Tóm tắt nhanh: GaN (Gallium Nitride) giúp củ sạc nhỏ hơn chủ yếu vì transistor GaN đóng cắt ít tốn năng lượng hơn, nên mạch chạy được ở tần số cao hơn và biến áp, linh kiện to nhất trong củ sạc, thu nhỏ theo. Hiệu suất có tăng nhưng chỉ vài phần trăm; món quà thật sự là một củ sạc gọn hơn hẳn ở cùng công suất.
Mười năm trước, muốn sạc laptop bạn phải mang theo một “cục gạch” đen nặng trịch, dây lằng nhằng, sờ vào thấy nóng. Hôm nay, một củ sạc 65 W có thể nhỏ cỡ quả bóng golf: thiết kế tham chiếu của Texas Instruments đạt 25,29 W/in3, tức cả củ sạc chỉ chiếm khoảng 42 cm3. Thứ làm nên phép màu ấy không phải pin, không phải vỏ, mà là một vật liệu bán dẫn có cái tên khô khan: Gallium Nitride, hay GaN.
Câu hỏi đáng đặt ra là: vì sao một con chip lại quyết định được kích thước của cả củ sạc, và lời quảng cáo “GaN mát hơn, nhanh hơn” đúng tới đâu?
Vì sao củ sạc công suất lớn thường to và nóng?
Vì mỗi củ sạc là một nhà máy điện tí hon luôn làm hao một phần năng lượng. Bên trong, điện lưới được chỉnh lưu, rồi bị “băm” thành các xung ở tần số hàng chục đến hàng trăm kilohertz, đi qua biến áp, và được chỉnh lưu lần nữa thành điện một chiều cho điện thoại. Mỗi lần transistor đóng hay ngắt, một chút năng lượng rơi rớt và biến thành nhiệt. Phần nhiệt đó là thứ bạn cảm thấy trên vỏ, và để chứa nó, củ sạc buộc phải to ra.
Áp lực thu nhỏ củ sạc chưa bao giờ lớn như bây giờ. Chỉ thị (EU) 2022/2380 buộc điện thoại, máy tính bảng, tai nghe dùng cổng USB-C từ 28/12/2024, và laptop từ 28/4/2026. Cùng lúc, chuẩn USB Power Delivery 3.1 (2021) nâng trần công suất của một cổng từ 100 W lên 240 W. Một cổng cho tất cả nghĩa là một củ sạc phải nuôi được từ tai nghe vài watt đến laptop hàng chục watt, mà vẫn phải vừa túi áo.
GaN là gì và khác silicon ở đâu?
GaN là hợp chất bán dẫn của gallium và nitơ, và điểm khác biệt lớn nhất nằm ở “vùng cấm”. Silicon có vùng cấm 1,12 eV; GaN khoảng 3,4 eV (các nguồn ghi 3,39–3,44 eV). Vùng cấm rộng giúp vật liệu chịu được điện trường mạnh hơn trước khi bị đánh thủng: 3,3 MV/cm so với 0,3 MV/cm của silicon, gấp khoảng 11 lần.
| Thông số | Silicon (Si) | GaN |
|---|---|---|
| Độ rộng vùng cấm (eV) | 1,12 | 3,44 |
| Trường đánh thủng tới hạn (MV/cm) | 0,3 | 3,3 |
| Độ linh động điện tử (cm²/V·s) | 1.000–1.400 | 1.500–2.000 (trong khí điện tử hai chiều) |
| Vận tốc bão hòa của điện tử (×107 cm/s) | 1 | 2,2 |
| Độ dẫn nhiệt (W/cm·K) | 1,5 | 1,3–2,2 |
Con số 11 lần nghe đã ấn tượng, nhưng hệ quả của nó còn lớn hơn. Theo chỉ số Baliga, điện trở của vùng chịu điện áp tỉ lệ nghịch với lũy thừa ba của trường đánh thủng: Ron,sp = 4VB2 / (ε · μ · Ec3). Lũy thừa ba của 11 là (3,3 / 0,3)3 ≈ 1.331, nghĩa là về lý thuyết GaN có thể dẫn điện tốt hơn cỡ 103 lần ở cùng điện áp. Ngoài đời, điện trở kênh, tiếp xúc và đóng gói kéo con số ấy xuống nhiều bậc. Nhưng điều quan trọng vẫn còn nguyên: ở mức chịu 650 V thường dùng cho điện lưới, một transistor GaN có thể nhỏ hơn đáng kể so với MOSFET silicon cùng điện trở. Chip nhỏ thì điện dung ký sinh nhỏ, và đó chính là chìa khóa của câu chuyện.
Linh kiện GaN thương mại thường có cấu trúc HEMT AlGaN/GaN. Ngay tại mặt tiếp giáp hai lớp, hiệu ứng phân cực tự sinh ra một “lớp khí” điện tử hai chiều với mật độ cỡ 1013 cm-2, độ linh động trên 2.000 cm²/V·s, mà không cần pha tạp. Cấu trúc nằm ngang này còn cho phép đặt luôn mạch điều khiển và bảo vệ trên cùng một chip, như transistor tích hợp LMG3624 trong thiết kế của Texas Instruments.
Có một sự thật ít người nhắc: GaN dẫn nhiệt không tốt hơn silicon (1,3–2,2 so với 1,5 W/cm·K). Củ sạc GaN mát hơn là vì ít sinh nhiệt hơn, chứ không phải vì tản nhiệt giỏi hơn.
Vì sao GaN giúp củ sạc nhỏ hơn?
Câu trả lời là một chuỗi domino: tổn hao đóng cắt thấp, nên chạy được tần số cao, nên biến áp nhỏ lại.
Bắt đầu từ quân domino đầu tiên. Mỗi lần transistor bật, năng lượng tích trong điện dung ra Coss bị xả thành nhiệt: PCoss = ½ · Coss,er · V2 · fsw. Tần số càng cao, nhiệt càng nhiều. Với silicon, muốn chạy nhanh thì phải chịu nóng. Với GaN, cái giá ấy rẻ hơn hẳn. Thiết kế 65 W của Texas Instruments có điện dung ra tương đương chỉ 29 pF; ở 150 kHz, tổn hao là ½ × 29 pF × (400 V)2 × 150 kHz ≈ 0,348 W, chỉ khoảng 0,53% hiệu suất, và thực tế còn thấp hơn vì mạch đóng ở “thung lũng” điện áp dưới 400 V. STMicroelectronics so sánh trực tiếp hai linh kiện cùng cỡ, GaN 650 V/225 mΩ và MOSFET silicon 650 V/230 mΩ: năng lượng Eoss là 1,7 µJ so với 3,7 µJ, tức 0,24 W so với 0,52 W ở 140 kHz.
Quân domino thứ hai: phần năng lượng tiết kiệm được “tái đầu tư” thành tần số cao hơn. Và đây là lúc biến áp, linh kiện chiếm nhiều chỗ nhất trong củ sạc, được hưởng lợi. Công thức thiết kế lõi Ap = Pt · 104 / (Kf · Ku · Bm · f · J) cho thấy kích thước lõi tỉ lệ nghịch với tần số f. Về nguyên tắc, tần số gấp đôi thì lõi có thể nhỏ đi một nửa. Ngoài đời không lý tưởng như vậy, vì tần số cao làm lõi tổn hao nhiều hơn, nhưng xu hướng thì rõ ràng: điện cảm nhỏ hơn, lõi nhỏ hơn, ít vòng dây hơn.
Số liệu thật nói gì?
Lý thuyết đẹp tới đâu cũng cần số đo. Dưới đây là ba bo mạch 65 W từ hai nhà sản xuất chip lớn:
| Tiêu chí | TI TIDA-050072 (QR flyback) | ST EVLVIPGAN65PD (QR flyback) | ST EVLONE65W (ACF) |
|---|---|---|---|
| Công suất | 65 W | 65 W | 65 W |
| Tần số đóng cắt | 76–163 kHz | tới 140 kHz | tới 250 kHz |
| Kích thước | không nêu trong tài liệu | 69 × 20 × 35 mm | 58 × 32 × 20 mm |
| Mật độ công suất | 25,29 W/in3 | 22,1 W/in3 | 28,7 W/in3 |
| Hiệu suất đầy tải | 94,09% (115 Vac); 94,32% (230 Vac) | đạt CoC Tier 2 và DoE Level VI | không nêu trong tài liệu |
Nhìn kỹ bảng, bạn sẽ thấy đúng câu chuyện domino. Cùng 65 W, bo nào chạy tần số cao hơn thì gọn hơn: mật độ đi từ 22 lên gần 29 W/in3, và chính ST thừa nhận kiến trúc ACF dùng GaN đặc hơn khoảng 30% nhờ tần số cao hơn. Còn hiệu suất? ST nói QR flyback dùng GaN “thường” chỉ hơn bản silicon 3–4%. Có thật, nhưng không thần kỳ. Một chi tiết nhỏ mà đáng giá: thiết kế của Texas Instruments chỉ tiêu thụ 30 mW khi chờ ở 115 Vac, điều quan trọng với một củ sạc cắm ổ cả ngày.
Vài phần trăm hiệu suất nghe nhỏ, nhưng thử quy ra nhiệt xem. Ở 65 W, củ sạc hiệu suất 90% tỏa ra 65 × (1/0,90 − 1) ≈ 7,2 W nhiệt; củ 94% chỉ tỏa 65 × (1/0,94 − 1) ≈ 4,1 W, ít hơn khoảng 43%. Ở 30 W, hai con số ấy là khoảng 3,3 W và 1,9 W. Đó là khác biệt giữa một củ sạc “ấm ấm” và một củ sạc “nóng tay”.
Nên chọn củ sạc GaN công suất bao nhiêu, cổng nào?
Trước hết, hãy hiểu cách đọc nhãn. Công suất là điện áp nhân dòng điện, và một củ sạc USB PD công bố cả một danh sách mức điện áp (thường là 5, 9, 12, 15 và 20 V) để thiết bị tự chọn. Từ đó rút ra ba điều:
- Con số trên nhãn chỉ đạt ở 20 V. “45 W” thường là 20 V × 2,25 A. Ở 5 V, mọi củ PD chỉ cho 5 V × 3 A = 15 W, nên máy chỉ hỗ trợ 5 V cắm củ 45 W cũng không nhanh hơn.
- PPS là chế độ “may đo”. Thiết bị được xin điện áp từ 3,3–21 V theo bước 20 mV và dòng theo bước 50 mA, giảm bớt việc chuyển đổi bên trong máy nên máy ít nóng hơn.
- GaN đáng tiền nhất từ khoảng 30 W trở lên. Ở 20 W, tổn hao vốn chỉ khoảng 2,2 W (với hiệu suất 90%), nên GaN cũng chẳng tiết kiệm được bao nhiêu. Không phải ngẫu nhiên mà các mẫu 20 W của OH-Tech (OH-K20 và SR-GZ01) ghi rõ không dùng GaN.
| Mã sản phẩm | Công suất tối đa | Cổng | Mức PD cao nhất trên USB-C | Giao thức / ghi chú |
|---|---|---|---|---|
| OH-K30 | 30 W | 1 × USB-C | 20 V / 1,5 A | PD 3.0, PPS, QC 3.0 |
| OH-K26 | 35 W | 1 × USB-C | 20 V / 1,75 A | Đầu ra USB-C theo hồ sơ PD |
| SR-GZ03 (Syron) | 35 W | 1 × USB-C | 20 V / 1,75 A | Đầu ra USB-C theo hồ sơ PD |
| OH-K27 | 45 W | 1 × USB-C + 1 × USB-A | 20 V / 2,25 A | Cổng USB-A: 5 V/3 A, 9 V/2 A, 12 V/1,5 A |
| OH-K28 | 67 W | 1 × USB-A | không áp dụng | SuperVOOC, VOOC, Mi Turbo, SCP, FCP, QC 3.0, AFC |
Cả năm mẫu đều có bảo vệ quá áp, quá dòng, quá nhiệt và bảo hành 12 tháng. Riêng OH-K28 đạt 67 W qua cổng USB-A bằng giao thức sạc nhanh riêng của từng hãng điện thoại, nên chỉ phát huy khi máy bạn hỗ trợ đúng giao thức đó. Các mẫu USB-C còn lại dùng USB PD, hợp với nhiều thiết bị hơn, từ điện thoại, máy tính bảng đến laptop nằm trong tầm công suất.
Và đừng quên mắt xích cuối: sợi cáp. Cáp thường chịu 3 A, muốn 5 A phải có chip E-Marker. Chuyện này được kể kỹ trong bài Từ USB-A tới USB-C: 30 năm dây sạc và cách chọn cáp cho đúng.
Câu hỏi thường gặp
GaN là gì?
GaN là viết tắt của Gallium Nitride, một hợp chất bán dẫn của gallium và nitơ có vùng cấm rộng khoảng 3,4 eV. Trong củ sạc, nó được dùng làm transistor đóng cắt thay cho MOSFET silicon.
Củ sạc GaN có thật sự mát hơn củ sạc silicon không?
Ở cùng công suất, củ sạc GaN thường sinh ít nhiệt hơn vì tổn hao đóng cắt thấp hơn; mức chênh phụ thuộc vào thiết kế. Tuy nhiên củ sạc GaN thường nhỏ hơn nên diện tích tản nhiệt cũng ít hơn, do đó nhiệt độ vỏ không nhất thiết thấp hơn.
Công suất bao nhiêu thì nên chọn củ sạc GaN?
Chọn công suất bằng hoặc cao hơn mức thiết bị yêu cầu; củ sạc chỉ cấp phần thiết bị đòi. GaN có ý nghĩa rõ từ khoảng 30 W trở lên, khi tổn hao tuyệt đối và kích thước biến áp bắt đầu đáng kể. Ở 20 W trở xuống, lợi thế nhỏ.
PPS là gì và có cần không?
PPS (Programmable Power Supply) là chế độ của USB PD cho phép thiết bị yêu cầu điện áp trong khoảng 3,3–21 V theo bước 20 mV và dòng theo bước 50 mA. Một số điện thoại dùng PPS để sạc nhanh mà ít nóng hơn. Nếu máy của bạn hỗ trợ PPS, hãy chọn củ sạc có ghi PPS, ví dụ OH-K30.
Dùng cáp nào với củ sạc 45 W trở lên?
Ở mức 20 V, dòng của củ sạc 45 W là 2,25 A, nằm trong ngưỡng 3 A của cáp thông thường. Với cáp cần tải trên 3 A (tối đa 5 A, tức 100 W ở 20 V), cáp bắt buộc có chip E-Marker theo chuẩn USB Type-C.
OH-Tech có những củ sạc GaN nào?
Danh mục hiện gồm OH-K30 (30 W), OH-K26 (35 W), SR-GZ03 (35 W), OH-K27 (45 W) và OH-K28 (67 W), ngoài ra còn các bộ củ cáp GaN như OH-B30C. Giá bán theo báo giá, liên hệ OH-Tech hoặc đại lý để được tư vấn.
Kết
GaN không biến củ sạc thành thứ “mát lạnh thần kỳ” như quảng cáo vẫn hứa. Điều nó làm tinh tế hơn nhiều: một vật liệu có vùng cấm rộng, kéo theo chip nhỏ, tổn hao thấp, tần số cao, biến áp gọn, và cuối cùng là cục sạc vừa lòng bàn tay. Lần tới cầm một củ sạc GaN, đừng chỉ nhìn hai chữ trên vỏ. Hãy xem công suất ở 20 V, giao thức PD hay PPS, các lớp bảo vệ, và sợi cáp đi kèm. Đó mới là những con số làm nên một trải nghiệm sạc tốt.
Nguồn tham khảo: Ủy ban châu Âu (Chỉ thị (EU) 2022/2380); USB-IF, USB Power Delivery Rev 3.1 (2021); EDN (2024); Baliga, Journal of Applied Physics (1982); Millán và cộng sự, IEEE Transactions on Power Electronics (2014); Lidow và cộng sự, GaN Transistors for Efficient Power Conversion (2019); McLyman, Transformer and Inductor Design Handbook (2011); Texas Instruments TIDA-050072 (2023); STMicroelectronics, Benefits of GaN in QR flyback (2023). Bài viết do OH-Tech biên soạn.
