ผมยังจำที่ชาร์จโน้ตบุ๊กเครื่องแรกได้ มันหนักมากแบกแทบไม่ไหว แถมสายไฟพันกันยุ่งทุกครั้งที่หยิบออกมา ทุกวันนี้ที่ชาร์จขนาดเล็กและบางพอที่จะยัดใส่กระเป๋ากางเกงได้สบาย ตอนแรกผมคิดว่าคงเป็นแค่การพัฒนาออกแบบกล่องบรรจุให้ดีขึ้น แต่พอได้อ่านงานวิจัยกับเอกสารทางวิศวกรรมจริงจังเข้า ถึงรู้ว่าเรื่องนี้ใหญ่กว่านั้นเยอะ มันเกี่ยวกับวัสดุที่ชื่อ “แกลเลียมไนไตรด์ หรือ GaN” และตัวเลขที่ต้องกลับมาอ่านซ้ำ คือ การเปิดปิดสวิตช์มากกว่าหนึ่งล้านครั้งในหนึ่งวินาที 

ข้างในกล่องเล็กๆ นั้นมีอะไร

ไฟจากปลั๊กบ้านแรงเกินกว่าที่มือถือจะรับไหว ซึ่งข้างในที่ชาร์จมีสวิตช์จิ๋วที่เรียกว่า ทรานซิสเตอร์ คอยเปิดปิดไฟเป็นจังหวะ อีกทั้งข้างๆ ยังมีของอีกสองอย่างทำหน้าที่เป็น ถังพักพลังงาน คือ ขดลวดและตัวเก็บประจุ ช่วงที่สวิตช์ปิด มันจะค่อยๆ ปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ออกมา ไฟจึงไหลต่อเนื่องไม่ขาดตอน

ซิลิคอนเหนื่อยเกินกว่าที่จะวิ่งเร็วกว่าเดิม

สวิตช์ส่วนใหญ่จะทำจากซิลิคอน มันใช้งานได้ดีมาหลายสิบปี แต่ถ้าเปรียบเทียบซิลิกอนเป็นประตู มันคือ ประตูไม้บานหนา ซึ่งในทุกครั้งที่ผลักให้เปิดหรือดันเพื่อปิดจะเสียพลังงานไปจำนวนหนึ่งและพลังงานนั้นก็กลายเป็นความร้อน ฟังดูเหมือนปริมาณพลังงานไม่มาก แต่ถ้าเราเอามันไปคูณกับหนึ่งล้าน ยกตัวอย่างจาก บทความของ Wang และคณะอธิบายไว้ว่า พลังงานที่ใช้สั่งสวิตช์จะโตขึ้นผันตามจำนวนครั้งที่กด กดถี่ขึ้นสิบเท่า ก็เปลืองขึ้นสิบเท่า งานที่ใช้ซิลิคอนส่วนใหญ่เลยอยู่แถวๆ 60,000 ถึง 300,000 ครั้งต่อวินาที ถ้าอยากใช้งานในช่วง 500,000 ครั้งขึ้นไปได้ จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุอย่าง GaN

GaN มีความแตกต่างตั้งแต่เนื้อใน

GaN ถูกใช้งานในอุตสาหกรรมด้านวิทยุและเสาสัญญาณ 5G ก่อนที่จะข้ามมาทำงานเกี่ยวกับการแปลงไฟฟ้า งานวิจัยของ Sun และคณะสรุปตัวเลขที่น่าสนใจไว้ว่า GaN ทนสนามไฟฟ้าได้มากกว่าซิลิคอนราว 11 เท่า และอิเล็กตรอนข้างในวิ่งได้เร็วกว่าเกือบ 3 เท่า

ภายในตัว GaN ยังมีชั้นบางๆ ที่อิเล็กตรอนอัดกันแน่นแล้วสามารถวิ่งได้ไหลลื่น เหมือนกับสไลเดอร์ในสวนน้ำที่คนไถลลงมาได้โดยไม่ต้องออกแรงเลย ซึ่งเปรียบเสมือนประตูของ GaN เพียงแค่แตะเบาๆก็เปิด ที่ดีกว่านั้นคือ มันไม่มีน้ำไหลย้อนกลับมาเลอะพื้นตอนปิด ซึ่งเป็นข้อเสียของสวิตช์ซิลิคอนที่แก้ไขไม่ได้

ของจริงขนาดเท่าเมล็ดข้าว

ตัวเลขจะสวยแค่ไหนก็ยังเป็นแค่ตัวเลข ผมเลยไปดูบอร์ดที่บริษัท EPC สร้างไว้ให้วิศวกรทดลองเล่น ชื่อ EPC9093 สวิตช์ GaN รุ่น EPC2053 ที่อยู่บนบอร์ดมีขนาดแค่ 3.5 x 2 มิลลิเมตร พอๆ กับเมล็ดข้าว แต่รับแรงดันได้ 100 โวลต์ และให้กระแสไหลผ่านได้ 32 แอมป์ บอร์ดนี้แปลงไฟ 48 โวลต์ลงเหลือ 12 โวลต์ จ่ายกระแสได้ 25 แอมป์ ส่วนที่ทำงานหนักที่สุดกินพื้นที่แค่ 10 x 9 มิลลิเมตร เล็กกว่าแบบซิลิคอนอย่างน้อยครึ่งหนึ่ง ที่ 700,000 ครั้งต่อวินาที มันส่งพลังงานถึงปลายทางได้ 97 เปอร์เซ็นต์ พอเร่งเป็นหนึ่งล้านครั้ง ตัวเลขยังเกิน 96 เปอร์เซ็นต์ ต้นทุนก็ต่ำกว่า 3 เซนต์ต่อวัตต์เมื่อผลิตทีละมากๆ ยังมีเรื่องหนึ่งที่โบรชัวร์ไม่ได้เน้น แต่ผมว่าควรรู้ไว้ คือ ถ้าลดไฟขาออกเหลือ 5 โวลต์ ประสิทธิภาพจะตกลงมาเหลือราว 92 เปอร์เซ็นต์ และตอนทดสอบที่ 500,000 ครั้งต่อวินาทีพร้อมพัดลมเป่า ตัวสวิตช์ยังร้อนถึง 103 องศา

สปริงล่องหนที่ไม่มีใครเห็น

เส้นทองแดงทุกเส้นบนแผ่นวงจรมีสิ่งที่คล้ายสปริงซ่อนอยู่ วิศวกรเรียกมันว่า ตัวเหนี่ยวนำ ถ้าไฟวิ่งช้าๆ สปริงพวกนี้แทบไม่ส่งผล แต่พอสวิตช์ตัดไฟเร็วจัด สปริงจะดีดกลับแรง

เอกสาร WP010 ของ EPC ทดลองเรื่องนี้ที่หนึ่งล้านครั้งต่อวินาที พอสปริงล่องหนเพิ่มจาก 0.4 เป็น 2.9 นาโนเฮนรี ซึ่งเป็นค่าที่เล็กจนนึกภาพไม่ออก ประสิทธิภาพกลับหายไปกว่า 4 เปอร์เซ็นต์ ไฟที่กระชากขึ้นตอนตัดก็พุ่งจาก 30 เป็น 100 เปอร์เซ็นต์ของไฟขาเข้า ตรงนี้คือ จุดที่ผมว่าน่าสนใจที่สุด ตัวแพ็คเกจของ GaN แทบไม่มีสปริงอยู่ในตัวเลย ผู้ร้ายตัวจริงเลยกลายเป็นลายวงจรที่วิศวกรวาดเอง ส่วนซิลิคอนนั้น ต่อให้ใช้ตัวแพ็คเกจเล็กที่สุดที่หาได้ สปริงก็ยังหนักเป็นสองเท่าของ GaN ที่วางแบบเดียวกัน

ทางกลับต้องอยู่ใต้ทางไป

วิธีวางลายวงจรแบบเดิมมีสองสาย สายแรกวางทุกอย่างไว้ผิวบนแล้วใช้ชั้นข้างใต้เป็นโล่กันสนามแม่เหล็ก ซึ่งได้ผลอยู่ แต่โล่นั้นก็กินพลังงานไปเป็นความร้อน อีกสายเอาชิ้นส่วนไปไว้ใต้บอร์ดแล้วเจาะรูโยงขึ้นมา สายนี้ดีตราบที่บอร์ดบาง ถ้าบอร์ดหนาขึ้นเท่าตัว จาก 31 เป็น 62 มิล สปริงล่องหนจะโตขึ้นถึง 80 เปอร์เซ็นต์

อย่างไรก็ตาม EPC เลือกทางที่สาม คือ ให้ไฟที่วิ่งไปบนผิวบอร์ดเดินกลับในชั้นถัดลงไป ตรงใต้ทางเดิมพอดี ไฟสองสายไหลสวนคนละทิศทางในระยะใกล้กันด แรงดีดเลยหักล้างกันเอง คล้ายเด็กสองคนดึงเชือกคนละฝั่ง เชือกจึงนิ่งไม่แกว่ง รูเจาะทะลุชั้นก็วางสลับขาไปขากลับเป็นจังหวะ ช่วยหักล้างเพิ่มอีกแรง

ผลที่ได้คือ สปริงล่องหนเบาลงราว 65 เปอร์เซ็นต์ สวิตช์เร็วขึ้น 500 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับซิลิคอน แรงกระชากลดลง 40 เปอร์เซ็นต์ บอร์ดยังพาไฟเข้าได้ถึง 28 โวลต์ ในขณะที่บอร์ดซิลิคอนต้องหยุดแค่ 24 โวลต์ เพราะถ้าไปต่อ ไฟจะกระชากจนชิ้นส่วนอาจเสี่ยงพังได้

เก็บทุกอย่างไว้บนชิปเดียว

ถ้าสายไฟมีสปริงซ่อนอยู่ ทำไมไม่ตัดสายทิ้งไปเลยล่ะ นี่คือ ความคิดตั้งต้นของงานที่ Sun และคณะรวบรวมไว้ คือ สร้างสวิตช์ ตัวสั่งงาน และวงจรป้องกันไว้บนชิป GaN ชิ้นเดียวกัน ระยะทางที่ไฟต้องวิ่งเหลือแค่ระดับไมโครเมตร

ของแบบนี้ออกมาขายจริงแล้วจาก Navitas กับ Dialog Panasonic ทำชิปแปลงไฟที่สวิตช์ได้สามล้านครั้งต่อวินาทีและย่อปริมาตรระบบลงได้ 60 เปอร์เซ็นต์ ฝั่งสถาบัน Fraunhofer ในเยอรมนีก็สร้างวงจรบนชิปที่รับไฟได้ถึง 400 โวลต์ที่ความเร็วเดียวกัน

แต่อย่าเพิ่งตื่นเต้นเกินไป ชิปพวกนี้ส่วนใหญ่ยังจ่ายไฟได้แค่ราวสิบวัตต์และขดลวดก็ยังยัดลงชิปไม่ค่อยได้ เพราะงานแปลงไฟต้องใช้ขดลวดใหญ่กว่าที่ชิปทำได้เป็นร้อยเท่า มีบางทีมพยายามลองฝังขดลวดไว้ในเนื้อซิลิคอนข้างใต้ ได้ระบบที่เล็กลงห้าเท่า ซึ่งวิธีนี้น่าลุ้นอยู่ แต่ยังไม่ถึงขั้นงานใช้กันทั่วไป 

รอจังหวะที่ประตูว่าง

เคล็ดลับที่ผมชอบที่สุดไม่ได้มาจากวัสดุเลย มันมาจากการรู้จักรอ แทนที่จะกระชากสวิตช์ตอนไฟกำลังดันเต็มแรง วงจรจะรอให้แรงดันคร่อมสวิตช์ลดเหลือศูนย์ก่อนแล้วค่อยเปิด เหมือนรอให้คนที่พิงประตูถอยออกไปก่อนเราค่อยผลัก วิศวกรเรียกวิธีนี้ว่า Soft Switching

วงจรแบบ LLC ถนัดเรื่องนี้มาก มีงานหนึ่งเอา GaN มาทำวงจร LLC ขนาด 300 วัตต์ที่หนึ่งล้านครั้งต่อวินาที ลดพลังงานสูญเสียได้เกือบหนึ่งในสี่เมื่อเทียบกับซิลิคอน และส่งพลังงานได้ 96.6 เปอร์เซ็นต์ ขณุะที่ทีมจาก Virginia Tech สามารถไปไกลถึงระดับพันวัตต์ อัดพลังงานได้ 900 วัตต์ในพื้นที่แค่หนึ่งลูกบาศก์นิ้ว

ถึงอย่างนั้น GaN ก็มีจุดอ่อน ในชิ้นส่วนของการควบคุมของมันบอบบางเหมือนลูกโป่ง รับไฟได้ราว 6 โวลต์ เกินไปนิดเดียวก็อาจแตก วงจรที่ใช้สั่งมันต้องนุ่มนวล บางแบบออกแบบให้พลังงานแกว่งไปมาเหมือนชิงช้า เพื่อดึงแรงที่ใช้ผลักประตูกลับมาใช้ซ้ำ ไม่ปล่อยทิ้งเป็นความร้อน

ของที่ขี้หงุดหงิดกับสมองที่ต้องไวขึ้น

ความเร็วสูงทำให้ขดลวดตัวเล็กลงก็จริง แต่ขดลวดก็อารมณ์ร้อนขึ้นตามไปด้วย ไฟความถี่หรือความเร็วสูงชอบวิ่งเฉพาะผิวนอกของเส้นลวด ซึ่งภายในแทบไม่ได้ใช้ ความร้อนเลยเพิ่ม หลายทีมจึงเลิกพันลวดแล้วหันไปพิมพ์ขดลวดแบนๆ ลงบนแผ่นวงจรแทน ซึ่งกินที่แค่ราวหนึ่งในห้า และระบายความร้อนได้ดีกว่า

ทุกทางแก้มีราคาต้องจ่าย การวางขดลวดสลับชั้นช่วยลดสปริงล่องหน แต่ไปเพิ่มประจุแฝงระหว่างชั้น จนเกิดสัญญาณรบกวนกวนเครื่องอื่นได้ สมองกลที่ควบคุมวงจรก็ต้องนับจังหวะเป็นล้านครั้งต่อวินาทีโดยไม่พลาด ซึ่งชิปควบคุมดิจิทัลหลายตัวยังทำได้ไม่ละเอียดพอ ส่วนศูนย์ข้อมูลที่ต้องการไฟแรงดันต่ำแต่กระแสมหาศาล ก็ต้องแตกหม้อแปลงลูกเดียวออกเป็นลูกเล็กหลายลูกมาช่วยกันแชร์โหลด