Plans de masse fractionnés et d’alimentation internes

Plans d'alimentation

Les plans d'alimentation sont des couches internes spéciales en cuivre plein, généralement utilisées pour fournir une référence de masse ou d'alimentation électriquement stable sur l'ensemble du PCB. 

L'éditeur de PCB prend en charge jusqu'à 16 plans d'alimentation internes. Vous pouvez affecter un net à chacune de ces couches ou partager un plan d'alimentation entre plusieurs nets en le divisant en deux zones isolées ou plus. Les connexions des pastilles et des vias aux plans d'alimentation sont contrôlées par les Plane règles de conception. Les plans d'alimentation sont créés en négatif. Les objets placés sur la couche du plan d'alimentation deviennent des zones sans cuivre ; les zones restantes seront en cuivre plein.

Création de plans internes

Les plans d'alimentation internes sont ajoutés à une conception de PCB via le Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Pour ajouter un nouveau plan interne, sélectionnez la couche existante sous laquelle vous souhaitez créer la couche interne, puis faites un clic droit et sélectionnez Insert layer below » Plane dans le menu contextuel. Un nouveau plan interne est ajouté à l'empilage des couches. Utilisez le mode Layer Stack Manager du panneau Properties pour définir les propriétés de la couche de plan interne sélectionnée. Les modifications apportées dans le Layer Stack Manager doivent être enregistrées pour être disponibles dans l'éditeur de PCB.

Affichage des plans

Pour afficher une couche de plan dans l'espace de conception, vous devez d'abord activer l'affichage de la couche dans l'onglet Layer & Colors du panneau View Configuration . 

Affectation d'un net à un plan

Le net est affecté au plan dans l'éditeur de PCB. Pour affecter un net à une couche de plan :

1. Définissez la couche de plan comme couche active dans l'espace de conception (cliquez sur un onglet de couche en bas de l'éditeur pour rendre cette couche active).
2. Double-cliquez n'importe où à l'intérieur du contour de la carte. 
3. La boîte de dialogue Split Plane s'ouvre ; sélectionnez le net souhaité dans la liste Connect to Net. Notez que la boîte de dialogue ne s'ouvre pas si la couche active n'est pas une couche de plan.

Après avoir sélectionné une couche de plan d'alimentation, double-cliquez n'importe où sur cette couche pour lui affecter un net.

En mode d'affichage 3D (raccourci 3), vous pouvez voir les représentations physiques de tous les objets des plans internes. En plus de l'affichage, le passage en mode monocouche et la sélection successive de chaque couche dans la vue 3D vous permettent de parcourir la carte et facilitent l'inspection des plans internes.

Vue 3D d'une connexion par frein thermique sur un plan divisé.

Les couches de plan peuvent également être divisées ou scindées en zones distinctes, chaque zone étant affectée à un net différent. En savoir plus sur la définition de plans divisés.

Retrait des couches de plan

Lorsqu'un plan d'alimentation est ajouté, un ensemble de pistes de retrait est automatiquement créé autour du contour de la carte pour maintenir le plan en retrait par rapport au bord de la carte. Les pistes de retrait ne peuvent pas être modifiées à l'écran, car leur largeur est définie par la propriété de distance de retrait dans le gestionnaire d'empilage des couches (voir l'image). Lorsque la valeur de retrait d'un plan interne est modifiée, ces pistes sont régénérées automatiquement.

Création de zones évidées 

Pour « évider » des sections d'un plan, c'est-à-dire créer des zones sans cuivre, vous pouvez placer des lignes, des arcs ou des remplissages à l'aide des commandes Place afin de constituer la zone sans cuivre.

Connexion des pastilles et des vias à une couche de plan

Les connexions aux pastilles et aux vias sont affichées sur un plan d'alimentation conformément aux Plane règles de conception définies dans la boîte de dialogue PCB Rules and Constraints Editor (Design » Rules). Vous pouvez créer des règles supplémentaires pour les pastilles et les vias présentant des exigences particulières de connexion ou d'absence de connexion.

Connexions par frein thermique et connexions directes

Les pastilles traversantes et les vias peuvent être reliés à un plan d'alimentation par une connexion directe ou par une connexion par frein thermique. Les connexions par frein thermique servent à isoler thermiquement la broche connectée du plan de cuivre plein lors du brasage de la carte. Les règles de conception de l'éditeur de PCB vous permettent de définir la forme du frein thermique de chaque pastille ou de toutes les pastilles connectées au plan d'alimentation.

La règle de conception Power Plane Connect Style définit le style de connexion entre une broche de composant et un plan d'alimentation. Trois options de connexion sont disponibles

• Relief Connect
• Direct Connect
• No Connect

Une prise en charge spécifique est également prévue pour connecter les broches d'alimentation CMS aux couches de plan d'alimentation. Les pastilles CMS d'un net connecté à un plan d'alimentation sont automatiquement marquées comme connectées au plan approprié. Le routeur automatique réalise la connexion physique de ces pastilles en plaçant un échappement, constitué d'une courte piste et d'un via relié à la couche de plan par un frein thermique ou une connexion directe.

Connexion par frein thermique d'une pastille sur un plan d'alimentation. Les zones colorées indiquent les zones sans cuivre.

Lorsqu'un net est affecté à un plan d'alimentation, une petite croix apparaît au niveau de chaque pastille du net sur la couche de plan d'alimentation correspondante. La croix s'affiche sous la forme « + » pour une connexion par frein thermique et sous la forme « x » pour une connexion directe. Les pastilles connectées directement étant entourées de cuivre plein jusqu'à la broche, la couleur du plan apparaît jusqu'au trou de la pastille.

Pastilles non connectées à un plan d'alimentation

Les pastilles qui ne sont pas connectées au plan en sont isolées par une zone sans cuivre. Cette zone sans cuivre est définie dans la règle de conception Power Plane Clearance sous forme d'une expansion radiale autour du trou de la pastille.

Connexion des vias aux plans d'alimentation

Comme les pastilles, les vias se connectent automatiquement à une couche de plan d'alimentation interne portant le même nom de net. Le via se connecte conformément à la Power Plane Connect Style règle de conception applicable. Si vous ne souhaitez pas que les vias se connectent aux plans d'alimentation, ajoutez une règle de conception Power Plane Connect Style avec un style de connexion No Connect et une requête de portée IsVia.

Considérations relatives à la fabrication

Consultez votre fabricant pour déterminer les dimensions appropriées des connexions par frein thermique. Vérifiez également que les pastilles ou les vias non connectés n’entourent pas complètement une pastille connectée, car cela pourrait accidentellement isoler et déconnecter cette dernière. Veillez à ne pas retirer trop de cuivre et à trouver un équilibre entre une quantité maximale de cuivre et un coût de fabrication raisonnable.

Déconnexion des pastilles et des vias du plan

Vous pouvez utiliser des requêtes dans les règles de conception Power Plane Connect Style pour limiter davantage les pastilles ou les vias qui se connectent ou non à un plan d’alimentation. Les pastilles peuvent être ciblées par leur désignateur ou par leurs propriétés physiques, comme leur taille. Les vias n’ayant pas de désignateur, ils doivent être ciblés par leurs propriétés physiques, comme leur diamètre.

Ciblage de pastilles et de vias spécifiques qui ne se connectent pas à un plan d’alimentation

Pour déconnecter, par exemple, uniquement les pastilles dont le désignateur commence par U7, vous pouvez utiliser la requête (ObjectKind = 'Pad') et (Name Like 'U7-*') pour définir la portée d’une règle de conception Power Plane Connect Style . Le style de connexion doit être défini sur No Connect. Une autre requête, telle que (ObjectKind = 'Pad') et (HoleSize = 25), ciblerait uniquement les pastilles dont le diamètre de perçage est de 25 mils.

Lorsque vous travaillez avec des vias que vous ne souhaitez pas connecter, vous pouvez les modifier pour leur attribuer une propriété particulière permettant de les identifier de manière unique, par exemple un diamètre de via différent, puis définir la portée d’une nouvelle règle de conception Power Plane Connect Style avec un style de connexion No Connect afin de cibler uniquement ces vias. La requête (ObjectKind = 'Via') And (ViaDiameter = '24') peut être utilisée pour cibler les vias d’un diamètre de 24 mils, par exemple. La requête InNet('VCC') et IsVia peut être utilisée pour cibler uniquement les vias rattachés au net VCC.

Si vous ne pouvez pas sélectionner les vias à l’aide des méthodes ci-dessus, vous pouvez aussi les convertir en pastilles libres, puis utiliser les noms des pastilles pour définir la portée. Pour ce faire, sélectionnez les vias que vous ne souhaitez pas connecter, convertissez-les en pastilles libres (Tools » Convert » Convert Selected Vias to Free Pads) et attribuez-leur à tous le même désignateur, par exemple NoPlaneConnect. Ajoutez ensuite une nouvelle règle de conception Power Plane Connect Style et définissez sa portée à l’aide de (ObjectKind = 'Pad') et (Name = 'Free‑NoPlaneConnect'). Sélectionnez également No Connect comme Connect Style. Toutes les pastilles libres nommées NoPlaneConnect seront déconnectées de toutes les couches de plan d’alimentation.

Suppression d’un plan interne

Pour supprimer un plan interne, cliquez avec le bouton droit sur la couche dans Layer Stack Manager puis choisissez Delete layer dans le menu contextuel. Une boîte de dialogue de confirmation s’ouvre pour vous avertir que toutes les primitives présentes sur la couche seront supprimées avec celle-ci. Cliquez sur Yes pour confirmer.

Plans divisés

Un plan divisé est une région fermée d’un plan interne qui partage ce dernier en zones distinctes électriquement isolées. Chaque région est définie en plaçant des lignes de délimitation de manière à englober toutes les broches du net concerné. Chaque zone est ensuite affectée à un net différent, ce qui crée au moins deux plans divisés sur une même couche de plan d’alimentation interne.

Les plans d’alimentation peuvent être divisés en un nombre quelconque de régions distinctes. Ce processus revient à découper le plan en sections, la largeur de la ligne placée définissant la distance de séparation. Les plans d’alimentation sont construits en négatif : ces lignes de délimitation particulières deviennent donc des bandes sans cuivre, créant ainsi une séparation entre ce net et les nets adjacents sur le plan.

Plans divisés sur un plan interne

En général, le net comportant le plus grand nombre de pastilles est d’abord affecté au plan interne, puis des régions sont délimitées pour les autres nets que vous souhaitez connecter par l’intermédiaire de ce plan. Les pastilles qui ne peuvent pas être englobées dans la région du plan divisé continuent d’afficher une ligne de connexion, indiquant qu’elles doivent être connectées sur une couche de signal.

Examen des zones de plan divisé

Vous pouvez également sélectionner les plans internes et leur contenu à afficher à l’aide du mode Split Plane Editor disponible dans le menu déroulant situé en haut du panneau PCB , comme illustré ci-dessous.

Configurez les options de mise en surbrillance, puis cliquez une fois pour mettre en surbrillance une zone divisée ainsi que les pastilles et les vias connectés.

En configurant les options de mise en surbrillance en haut du panneau (sélection, zoom, etc.), vous pouvez, après avoir défini comme couche active la couche de plan qui vous intéresse, cliquer une fois sur un Net Name pour localiser une zone de plan divisé ainsi que les pastilles et les vias qui y sont connectés (toute la zone à l’intérieur des pistes de retrait / de délimitation du plan divisé est mise en surbrillance). Un double-clic sur un Net Name dans le panneau ouvre la boîte de dialogue Split Plane, dans laquelle vous pouvez modifier le net affecté à ce plan divisé.

Utilisation de plusieurs plans divisés dans une conception

Les divisions à l’intérieur d’autres divisions (divisions imbriquées ou îlots) sont prises en charge : il n’est donc pas nécessaire d’entourer la division interne par une division externe. Si vous souhaitez subdiviser davantage un plan divisé, vous pouvez continuer à ajouter des objets sur la couche de plan d’alimentation, à l’intérieur d’un plan divisé existant, pour créer d’autres régions électriquement isolées.

Conseils d’affichage lors de la définition d’un plan divisé

Lorsque vous définissez une zone divisée dans un plan d’alimentation, il peut parfois être difficile de voir toutes les pastilles qu’elle doit englober. Pour rendre les pastilles du net que vous souhaitez connecter au plan divisé plus visibles, les techniques suivantes sont recommandées avant de commencer.

• Recalculez et redessinez les plans internes en sélectionnant Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer / Rebuild Split Planes on All Layers dans les menus principaux.
• Utilisez le mode 3D (raccourci 3) pour afficher la représentation physique des plans, y compris les zones sans cuivre et les connexions par freins thermiques. Pour faciliter la navigation dans la carte en 3D, augmentez l'échelle de l'épaisseur de la carte afin d'accroître la distance verticale entre les couches. La commande Board thickness (Scale) se trouve dans la zone 3D Settings de l'onglet View Options du panneau View Configuration.

• Affichez uniquement un minimum de couches (par exemple, la couche d'exclusion, la multicouche et les couches mécaniques nécessaires) ainsi que le plan d'alimentation utilisé. Désactivez les autres couches dans le panneau View Configuration .
• Masquez toutes les lignes de connexion (View » Connections » Hide All). Il peut parfois être utile d'afficher un net individuel pour lequel vous souhaitez créer un plan scindé (View » Connections » Show Net).
• Attribuez une couleur différente à chaque net du plan scindé en sélectionnant Nets dans le panneau PCB, puis double-cliquez sur un nom de net pour ouvrir la boîte de dialogue Edit Net.
• Pour afficher toutes les pastilles associées à un net, cliquez sur ce net sur le plan interne dans le panneau PCB afin de masquer toutes les autres pastilles.
• Affectez le net comportant le plus grand nombre de pastilles au plan d'alimentation interne, puis utilisez des requêtes telles que InNet('A') ou InNet('B') dans le panneau PCB List pour afficher les nets, par exemple certains avec des freins thermiques et d'autres sans, afin de distinguer les pastilles à inclure dans un nouveau plan scindé.
• Pour afficher uniquement les objets et les primitives sur les plans internes, utilisez la requête OnPlane dans le panneau PCB Filter.

Définir un plan scindé

Dans Altium Designer, vous pouvez placer n'importe quelle configuration de lignes, d'arcs, de pistes et de remplissages sur un plan d'alimentation interne pour définir un plan scindé. Dès que ces éléments isolent une partie du plan du reste, un nouveau plan scindé est créé. Un net est ensuite associé au nouveau plan scindé. La méthode la plus simple pour définir des plans scindés consiste à utiliser la commande Place » Line, puis à tracer le contour du plan scindé sur le plan d'alimentation.

Création d'un plan scindé à l'aide de la commande Place » Line .

Cette opération crée dans le dessin de fabrication une ligne dépourvue de cuivre, ce qui scinde les plans. La largeur de la ligne détermine la largeur de séparation. Lorsque vous cliquez avec le bouton droit pour quitter le mode de placement de lignes, le plan est analysé et la région scindée indépendante est créée. Pour modifier la largeur de séparation entre le plan scindé et le plan d'alimentation interne pendant le placement des lignes, appuyez sur Tab pour ouvrir la boîte de dialogue Line Constraints et modifier la valeur Line Width.

Pour diviser un plan d'alimentation en deux plans scindés, vous pouvez tracer une ligne droite traversant la carte d'une piste de retrait à l'autre. Tant que les lignes rejoignent les pistes de retrait, elles forment une zone isolée et créent donc l'objet de type polygone qui identifie le plan scindé. Assurez-vous que les lignes se rejoignent ; le curseur prend la forme d'un grand cercle dans une croix lorsque les lignes se rejoignent.

Vous pouvez créer une forme fermée à partir de lignes, d'arcs et de remplissages pour définir un plan scindé de forme inhabituelle. Vous pouvez également utiliser des lignes, des arcs, des remplissages ou des pistes existants sur la couche interne pour constituer une partie du contour. Dès lors qu'ils se rejoignent pour former une zone fermée, un plan scindé est créé.

Utiliser des arcs, des remplissages et des pistes

Si vous utilisez des arcs pour scinder le plan, il est recommandé de placer un court segment de piste entre les segments d'arc. Notez que l'utilisation d'un remplissage (Place » Fill) ne crée pas de plan scindé, mais uniquement une zone sans cuivre. Vous pouvez, par exemple, utiliser des remplissages pour créer les bords extérieurs du plan scindé en les plaçant à la place des lignes.

Si vous placez des pistes plutôt que des lignes à l'aide de la commande Place » Interactive Routing, assurez-vous que les pistes sont définies sur No Net et que c'est le plan scindé qui est associé au nom de net approprié.

Affecter un net à un plan scindé

Pour vérifier que chaque région scindée est correctement définie, cliquez une fois sur une région ; s'il s'agit d'une région fermée, seule cette zone est mise en surbrillance.

Un plan scindé mis en surbrillance.

Si la zone est mise en surbrillance, double-cliquez dessus pour ouvrir la boîte de dialogue Split Plane afin de vérifier ou de définir l'affectation du net. Sélectionnez le nom du net du plan scindé dans la liste déroulante de la boîte de dialogue, qui contient tous les nets actuellement chargés pour la conception.

Mettre à jour les connexions des plans scindés

Après le déplacement ou le placement d'objets dans l'espace de conception, la forme d'un plan scindé peut être modifiée sans que l'affichage soit automatiquement mis à jour. Sélectionnez Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer ou Rebuild Split Planes on All Layers pour recalculer et redessiner les plans.

Placement de pistes sur une couche de plan

Les couches de plan étant construites en négatif, une piste placée sur une couche de plan d’alimentation crée une zone sans cuivre et n’établit donc aucune connexion. Par conséquent, vous ne pouvez pas utiliser une simple piste sur une couche de plan pour router un net. Si vous souhaitez router un net sur une couche de plan d’alimentation, vous devez créer un îlot de cuivre très fin, de la taille de la piste souhaitée. En créant un contour constitué de lignes autour de la zone qui servira de piste (Place » Line), vous créez une zone de plan subdivisé qui peut ensuite être affectée au net souhaité.

Si plusieurs connexions doivent être routées sur la même couche que le plan, il est probablement plus efficace d’utiliser une couche de signal pour router les connexions, puis de créer le plan d’alimentation à l’aide d’un plan polygonal (remplissage de cuivre).

Examen et modification des plans subdivisés

Le mode Split Plane Editor du panneau PCB permet de visualiser et de gérer facilement les plans subdivisés de la conception de PCB actuelle. Dans ce mode, le panneau est divisé en trois zones :

• Layers - cette zone affiche toutes les couches de plan internes actuellement définies dans la conception, ainsi que le nombre de zones de plan subdivisé par couche.
• Split Planes - cette zone affiche les zones de plan subdivisé contenues dans l’entrée sélectionnée dans la zone Layers.
• Pads/Vias On Split Plane - cette zone affiche les pastilles et les vias de l’entrée sélectionnée dans la zone Split Planes du panneau.

Zone des couches

La zone Layers du panneau affiche toutes les couches de plan internes actuellement définies pour la conception. Dans cette zone, la colonne Split Count indique le nombre de zones de plan subdivisé présentes sur la couche de plan correspondante. Un nombre de subdivisions égal à « 1 » signifie que la couche n’a pas été subdivisée et qu’elle est elle-même considérée comme une zone unique.

Zone des plans subdivisés

Après la sélection d’une entrée dans la zone Layers, toutes les zones de plan subdivisé de cette couche de plan et les nets qui leur sont affectés sont chargés dans la zone Split Planes du panneau.

Pour chaque entrée, une valeur Node Count est affichée. Cette valeur correspond au nombre total de pastilles et de vias connectés à cette zone de plan subdivisé.

Double-cliquez sur un net comportant des plans subdivisés (ou faites un clic droit et sélectionnez Properties dans le menu contextuel) pour ouvrir la boîte de dialogue Split Plane, qui permet de modifier le net auquel la zone de plan subdivisé est affectée.

Zone des pastilles/vias sur le plan subdivisé 

Un clic droit sur une pastille ou un via dans la zone Split Planes du panneau, suivi de la sélection de Properties dans le menu contextuel, ouvre le panneau Properties associé à cette primitive.

Suppression d’une zone de plan subdivisé

Une subdivision étant créée lorsqu’une zone d’un plan est isolée, la suppression de tout objet constituant son contour supprime cette subdivision. Par conséquent, pour supprimer des zones de plan subdivisé, supprimez les primitives qui les délimitent, par exemple les lignes ou autres primitives constituant leur contour. N’oubliez pas que les pistes de retrait ne peuvent être supprimées qu’en retirant le plan interne de l’empilage des couches.

Vérification des règles de conception des plans subdivisés

Lors de la vérification des règles de conception (DRC) par lots, vous pouvez contrôler les plans subdivisés et générer un rapport pour les règles suivantes :

• Plans interrompus
• Zones de cuivre isolées
• Connexions thermiques insuffisantes.

Ces options sont disponibles dans DRC Report Options de la boîte de dialogue Vérification des règles de conception, accessible en sélectionnant Tools » Design Rule Check dans les menus principaux. Activez les options souhaitées pour qu’elles soient vérifiées et consignées dans le rapport lors de la DRC par lots.

Lors de la création du rapport, toutes les violations de ces règles y sont affichées. Cliquez dans le rapport pour afficher l’erreur correspondante dans l’éditeur PCB.

Plans interrompus

Un plan est interrompu lorsqu’une zone du plan connectée au net se retrouve électriquement déconnectée du reste du plan. Cela peut par exemple se produire lorsqu’un connecteur est placé en travers d’une zone de plan subdivisé sans y être connecté. Les zones sans cuivre autour des broches se rejoignent jusqu’à couper complètement le cuivre du plan, le divisant ainsi en deux parties.

Plan interrompu avec indication d’une erreur DRC (vert vif).

Cuivre isolé

Le cuivre isolé désigne les portions de cuivre qui ne sont pas connectées au net et qui se retrouvent également électriquement déconnectées du plan d’origine. Cela peut par exemple se produire avec un connecteur (non connecté au plan) dont les broches sont très rapprochées : les zones sans cuivre autour des broches se rejoignent et isolent certaines portions de cuivre du reste du plan.

Zone de cuivre isolée avec indication d’une erreur DRC (vert vif).

Connexions thermiques insuffisantes

Les connexions thermiques sont des connexions au plan entourées de dégagements destinés à réduire la conduction thermique vers le cuivre du plan. Elles peuvent devenir insuffisantes lorsque la surface des branches de cuivre qui les relient au plan est réduite par des zones évidées. Cette règle vérifie également si des zones évidées empiètent sur la surface de la connexion thermique elle-même, et pas seulement sur ses branches.

Connexion thermique insuffisante présentant une erreur DRC (en vert vif).

Remarques sur les plans divisés

• Les vérifications DRC des plans divisés s’effectuent uniquement en mode par lots.
• Vous devez relancer la vérification DRC par lots pour supprimer les marqueurs d’erreur, ou sélectionner Tools » Reset Error Markers dans les menus principaux.
• Après modification, recalculez et redessinez les plans internes en sélectionnant Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer/Rebuild Split Planes on All Layers dans les menus principaux.
• Les vérifications des plans interrompus et du cuivre isolé nécessitent que la règle Un-Routed Net (catégorie Electrical ) soit activée pour Batch.