.1S/cm）,其高頻特性不好而使得應(yīng)用效果不理想，電源電壓變化值達(dá)到了292mV和172mV。
3、PA-Cap聚合物鋁片式疊層電解電容器，具有極低的等效串聯(lián)電阻（ESR）值，采用PPY導(dǎo)電高分子聚合物作為電容的陰極材料，其電導(dǎo)率達(dá)到100S/cm, 具有快速的電流轉(zhuǎn)換能力和瞬時(shí)響應(yīng)能力,理想的頻率特性，只要用小容量的PA-Cap(56μF)比固體鉭電容（220μF、470μF）和液體鋁電容（1000μF）的應(yīng)用效果強(qiáng)數(shù)倍。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
在模擬計(jì)算機(jī)CPU電源的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)證明：為抑制CPU高速大負(fù)荷負(fù)載電流變化而引起的瞬時(shí)電源電壓波動(dòng)，選擇λ電導(dǎo)率高、ESR值和ESL值低，瞬時(shí)響應(yīng)能力強(qiáng)的作為電源補(bǔ)償電容（多個(gè)并聯(lián)效果更佳），對(duì)于CPU電路所用電容器的選擇是十分重要的。
結(jié)語(yǔ)
新型電解電容器——聚合物片式疊層鋁電解電容器（PA-Cap），具有高電導(dǎo)率，極低的等效串聯(lián)電阻（ESR）值和等效串聯(lián)電感（ESL）值，穩(wěn)定的頻率特性和溫度特性，寬溫長(zhǎng)壽命高可靠性。PA-Cap聚合物片式疊層鋁電解電容器應(yīng)用于計(jì)算機(jī)CPU中，能在負(fù)載急劇變化時(shí)及時(shí)提供電流，抑制電源電壓下降，有效地穩(wěn)定電路工作。PA-Cap聚合物片式疊層鋁電解電容器在數(shù)字電路的電源中使用,可以進(jìn)一步提高電子整機(jī)工作性能的穩(wěn)定性和可靠性。
