手机电荷泵的效率与开关频率之间存在着一种权衡(Trade-off) 的关系。如下图,随着开关频率的增加,电荷泵的整体效率逐渐达到最优,然后会下降。

原理
为什么随着开关频率的增加,电荷泵的效率下降?
电荷泵是通过MOS开关动作来对飞电容(Flying Capacitor)进行充放电,从而实现电压转换。MOS的开关损耗(Switching Loss)是导致效率随频率下降的最主要原因。
在MOSFET开关状态切换的过程中(开->关或关->开),会存在一个非常短暂的时间窗口,此时开关管既不完全导通也不完全关闭。在这个瞬间,开关管上的电压和电流会同时存在,产生一个巨大的功率尖峰(P = V * I),频率越高,单位时间内这种状态切换的次数就越多,总的交叠损耗也就越大。
除了开关损耗,还存在驱动损耗 (Gate Drive Loss),驱动MOS的栅极需要电流,因此也存在损耗。驱动每个开关管所需的功率是P_drive = Q_g * V_drive * f,其中Q_g是栅极电荷,驱动功率同样与频率成正比。
既然高频会降低效率,那为什么不把频率设得非常低呢?
低频也会带来问题,电荷泵需要一个外部的飞跨电容来搬运能量。这个电容的容量计算公式与频率有关:C ∝ I_out / (f * ΔV),其中 ΔV 是允许的电压纹波。频率越低,要维持相同的输出电流和电压纹波,所需的电容容值就必须越大,否则搬运的能量不够用。而大容值的陶瓷电容体积更大、成本更高,这在寸土寸金的手机内部是不可接受的。
工程实践
因此,手机电荷泵的开关频率选择是一个典型的工程折衷。通常会找到一个合适的频率,在这个频率下,损耗尚可接受,同时电容尺寸和成本也在可接受范围内,这个频率通常在几百KHz。
此外,现代电荷泵芯片非常智能,它们不是固定在一个频率上工作,而是能动态调整频率,从而优化效率。