Planos internos de alimentación y planos divididos

Planos de alimentación

Los planos de alimentación son capas internas especiales de cobre sólido que se utilizan habitualmente para proporcionar una referencia de tierra o alimentación eléctricamente estable en toda la PCB. 

El editor de PCB admite hasta 16 planos de alimentación internos. Puede asignar una red a cada una de estas capas o compartir un plano de alimentación entre varias redes dividiéndolo en dos o más áreas aisladas. Las conexiones de pads y vías a los planos de alimentación se controlan mediante las Plane reglas de diseño. Los planos de alimentación se crean en negativo. Los objetos colocados en la capa del plano de alimentación se convierten en zonas sin cobre; las regiones restantes serán de cobre sólido.

Creación de planos internos

Los planos de alimentación internos se añaden a un diseño de PCB mediante el Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Para añadir un nuevo plano interno, seleccione la capa existente debajo de la cual desea crear la capa interna; a continuación, haga clic con el botón derecho y seleccione Insert layer below » Plane en el menú contextual. Se añadirá un nuevo plano interno al apilado de capas. Utilice el modo Layer Stack Manager del panel Properties para definir las propiedades de la capa de plano interno seleccionada. Los cambios realizados en el Layer Stack Manager deben guardarse para que estén disponibles en el editor de PCB.

Visualización de planos

Para ver una capa de plano en el espacio de diseño, primero debe habilitar la visualización de la capa en la pestaña Layer & Colors del panel View Configuration . 

Asignación de una red a un plano

La red se asigna al plano en el editor de PCB. Para asignar una red a una capa de plano:

1. Establezca la capa de plano como capa activa en el espacio de diseño (haga clic en una pestaña de capa en la parte inferior del editor para activar esa capa).
2. Haga doble clic en cualquier punto dentro del contorno de la placa. 
3. Se abrirá el cuadro de diálogo Split Plane; seleccione la red deseada en la lista Connect to Net. Tenga en cuenta que el cuadro de diálogo no se abrirá si la capa activa no es una capa de plano.

Después de seleccionar una capa de plano de alimentación, haga doble clic en cualquier punto de esa capa para asignarle una red.

En el modo de visualización 3D (atajo 3), puede ver representaciones físicas de todos los objetos de los planos internos. Además de visualizarlos, al cambiar al modo de una sola capa y hacer clic en cada capa sucesivamente, la vista 3D le permite recorrer el interior de la placa, lo que facilita la inspección de los planos internos.

Vista 3D de una conexión de alivio térmico en un plano dividido.

Las capas de plano también pueden dividirse en áreas independientes, cada una asignada a una red diferente. Obtenga más información sobre la definición de planos divididos.

Retranqueo de la capa de plano

Cuando se añade un plano de alimentación, se crea automáticamente un conjunto de pistas de retranqueo alrededor del contorno de la placa para separar el plano del borde de la placa. Las pistas de retranqueo no pueden editarse en pantalla, ya que su anchura se define mediante la propiedad de distancia de retranqueo en el administrador del apilado de capas (mostrar imagen). Cuando se cambia el valor de retranqueo de un plano interno, estas pistas se regeneran automáticamente.

Creación de secciones sin cobre

Para eliminar secciones de un plano, es decir, crear regiones sin cobre, puede colocar líneas, arcos o rellenos mediante los comandos Place para formar la región sin cobre.

Conexión de pads y vías a una capa de plano

Las conexiones a pads y vías se muestran en un plano de alimentación según las Plane reglas de diseño establecidas en el cuadro de diálogo PCB Rules and Constraints Editor (Design » Rules). Puede crear reglas adicionales para pads y vías que tengan requisitos específicos de conexión o de ausencia de conexión.

Conexiones de alivio térmico y directas

Los pads de orificio pasante y las vías pueden conectarse a un plano de alimentación mediante una conexión directa o una conexión de alivio térmico. Las conexiones de alivio térmico se utilizan para aislar térmicamente el pin conectado del plano de cobre sólido al soldar la placa. Las reglas de diseño del editor de PCB permiten definir la geometría del alivio térmico de cada uno o de todos los pads que se conectan al plano de alimentación.

La regla de diseño Power Plane Connect Style especifica el estilo de conexión entre un pin de componente y un plano de alimentación. Hay tres opciones de conexión disponibles

• Relief Connect
• Direct Connect
• No Connect

También se ofrece compatibilidad especial para conectar pines de alimentación SMD a capas de plano de alimentación. Los pads SMD de una red conectada a un plano de alimentación se marcan automáticamente como conectados al plano correspondiente. El enrutador automático completa la conexión física de estos pads colocando un escape (fanout), que consiste en una pista corta y una vía con una conexión de alivio térmico o directa a la capa de plano.

Conexión de alivio térmico de un pad a un plano de alimentación. Las regiones coloreadas indican áreas sin cobre.

Cuando se asigna una red a un plano de alimentación, aparece una pequeña cruz en cada pad de la red en la capa de plano de alimentación correspondiente. La cruz se muestra como '+' para una conexión de alivio térmico y como 'x' para una conexión directa. Como los pads conectados directamente tienen cobre sólido hasta el pin, muestran el color del plano hasta el orificio del pad.

Pads que no se conectan a un plano de alimentación

Los pads que no se conectan al plano quedan aislados de él mediante una región sin cobre. Esta región sin cobre se especifica en la regla de diseño Power Plane Clearance como una expansión radial alrededor del orificio del pad.

Conexión de vías a planos de alimentación

Al igual que los pads, las vías se conectan automáticamente a una capa de plano de alimentación interno con el mismo nombre de red. La vía se conectará según la Power Plane Connect Style regla de diseño aplicable. Si no desea que las vías se conecten a los planos de alimentación, añada una regla de diseño Power Plane Connect Style con un estilo de conexión No Connect y una consulta de ámbito IsVia.

Consideraciones de fabricación

Consulte con su fabricante las dimensiones adecuadas para las conexiones de alivio térmico. Compruebe también que los pads o las vías que no se conectan no rodeen por completo un pad conectado, ya que esto podría provocar accidentalmente que el pad conectado quede aislado y desconectado. Asegúrese de no eliminar demasiado cobre y de lograr un equilibrio entre la máxima cantidad de cobre y un coste de fabricación asequible.

Desconexión de pads y vías del plano

Puede utilizar consultas en las reglas de diseño Power Plane Connect Style para limitar aún más qué pads o vías se conectan o no a un plano de alimentación. Los pads se pueden seleccionar por el nombre de su designador o por sus propiedades físicas, como el tamaño del pad. Como las vías no tienen designadores, deben seleccionarse por sus propiedades físicas, como el diámetro de la vía.

Definición del alcance para pads y vías específicos que no se conectan a un plano de alimentación

Para desconectar, por ejemplo, solo los pads cuyo nombre de designador comience por U7, podría utilizar la consulta (ObjectKind = 'Pad') y (Name Like 'U7-*') para definir el alcance de una regla de diseño Power Plane Connect Style . El estilo de conexión se establecería en No Connect. Otra consulta, como (ObjectKind = 'Pad') y (HoleSize = 25), seleccionaría únicamente los pads con un tamaño de taladro de 25 mils.

Al trabajar con vías que no desea conectar, puede modificarlas para que tengan una propiedad especial que permita identificarlas de forma inequívoca, como un diámetro de vía diferente, y luego definir el alcance de una nueva regla de diseño Power Plane Connect Style con un estilo de conexión No Connect que se aplique únicamente a esas vías. La consulta (ObjectKind = 'Via') And (ViaDiameter = '24') podría utilizarse para seleccionar vías con un diámetro de 24 mil, por ejemplo. La consulta InNet('VCC') y IsVia podría utilizarse para seleccionar únicamente las vías conectadas a la red VCC.

Como alternativa, si no puede seleccionar las vías mediante los métodos anteriores, puede convertirlas en pads libres y utilizar los nombres de los pads para definir el alcance. Para ello, seleccione las vías que no desea conectar, conviértalas en pads libres (Tools » Convert » Convert Selected Vias to Free Pads) y asigne a todas el mismo nombre de designador, por ejemplo, NoPlaneConnect. A continuación, añada una nueva regla de diseño Power Plane Connect Style y especifique el alcance (ObjectKind = 'Pad') y (Name = 'Free‑NoPlaneConnect') de la regla. Seleccione también No Connect como Connect Style. Todos los pads libres denominados NoPlaneConnect se desconectarán de todas las capas de plano de alimentación.

Eliminación de un plano interno

Para eliminar un plano interno, haga clic con el botón derecho en la capa en Layer Stack Manager y, a continuación, seleccione Delete layer en el menú contextual. Se abrirá un cuadro de diálogo de confirmación que advierte de que todas las primitivas de la capa se eliminarán al eliminarla. Haga clic en Yes para confirmar.

Planos divididos

Un plano dividido es una región cerrada de un plano interno que divide el plano en áreas separadas y eléctricamente aisladas. Cada región se define colocando líneas de contorno que engloben todos los pines de esa red. A continuación, cada área se asigna a una red diferente, lo que crea dos o más planos divididos en una misma capa de plano de alimentación interno.

Los planos de alimentación se pueden dividir en cualquier número de regiones independientes. Este proceso de división es similar a cortar el plano en secciones, donde el ancho de la línea que se coloca define la distancia de separación. Los planos de alimentación se construyen en negativo, por lo que estas líneas de contorno especiales se convierten en una franja sin cobre que crea la separación entre esta red y las redes adyacentes del plano.

Planos divididos en un plano interno

Por lo general, primero se asigna al plano interno la red con el mayor número de pads y, después, se definen regiones separadas para las demás redes que se desea conectar mediante este plano. Los pads que no puedan englobarse en la región del plano dividido seguirán mostrando una línea de conexión, lo que indica que deben conectarse en una capa de señal.

Inspección de las áreas del plano dividido

También puede seleccionar los planos internos y su contenido para visualizarlos mediante el modo Split Plane Editor disponible en el menú desplegable situado en la parte superior del panel PCB , como se muestra a continuación.

Configure las opciones de resaltado y, a continuación, haga un solo clic para resaltar un área dividida y los pads y las vías conectados.

Al configurar las opciones de resaltado de la parte superior del panel (Select, Zoom, etc.), puede, tras establecer como capa activa la capa de plano de interés, hacer un solo clic en un Net Name para localizar un área de plano dividido y los pads y las vías que se conectan a ella (se resalta toda el área delimitada por las pistas de retranqueo o de división del plano). Al hacer doble clic en un Net Name del panel, se abrirá el cuadro de diálogo Split Plane, donde se puede cambiar la red asignada a ese plano dividido.

Uso de varios planos divididos en un diseño

Se admiten divisiones dentro de otras divisiones (divisiones anidadas o islas), por lo que no es necesario rodear la división interna con una división externa. Si desea subdividir un plano dividido, puede seguir añadiendo objetos en la capa de plano de alimentación dentro de un plano dividido existente para crear otras regiones eléctricamente aisladas.

Consejos de visualización al definir un plano dividido

Al definir un área dividida en un plano de alimentación, a veces puede resultar difícil ver todos los pads que debe englobar. Para que los pads de la red que desea conectar al plano dividido sean más visibles, se recomienda aplicar las siguientes técnicas antes de empezar.

• Recalcule y redibuje los planos internos seleccionando Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer / Rebuild Split Planes on All Layers en los menús principales.
• Utilice el modo 3D (atajo 3) para ver la representación física de los planos, incluidas las zonas sin cobre y las conexiones de alivio térmico. Para facilitar el desplazamiento por la placa en 3D, ajuste la escala del grosor de la placa para aumentar la distancia vertical entre las capas. El control Board thickness (Scale) se encuentra en la región 3D Settings de la pestaña View Options del panel View Configuration.

• Muestre solo las capas imprescindibles (por ejemplo, la capa Keep Out, la capa multicapa y las capas mecánicas necesarias) y el plano de alimentación que se esté utilizando. Desactive las demás capas en el panel View Configuration .
• Oculte todas las líneas de conexión (View » Connections » Hide All). En ocasiones, puede resultar útil mostrar una red individual para la que desee crear un plano dividido (View » Connections » Show Net).
• Establezca un color diferente para cada red del plano dividido seleccionando Nets en el panel PCB y, a continuación, haga doble clic en el nombre de una red para abrir el cuadro de diálogo Editar red.
• Para mostrar todos los pads asociados a una red, haga clic en esa red en el plano interno del panel PCB para enmascarar todos los demás pads.
• Asigne la red con el mayor número de pads al plano de alimentación interno y, a continuación, utilice consultas como InNet('A') o InNet('B') en el panel PCB List para mostrar las redes, por ejemplo, algunas con alivio térmico y otras sin él, y distinguir así los pads que se incluirán en un nuevo plano dividido.
• Para mostrar solo los objetos y las primitivas de los planos internos, utilice la consulta OnPlane en el panel PCB Filter.

Definir un plano dividido

En Altium Designer, puede colocar cualquier configuración de líneas, arcos, pistas y rellenos sobre un plano de alimentación interno para definir un plano dividido. En cuanto estos elementos aíslan una parte del plano del resto, se crea un nuevo plano dividido. A continuación, se asocia una red al nuevo plano dividido. La forma más sencilla de definir planos divididos es utilizar el comando Place » Line y luego dibujar el contorno del plano dividido sobre el plano de alimentación.

Creación de un plano dividido mediante el comando Place » Line .

Esto crea una línea en el fotolito que deja una zona sin cobre y que, a su vez, divide los planos. La anchura de la línea determina la anchura de separación. Al hacer clic con el botón derecho para salir del modo de colocación de líneas, se analiza el plano y se crea la región dividida independiente. Para cambiar la anchura de separación entre el plano dividido y el plano de alimentación interno durante la colocación de líneas, pulse Tab para abrir el cuadro de diálogo Line Constraints y cambiar el valor de Line Width.

Para dividir un plano de alimentación en dos planos divididos, puede dibujar una línea recta que atraviese la placa de una pista de retranqueo a otra. Siempre que las líneas se conecten a las pistas de retranqueo, formarán un área aislada y, por lo tanto, crearán el objeto de tipo polígono que identifica el plano dividido. Asegúrese de que las líneas se conecten; cuando lo hacen, el cursor cambia a un círculo grande en una cruz.

Puede crear una forma cerrada con líneas, arcos y rellenos para definir un plano dividido de forma irregular. También puede utilizar líneas, arcos, rellenos o pistas existentes en la capa interna para formar parte del contorno. Siempre que se conecten para formar un área cerrada, se creará un plano dividido.

Usar arcos, rellenos y pistas

Si utiliza arcos para dividir el plano, se recomienda colocar un segmento corto de pista entre los segmentos de arco. Tenga en cuenta que utilizar un relleno (Place » Fill) no creará un plano dividido; solo creará una zona sin cobre. Por ejemplo, puede utilizar rellenos para crear los bordes exteriores del plano dividido colocándolos en lugar de líneas.

Si coloca pistas en lugar de líneas mediante el comando Place » Interactive Routing, asegúrese de que las pistas estén configuradas como No Net y de que el plano dividido esté asociado al nombre de red correspondiente.

Asignar una red a un plano dividido

Para comprobar si cada región dividida está definida correctamente, haga clic una vez en una de ellas; si es una región cerrada, solo se resaltará esa área.

Un plano dividido resaltado.

Si el área se resalta, haga doble clic en ella para abrir el cuadro de diálogo Split Plane y comprobar o establecer la asignación de red. Seleccione el nombre de red del plano dividido en la lista desplegable del cuadro de diálogo, que incluye todas las redes cargadas actualmente para el diseño.

Actualizar las conexiones del plano dividido

Después de mover o colocar objetos en el espacio de diseño, la forma de un plano dividido puede cambiar sin que la visualización se actualice automáticamente. Seleccione Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer o Rebuild Split Planes on All Layers para recalcular y redibujar los planos.

Colocación de pistas en una capa de plano

Dado que las capas de plano se construyen en negativo, una pista colocada en una capa de plano de alimentación crea un área sin cobre y, por tanto, no establece ninguna conexión. Por este motivo, no se puede utilizar una sola pista en una capa de plano para enrutar una red. Si desea enrutar una red en una capa de plano de alimentación, debe crear una isla de cobre muy estrecha que tenga el tamaño de la pista que desea utilizar. Al crear un contorno de líneas alrededor del área que actuará como pista (Place » Line), se crea un plano dividido que puede asignarse a la red necesaria.

Como alternativa, si hay varias conexiones que deben enrutarse en la misma capa que el plano, probablemente resulte más eficiente utilizar una capa de señal para enrutar las conexiones y después utilizar un plano poligonal (relleno de cobre) para crear el plano de alimentación.

Revisión y edición de planos divididos

El modo Split Plane Editor del panel PCB permite visualizar y gestionar fácilmente los planos divididos del diseño de PCB actual. Este modo del panel se divide en tres regiones:

• Layers - esta región muestra todas las capas de plano internas definidas actualmente en el diseño y cuántos planos divididos existen por capa.
• Split Planes - esta región se completa con los planos divididos contenidos en una entrada seleccionada de la región Layers.
• Pads/Vias On Split Plane - esta región se completa con los pads y las vías de una entrada seleccionada en la región Split Planes del panel.

Región de capas

La región Layers del panel muestra todas las capas de plano internas definidas actualmente para el diseño. Dentro de esta región, la columna Split Count indica cuántos planos divididos existen en la capa de plano correspondiente. Un número de divisiones de «1» significa que la capa no se ha dividido y que la propia capa se considera una única división.

Región de planos divididos

Después de seleccionar una entrada en la región Layers, todos los planos divididos de esa capa de plano y sus redes asignadas se cargarán en la región Split Planes del panel.

Para cada entrada se muestra un Node Count. Este valor refleja el número total de pads y vías conectados a esa región del plano dividido.

Haga doble clic en una red con planos divididos (o haga clic con el botón derecho y seleccione Properties en el menú contextual) para abrir el cuadro de diálogo Split Plane, que permite cambiar la red a la que está asignado el plano dividido.

Región de pads/vías del plano dividido 

Al hacer clic con el botón derecho en un pad o una vía de la región Split Planes del panel y seleccionar Properties en el menú contextual, se abrirá el Properties panel asociado a esa primitiva.

Eliminación de un plano dividido

Dado que una división se forma cuando se aísla una región de un plano, eliminar cualquier objeto que forme el contorno de la división eliminará dicha división. Por tanto, para eliminar planos divididos, elimine las primitivas que los delimitan, por ejemplo, las líneas u otras primitivas que crean el contorno del plano dividido. Recuerde que las pistas de retranqueo solo pueden eliminarse quitando el plano interno de la pila de capas.

Comprobación de reglas de diseño de planos divididos

Puede comprobar los planos divididos y generar informes sobre ellos durante la comprobación de reglas de diseño por lotes (DRC) para las siguientes reglas:

• Planos interrumpidos
• Regiones de cobre aislado
• Conexiones térmicas insuficientes.

Estas opciones están disponibles en DRC Report Options del cuadro de diálogo Comprobador de reglas de diseño, al que se accede seleccionando Tools » Design Rule Check en los menús principales. Habilite las opciones deseadas para que se comprueben y se incluyan en el informe durante la DRC por lotes.

Al crear el informe, se muestran en él todas las infracciones de estas reglas. Haga clic en el informe para mostrar el error asociado en el editor de PCB.

Planos interrumpidos

Los planos interrumpidos se producen cuando un área del plano que está conectada a la red queda desconectada eléctricamente del resto del plano. Esto puede ocurrir, por ejemplo, cuando se coloca un conector sobre un plano dividido sin conectarlo a él. Las áreas sin cobre alrededor de los pines se unen hasta cortar por completo el cobre del plano, dividiéndolo efectivamente en dos partes.

Plano interrumpido que muestra un error de DRC (verde brillante).

Cobre aislado

El cobre aislado hace referencia a secciones de cobre que no tienen conexión con la red y que también quedan desconectadas eléctricamente del plano original. Esto puede ocurrir, por ejemplo, con un conector (no conectado al plano) cuyos pines están muy próximos entre sí y cuyas áreas sin cobre alrededor de los pines se unen, aislando zonas de cobre del resto del plano.

Región de cobre aislado que muestra un error de DRC (verde brillante).

Conexiones térmicas con cobre insuficiente

Las conexiones térmicas son conexiones al plano con «recortes» de alivio térmico a su alrededor para reducir la conductividad térmica hacia el cobre del plano. Estas conexiones pueden quedar con cobre insuficiente cuando las zonas sin cobre reducen la superficie de los radios de cobre que las conectan al plano. Esta regla también comprueba la superficie de la conexión térmica (no solo los radios) frente a cualquier zona sin cobre que invada la conexión.

Conexión térmica con cobre insuficiente que muestra un error de DRC (verde brillante).

Notas sobre los planos divididos

• Las comprobaciones de DRC de los planos divididos solo se realizan en modo por lotes.
• Debe volver a ejecutar la DRC por lotes para eliminar los marcadores de error o seleccionar Tools » Reset Error Markers en los menús principales.
• Recalcule y vuelva a dibujar los planos internos después de editarlos seleccionando Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer/Rebuild Split Planes on All Layers en los menús principales.
• Las comprobaciones de planos interrumpidos y cobre aislado requieren que la regla Un-Routed Net (categoría Electrical ) esté habilitada para Batch.