何谓军规标准 揭秘板卡新型供电元器件

乐叔

      无需多言，稳定是每一个用户对电脑最基本的要求。无论是想将电脑用于3D游戏还是普通的文字工作、高清播放，一切的应用都必须建立在电脑稳定工作的前提下。因此我们可以看到，为了让用户使用得更放心，并减少产品的返修率，不少厂商早已发起了一场增强板卡稳定性的革命，在主板、显卡上，采用各式各样的新形态电容、电感取代了传统的裸露电感与液态电容。近来，这种势头更有愈演愈烈之势，部分厂商甚至在板卡产品上采用了一些达到军规级标准的元器件。那么什么是军规级标准？采用此类元件对增强板卡产品工作的稳定性有无好处？带着这些疑问，我们特别连线微星科技大陆区技术部顾问崔庆礼老师，一起对以上问题进行了探讨。
崔庆礼，微星科技大陆区技术部顾问。
        崔老师1970年毕业于北京大学息管理系。1978年起在辽宁省科技情报研究所从事计算机情报检索系统研究。期间曾在南京大学、中科院计算所以及联合国科教文组织的情报研修班进修计算机硬件设计、系统设计与分析、程序设计与编程技巧。1998年受邀到微星科技大陆区做技术支持工程师，现为微星科技大陆区技术部顾问。
        MC：要让板卡产品更稳定地工作，通常在设计之初需要考虑哪些方面的因素？
        崔：所谓板卡就是通过PCB把芯片组、CPU、内存和周边设备，以及供电模组连接在一起，使这些设备能够协同工作的平台。让板卡产品稳定工作的条件有PCB布线合理，降低EMI干扰，元件品质优良等要素，而让CPU、内存、芯片组以及周边设备的供电电流洁净和稳定是板卡厂商提高板卡稳定性的重中之重。我们知道主板上的供电电路其实就是DC-DC(直流-直流)变压器，将来自机箱电源的DC供电转换成CPU、内存、芯片组以及周边设备所需要的DC电压和洁净电流。然而目前板卡上的DC-DC转换电路理论已经很成熟，PCB布线也很成熟，能够提高供电质量的最有效手段就是采用品质更优良的新元件。如微星科技目前已在部分板卡产品的供电电路上采用了超级亚铁盐电感、冰魄电感、SCC固态静音电感、固态聚合物钽电容、军工级固态电容等达到军规标准的新一代高品质元件。
        MC:那么什么是军规标准？以上这些电感、电容与普通元件有什么差别？
        崔：所谓军规级标准就是指这些元器件可以用于航空航天及其它环境苛刻的军事领域，并符合美国国防部MIL-PRF-39003L标准中的工作温度要求。举例来说，固态聚合物钽电容的耐温值可达125℃，在85℃的高温状态下拥有20年的寿命，而阳极为铝的军工级固态电容在80℃下也拥有长达10年的寿命。因此它们具备更好的耐高温特性，可以增强供电电路的工作稳定性与寿命。接下来让我重点为大家谈谈这类电感、电容与普通产品的不同。
        普通电感是用漆包线、纱包线或塑皮线等在绝缘骨架或磁芯、铁芯上绕制成的一组串联的同轴线圈，线圈裸露在外，也叫开放式电感。由于电感会产生磁场，因此开放式电感的磁场会对周围的电路产生干扰，所以为了降低磁泄露，增强电路工作稳定性，厂商会用铁片或软磁材料把电感线圈屏蔽起来，这就是屏蔽式电感。不过单纯的屏蔽式电感也不能满足电感稳定工作的需求，因为电感磁芯材料还有一个重要参数：居里点。
        19世纪末，著名物理学家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫居里点。而当电感的温度达到或接近它的居里点时，磁通密度、磁导率等物理特性都要消失，电感就会失效，造成处理器损毁。例如大部分普通电感会采用锰锌铁氧体作为磁芯，而它的居里点是215℃，如果机箱内环境温度是50℃，电感的温升必须低于165℃，对于经常在高温环境下工作的电脑来说，这类电感的可靠性并不能让人放心。因此一些厂商也开始采用新型材料研发的磁芯，如微星板卡采用的超级亚铁盐电感(SFC Choke)不仅采用低电阻设计，而且其磁芯和磁罩采用新型复合镍锌铁氧体(FERRITE)材料，其居里点达到350℃～450℃，因此有更好的抗高温特性，在磁通密度和磁导率上也高于一般铁芯电感。       此外为增强电感的散热能力，降低电感的温度，我们还可以对屏蔽式电感的外壳进行改造，如微星最近推出的冰魄电感(Icy Choke)在超级亚铁盐电感的基础上还对屏蔽罩采用了144小时抛光工艺，使电感外罩平如镜面，增强了它与空气的热交换能力。总的来看，这两种电感都是通过改良磁芯和磁屏蔽罩，降低温度提高电感的稳定和增加磁通量，属于增强电感自身性能的改良。不过对于用户来说，要想用的更舒心，我们还需要额外的设计，让电感工作得更“环保”。

与普通屏蔽式电感相比，冰魄电感的表面更光滑，更有利于散热。

        相信一些人在使用一些高端显卡时，曾被高频噪音所困扰，然而这些噪音并不是来源于风扇或其它哪个元件，而正是由于电感所带来的电感噪声。电感噪声是由电流所衍生的旋量电磁场，经由电感磁芯而流过相对等之磁通，就容易因磁力线之最短路径效应，而让电感内的磁芯与线圈间产生吸引与排斥效应，并引发线圈振动，产生高频噪声。虽然普通电感内会灌入强力胶粘着线圈，但经过波峰焊，以及不同材料膨胀系数差别而出现的微裂间隙，也令线圈能够活动。因此微星已在显卡上采用了SSC固态静音电感，该电感本身是一体成型的设计，线圈与磁外罩烧结成一个整体。经波峰焊接后，也不会出现微裂间隙，所以不会产生高频振动噪声。最后再让我们来谈谈军工级电容中的明星产品：固态聚合物钽电容。

SSC固态静音电感的线圈与磁外罩被烧结成一个整体，避免电感噪音的出现。

        我们知道电容最根本的功能是存储电能。因此，一个完美的电容，自身不应产生任何能量损失。但是，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗，以及其它各种原因导致电容并不“完美”。从电容外部看，这个损耗的表现就像一个电阻跟电容串联在一起，所以就叫做“等效串联电阻（ESR）”。ESR的存在会导致电容器两端的电压产生突变，而电压突变就会降低电容的滤波效果。在振荡电路等场合，ESR也会引起电路在功能上发生变化，引起电路失效甚至损坏等严重后果。

固态聚合物钽电容的结构与用料令它拥有更好的导电效率，更低的ESR。

        因此要让电容工作的更稳定，关键因素就是降低它的ESR。而要降低ESR，则需要厂商对电容阳极、电介质、电解质三个组成部分采用更先进的材料来制造。如微星最近在部分板卡上采用的固态聚合物钽电容(简称Hi-C电容)在材料上与普通的固态铝电容、钽电容明显不同。其阳极是烧结钽，电介质是氧化钽，电解质为高导电聚合物。与普通钽电容采用的二氧化锰电解质相比，其采用的高导电聚合物电解质导电率达到100s/M，是二氧化锰的1000倍、电解液电容的一万倍，其不到5mΩ的ESR比这两类电解质低很多，并且没有爆炸的危险。而相对于阳极为铝的固态电容来说，由于钽的介电能力比铝要高，因此在同样容量的情况下，固态聚合物钽电容的体积能比固态铝电容做得更小。同时再加上钽的熔点比铝高出很多，耐高温性更好，所以可以更多地用在那些空间狭小、环境苛刻的供电电路里。
        由于数字供电电路仍存在PWM调整时间长、工作效率偏低等缺点，因此模拟或数字+模拟的混合式供电电路仍是目前板卡产品采用的主要设计方式。而要想在这两类供电电路上获得稳定性的提升，无疑在现有供电电路基础上采用更优质的元件将是最快、最有效的一种方法。同时随着大功耗多核处理器的普及、高性能图形核心的诞生，它们也对目前使用的各型元件提出了新挑战。因此在售价差不多的情况下，选择采用新型供电元件的产品将是明智的做法。

目前没什么突破性的发展