中心论题：

• 在计算机CPU的电源线路中，当负载高速变化时会产生大的电压波动，可能会导致严重的后果
• 解决这一问题最简单最有效的方法是大量合理使用高性能去耦电容器
• PA-Cap聚合物片式叠层铝电解电容器具有很多优点，是去耦电容的最佳选择
• 通过实验对三种电容器在减小电源电压的瞬间波动的效果上进行了比较
• 经过实验证实PA-Cap电容器可以有效地抑制电源电压下降，稳定电路工作

解决方案：

• 大量合理使用高性能去耦电容器可以抑制CPU高速大负荷负载电流变化引起的瞬时电源电压波动
• 在开关电源和数字电路中选用PA-Cap电容器是最好的选择

引言
在计算机、通信、网络、数码产品和消费电子等领域中，随着超大规模集成电路技术不可避免的进一步等比缩小，集成电路的供电电压持续降低。目前供电电压降到1.05V，甚至更低，而耗散功率却有增无减，随之电流则成倍地急剧增加。以计算机为例，下表列出了历年的微处理器性能参数变化情况。
 

在个人计算机特别是笔记本电脑中，由于高速大负荷负载电流的急剧变化，使电源电压产生波动，是因为实际的电源平面总是存在着阻抗，这样，在瞬间电流通过的时候，就会产生一定的电压降和电压波动。这种电压波动会引起数字电路存储性器件中的数据意外翻转而产生误动作，其后果是十分严重的，解决这一问题是至关重要的。

目前一种方法是减小电源阻抗，然而由于非理想因素的存在，实际上电源阻抗的设计不可能十分小。而解决这一问题的最简单也最有效的方案是大量合理使用高性能去耦电容器。

一、电路的去耦电容器
去耦电容有两种作用：一是作为电路电源的蓄能，相当于起到电池的作用，提供该数字电路脉冲瞬间的充放电能，以满足电路中电流的变化需要；二是因为各部分电路共用一个电源,以消除由于电源的公共阻抗或布线电感而引起各电路相互间的耦合干扰。

普通电解电容器由于内阻大，瞬时响应慢、高频特性差，已难以适应计算机超大规模集成电路的高速大负荷负载电流变化的需求。因此，目前在计算机尤其是笔记本电脑已大量采用了高分子导电材料的聚合物电容器。

计算机的电源和CPU电源直流转换电路都采用开关电源的方式，电源输出的杂波频率都在几十KHz至几百KHz。为了实现计算机低功耗化，在其内部设置有停止时钟的电路。一旦计算机要进入休眠状态，便利用停止时钟电路，使开关电源停止工作，减少电力消耗。这样，电路将频繁地改变接通/断开的状态。为此，开关电源要具备相当快的响应速度，就必须采用电流转换能力强、高频特性好、ESR等效串联电阻低的PA-Cap聚合物片式叠层铝电解电容器作为去耦电容，减小电源电压的瞬间波动，以使计算机工作具有高稳定性和可靠性。

二、电路的三种类型电容器实验
下面在模拟计算机的CPU高速大负荷负载电流变化时的电路中，用AL液体铝电解电容器、TA片式叠层钽电解电容器和PA-Cap聚合物片式叠层铝电解电容器进行平滑电流的波动，在CPU电源与负载工作时电压变化的实验应用效果比较。

实验模拟电路如下图所示：

计算机电源与负载工作时的实验电路模型

由E、CE、rE组成模拟电源，电源电压E＝4 V，电源内阻rE＝1Ω；CT为去耦（测试）电容；
Rs为CPU休眠负载；G、RL组成模拟CPU高速大负荷电流变化的负载。

实验电路原理：
在计算机中，由于CPU工作状态通常是从休眠状态瞬间进入全部电路同时开始工作状态。电源部分对应这种负载急剧变化反映为电流不能及时供应。上图模拟了计算机的CPU电源与负载之间工作时的模拟实验电路。

电源E、CE输出4 V直流电压，经电源内阻rE降压后，在CPU休眠负载Rs上得到2.9 V的电压，Is=0.173(A)。G作为开关管，其导通或截止模拟500KHz高速大负荷电流IL=0.88(A)的负载RL接入休眠负载中，电源负载电流急剧增加5倍而引起电源电压波动。测试检验三种不同类型的CT去耦电容在瞬间释放电能供应大电流以抑制电源电压下降的能力与效果。

实验仪器：
1、 DF1731SL2A电源
2、 YB1620H DDS 数字合成函数波形发生器
3、 TDS1002 60MHZ数字示波器

实验条件：
CPU休眠时电流Is=0.173(A)
CPU负载时电流IL=0.88(A)
CPU电源休眠与负载的电流变化量为5倍
模拟CPU负载的开关频率f= 500 KHz；

实验测试方法：
将CT测试电容用液体铝电解电容器（1000μF）、固体钽电解电容器（470μF、220μF）和PA-Cap聚合物片式叠层铝电解电容器（56μF、82μF）分别接入，用数字示波器在CT电容器两端测试输出的电压波形。
实验测试波形：
1、当测试电容为(AL)液体铝电解电容器CT=1000μF ESR=56mΩ时，输出电压下跌值为232mV。


2、当测试电容为(Ta)钽电解电容器CT＝470μF ESR=149mΩ时，输出电压下跌值为292mV。


3、当测试电容为(Ta)钽电解电容器CT＝220μF ESR=73mΩ时，输出电压下跌值为172mV。


4、当测试电容采用(PA-Cap)聚合物片式叠层铝电解电容器CT＝56μF ESR=23mΩ时，输出电压下跌值为90mV。


5、当测试电容采用(PA-Cap)聚合物片式叠层铝电解电容器CT＝82μF ESR=13mΩ时，输出电压下跌值仅为66mV。


实验数据：

三、电路的实验分析：
从以上的实验波形和数据可见，用三种不同类型的去耦电容器在电路中的作用与效果：

1、AL液体铝电解电容器虽然容量大（1000μF）、ESR值较低（56 mΩ），但由于是卷绕型结构的电容器其等效串联电感ESL值大、电解液离子电导率低（λ＝0.01S/cm）, 瞬时响应慢而高频特性差导致应用效果不佳，电源电压变化值为232mV。

2、Ta固体片式钽电解电容器，其中470μF虽然容量较大，ESR值却较高（149 mΩ）而效果还不如220μF（73mΩ）的好。因此，由于ESR值较高，电容的阴极材料MnO2的电导率较低（0.1S/cm）,其高频特性不好而使得应用效果不理想，电源电压变化值达到了292mV和172mV。

3、PA-Cap聚合物铝片式叠层电解电容器，具有极低的等效串联电阻（ESR）值，采用PPY导电高分子聚合物作为电容的阴极材料，其电导率达到100S/cm, 具有快速的电流转换能力和瞬时响应能力,理想的频率特性，只要用小容量的PA-Cap(56μF)比固体钽电容（220μF、470μF）和液体铝电容（1000μF）的应用效果强数倍。

四、实验结论
在模拟计算机CPU电源的应用实验证明：为抑制CPU高速大负荷负载电流变化而引起的瞬时电源电压波动，选择λ电导率高、ESR值和ESL值低，瞬时响应能力强的作为电源补偿电容（多个并联效果更佳），对于CPU电路所用电容器的选择是十分重要的。

结语
新型电解电容器——聚合物片式叠层铝电解电容器（PA-Cap），具有高电导率，极低的等效串联电阻（ESR）值和等效串联电感（ESL）值，稳定的频率特性和温度特性，宽温长寿命高可靠性。PA-Cap聚合物片式叠层铝电解电容器应用于计算机CPU中，能在负载急剧变化时及时提供电流，抑制电源电压下降，有效地稳定电路工作。PA-Cap聚合物片式叠层铝电解电容器在数字电路的电源中使用,可以进一步提高电子整机工作性能的稳定性和可靠性。