任何非同步直流對直流(DC-DC)轉換器皆需要續流二極體。為使方案的整體效率最佳化，通常會選擇低正向電壓的蕭特基二極體(Schottky Diode)達成此功能。許多轉換器設計均採用網路設計工具所推薦的二極體，但這並非永遠是最佳選擇，且若設計工具未考慮熱效應和漏電流之間的動態變化，將發生實際性能與設計工具的分析或模擬結果大相逕庭。本文將探討選擇正確的二極體時應仔細考慮的典型參數，以及如何應用這些參數迅速確定您的選擇是否正確。
檢查損耗以控制熱弊病
圖1為非同步DC-DC降壓轉換器的基本架構圖。D1為所需的蕭特基管二極體。左側為開關S1閉合時(時間為T1)的電流情況，右側為開關S1打開時(時間為T2)的電流情況。當時間為T2時，輸出電流(lout)流經D1，所產生的損耗與D1的正向電壓(Vfw)和輸出電流直接相關。PT2等於lout×Vfw。很明顯地，我們希望盡可能降低Vfw以控制損耗，減少熱產生。
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| 圖1 非同步DC-DC降壓轉換器的基本架構圖 |
T1期間，D1處於阻斷狀態，唯一的電流是反向電流，此電流相對較弱，並且主要由阻斷電壓或輸入電壓Vin決定。T1階段二極體產生的功耗，稱為PT1，大致等於Ir×Vin。
在設計任何蕭特基二極體時皆存在著二選一的難題，意即只能針對低Vf或低Ir達成最佳化。因此，若選擇低Vf，則Ir就較高，反之亦然。在實際應用設計時，不僅須觀察Vf或Ir值，更重要的是還要分析在實際操作中可能產生的結果。Vf和Ir都會隨溫度產生變化。當溫度升高，Vf會降低，可在二極體升溫的同時確實降低熱擴散。然而Ir會隨著二極體溫度升高而增加，因此，當二極體溫度越高，漏電流相對越高，內部功耗就越多，將使得二極體溫度更高，進而再次增加漏電流，形成無限循環。
若堅持採用基本的非同步DC-DC轉換器的設計案例，不妨做一個基本分析以確定二極體內部的功耗和其導致的設備溫度。DC-DC轉換器的運作工作週期與電壓輸入輸出的比值具直接相關性(DC=Vout/Vin)。電壓輸入和輸出的比值越低，T2的時間就越長，PT2對整體二極體的功耗影響也越大，反之亦然，當T1越長(或Vin和Vout的比值越高)，PT2對總功耗的影響就越小，PT1的作用就越大。
觀察兩個DC-DC轉換器的例子，兩個轉換器都具備24伏特(V)的輸入電壓，但其中一個的輸出電壓為18伏特，另一個則是5伏特。使用Vin和Vout的比值計算得到工作週期，並使用資料表中的Vf和Ir值計算出二極體內的總功率耗損。接著根據總功耗計算出產生的二極體溫度，並查看Vf和Ir在此溫度下的實際數值。最後根據新的二極體溫度重新計算內部功耗。此反覆運算過程可重複多次以提高精確度，但若僅用於顯示取捨Vf和Ir上所產生的不同影響，則單次運算即已足夠。
設備溫度可使用描述熱性質的基本熱方程式計算，與應用於描述電壓、電流和電阻的計算並無差別。一旦知道設備的內部功耗(Ptot)，即可用內部功耗乘以結點到環境的熱阻(Rtja)，計算出設備結點處的溫度變化，最後再加上環境溫度，即可得到該設備在此功耗和環境溫度下的最終結點溫度。
圖2顯示分析的結果。此例中的計算採用達成最佳化的低Ir和達成最佳化的低Vf二極體，輸出電流範圍為1～3安培(A)。在此將低Vf型和低Ir型二極體的溫度進行比較。初始溫度假定為25℃。圖中同時標示Ta(第一次傳遞溫度計算)和Tb(第二次傳遞溫度計算)。左側是5伏特輸出電流的DC-DC轉換器的結果，右側是18伏特輸出電流的DC-DC轉換器(兩者的輸入電壓皆為24伏特)。計算時假設Rtja採用基本的200K/W，接著依據工作週期進行調整。蕭特基二極體的資料表說明暫態熱效應曲線，使設計工程師可依據具體的脈衝工作週期(短暫脈衝電流的熱效應較連續電流為佳)決定實際的熱阻。須注意的是，任何應用中的二極體總熱阻取決於多項因素，而布局是其中較為重要的一項因素。
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| 圖2 低Vf型和低lr型二極體溫度比較 |
在圖2中發現，上述兩種情況中，在第二次溫度傳遞Tb時，低Vf的二極體開始升溫。其中的機制原理是，在電流一定的情況下，二極體在T2時產生損耗而變熱。隨著二極體溫度升高，漏電流Ir增加，正向電壓Vf減少。然而，Ir增加的速度遠高於Vf減少的速度，導致二極體內的總耗電量快速增加。在較高的輸出電流下PT2亦相對較高，使得PT1的增加較快，因此在高電流下斜度較為陡峭。
同樣地，亦能看到輸入輸出電壓比的效果。左側顯示的是具備5伏特輸出電流的低工作週期DC-DC轉換器，工作週期較低意味著T2較長，意即PT2更多。因此，較多的初始熱量導致Ir更快增加，PT1更高，而隨著輸出電流增加，二極體溫度亦迅速上升。在較高的電流下，看到事實上溫度已超出指定範圍之外。右側顯示較高的18伏特輸出電壓導致更高的工作週期，進而抑制PT2。二極體內較少的發熱量意味著lr的增加相對較少，因此，PT1和整體溫度的增加也較少。因此，工作週期越高(亦即輸出和輸入電壓越接近)，二極體的熱效應成果就越佳。如前述計算，12～2.5伏特的轉換器將比12～5伏特的轉換器更為加重二極體的負擔。
模擬功耗運作 消弭熱失控
上述討論的Ir隨溫度升高而增加的效應往往帶來一個常見的問題，亦即熱失控(Thermal Runaway)。增加的溫度將進一步導致溫度升高，直到某部分元件損壞。因此，強烈建議於所有設計中徹底檢查此狀況。
目前常見的做法是針對功耗設計進行模擬運作。可使用標準的模擬工具，也可使用網路上常用的模擬工具，反覆檢查熱性能是絕對必要的。此外，針對打算使用的二極體，所使用的工具極有可能並未採用正確的熱模型，或者其熱參數(極可能與布局相關)與設計不相符。探討至此已可了解並非所有二極體都相同，因此絕對不建議在模擬設計時使用相似的二極體，並假定它們的熱效應(和電效應)也相似。雖然並非總是可行，但仍建議製作原型並驗證其正確效應。