AI服务器（搭载大算力芯片）的运行环境极其恶劣。GPU满载时，VRM（电压调节模块）区域的实测温度常态化达到 85°C ~ 95°C。在此工况下，供电电路必须满足两大苛刻条件：

1. 瞬态响应快： GPU电流瞬间跳变极大（从几十安培到几百安培）。

2. 热稳定性强： 电容必须在接近沸点的温度下，长期承受巨大的纹波电流而不失效。

纹波电流、ESR、损耗角正切，这些参数其实都只关乎一个问题——电容的发热。

纹波电流是什么？在直流电源电路中，由于工况的变化，电压并不是一条完美的直线，而是会有微小的波动。当电压波动时，电容会不断地进行充电（当电压高时吸入电荷）和放电（当电压低时放出电荷）来试图把电压“拉平”，即纹波。 这种为了稳压而不断进出电容的交流电流，就是纹波电流。

电容的纹波电流降额通常遵循“中心温度限制原则”。纹波电流会在电容内部产生热量导致电容内部温度（Core Temp）高于环境温度。

在这里我们可以简单直接先理解成流经电容的电流。根据欧姆定律，可以知道热损耗为

$$
P_{热损耗} = I_{纹波}^{2}*R
$$

这里的R就是电容的ESR(寄生电阻)，即由于实际中的电容并非理想电容器从而存在的串联的内电阻，如下图

• ESL：由电容器的引脚电感和电容器两极间的等效电感串联组成

• ESR：由电容器件的引脚电阻和电容器件两极间等效电阻构成，主要取决于电容的工作温度、工作频率以及电容本身的导线电阻等

• Rleak：取决于电容的泄露特性

  根据公式1，电流越大，或者ESR越大，电容内部发热就越严重。对于液态电解电容，热量会让电解液蒸发、干涸。温度每升高10°C，寿命减半（问就是经验结论）。一旦电解液干了，电容就失效了。对于固态电容，虽然不会爆浆，但过热会导致漏电流增加、绝缘破坏或短路。

  而损耗角正切则是一个由测试得出的值，在电容或者PCB板材的数据手册中都可以见到，见下表

  Df（Dissipation Factor）介质损耗因子 或者说是 损耗角正切（tan δ），表示材料在电场作用下电能转化为热能的损耗程度，数值越低，材料的介电损耗越小，绝缘性能越好。这样说可能不太直观，无法直接联系到df值为什么和绝缘性能有关。简单来说，Df的大小表示交流电场下材料内部的能量损失，即有多少电能被消耗为热能。Df 可以反映在高频电场中，材料能否在不产生过多损耗的情况下保持介电特性，所以Df 小，说明材料几乎不让高频信号的能量在内部消耗成热，说明它能承受高频电场而不发生严重能量衰减。所以一个低的Df值意味着优秀高频绝缘介质。

  一般Df与ESR存在如下关系

  $$
  ESR≈ \frac{tanδ}{2πfC}
  $$

   

  我们一般都可以在电容的数据手册中见到类似如下图的表格，该图显示了该系列电容由于工艺限制的额定电压与tanδ关系。

  

如何看数据手册中的纹波电流

我们以Rubycon（红宝石）的 ZLJ 系列的一份液态铝电解电容数据手册为例，如下三图

右侧标注life time表示105°C 下 6000~10000 小时。这意味着在 105°C 满载跑，它能活这么久；如果降温到 90°C，根据寿命公式（每降10度寿命翻倍），寿命会大幅延长。

下面是额定电流

上两表写出“Rated ripple current (mA r.m.s./105°C, 100kHz)”，表示 105°C下各型号电容的纹波电流额定值，不够用可以通过并联（2-3颗）来分摊电流。

我们有时候会发现一些厂商在标注纹波电流这一参数时会这样写10A @ 45°C，我们发现它的测试温度很低，这其实是为了故意写高这一参数的营销小技巧🙃，就像把硬币竖过来和手机厚度比较然后说手机比硬币还薄。这个时候我们与其关注10A这个参数更应该关注这个温度，10A @ 45°C其实意味着只有当电容周围的环境温度被严格控制在 45°C 或更低时，这个电容才能安全地承受10A,厂家利用低温环境带来的巨大温升余量，标出了一个看起来非常漂亮的电流数值。当然这个参数不用在服务器或者其他严格的场合，只是用在消费级场合。那么绝大多数场景是完全够用的。

电容内部有一个核心温度上限（Core Temperature Limit），通常为105°C。公式逻辑是：核心温度 = 环境温度 + 纹波电流产生的温升。

如何估算需求纹波电流

这里可以用温升平方根公式来简单估算

$$
I_{T_{\text {target }}}=I_{\text {rated }} \times \sqrt{\frac{T_{\max }-T_{\text {target }}}{T_{\max }-T_{\text {rated }}}}
$$

• I_{\text {rated }}: 10A

• T_{\max }(电容最高允许核心温度): 105°C (假设值，需核对规格书)

• T_{\text {rated }}(额定时的环境温度): 45°C

• T_{\text {target}} (实际工作环境温度): 85°C

此时我们估算得到目标电流下的额定纹波电流，我们可以根据成本与工况，选择合适型号的电容。

如何看数据手册中的ESR

不同类型的电容，耐受纹波电流的能力天差地别。这主要取决于它们的ESR和耐热材料，ESR即是电容的寄生电阻，其大小的与电容类型与厂家工艺相关。从服务器配置角度来说我们看一看常见的三种电容

1. 普通液态铝电解电容 (Liquid Electrolytic) —— 不能用

• 特点： 里面是电解液，外皮通常是黑色的塑料套管。

• ESR： 很高（几十到几百毫欧）。

• 纹波能力： 极差。因为内阻大，稍微过点电流就发烫。

2. 固态高分子电容 (Solid Polymer) —— 标准

• 特点： 里面是导电高分子聚合物（固体），通常是银色铝壳，顶部有红色或蓝色半圆标记。

• ESR： 极低（通常 5mΩ ~ 15mΩ）。

• 纹波能力： 极强。因为内阻极小，通过大电流时发热很少。且固体材料耐高温，105°C下依然稳定。

• 对比： 同样体积下，固态电容能承受的纹波电流通常是液态电容的 3~5倍。

3. MLCC (多层陶瓷电容) —— 辅助

• 特点： 贴片黄豆粒大小。

• ESR： 几乎为零。

• 纹波能力： 理论上很强，但因为容量太小（微法级），存不住多少电，通常用来滤除高频噪点，而不是作为主要的能量“水库”。

参考文章

硬件基础元器件【2.电容篇】_电容等效模型-CSDN博客