Plans de masse fractionnés et d’alimentation internes

Plans d'alimentation

Les plans d'alimentation sont des couches internes spéciales en cuivre massif qui sont généralement utilisées pour fournir une masse ou une référence d'alimentation électriquement stable sur l'ensemble du circuit imprimé. 

L'éditeur de circuits imprimés prend en charge jusqu'à 16 plans d'alimentation internes. Vous pouvez attribuer un réseau à chacune de ces couches ou partager un plan d'alimentation entre plusieurs réseaux en le divisant en deux ou plusieurs zones isolées. Les connexions des pastilles et des vias aux plans d'alimentation sont régies 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 vides dans le cuivre ; les zones restantes deviennent du cuivre massif.

Création de plans internes

Les plans d’alimentation internes sont ajoutés à une conception de circuit imprimé via la Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Pour ajouter un nouveau plan interne, sélectionnez la couche existante sous laquelle vous souhaitez créer le plan interne, puis cliquez avec le bouton droit et sélectionnez Insert layer below » Plane dans le menu contextuel. Un nouveau plan interne est ajouté à la pile de couches. Utilisez le Layer Stack Manager mode du Properties panneau pour définir les propriétés de la couche de plan interne sélectionnée. Les modifications apportées dans le Layer Stack Manager doivent être enregistrées pour qu’elles soient disponibles dans l’éditeur de circuits imprimés.

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' Layer & Colors onglet du View Configuration panneau. 

Attribution d’un réseau à un plan

L'affectation du réseau au plan s'effectue dans l'éditeur de circuit imprimé. Pour affecter un réseau à une couche de plan :

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

Après avoir sélectionné un calque de plan d’alimentation, double-cliquez n’importe où sur ce calque pour lui attribuer un réseau.

En mode d’affichage 3D (raccourci 3), vous pouvez voir les représentations physiques de tous les objets de plan interne. Outre la visualisation, en passant en mode « couche unique » et en cliquant successivement sur chaque couche, la vue 3D vous permet de parcourir la carte, ce qui facilite l’inspection des plans internes.

Vue 3D d’une connexion de dissipation thermique sur un plan divisé.

Les couches de plans peuvent également être divisées ou fractionnées en zones distinctes, chacune étant affectée à un réseau différent. En savoir plus sur la définition des plans fractionnés.

Recul 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 afin d’éloigner le plan du bord de celle-ci. Les pistes de retrait ne peuvent pas être modifiées à l’écran, car leur largeur est définie par la propriété « Distance de retrait » dans le gestionnaire de pile de couches (voir image). Lorsque la valeur de retrait d’un plan interne est modifiée, ces pistes sont régénérées automatiquement.

Création de sections d'exclusion

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 Place commandes permettant de définir la zone sans cuivre.

Connexion des pastilles et des vias à un calque de plan

Les connexions aux pastilles et aux vias s’affichent sur un plan d’alimentation conformément aux Plane règles de conception définies dans la PCB Rules and Constraints Editor boîte de dialogue (Design » Rules). Vous pouvez créer des règles supplémentaires pour les pastilles et les vias soumis à des exigences spécifiques en matière de connexion ou de non-connexion.

Connexions de décharge thermique et connexions directes

Les pastilles et vias traversants peuvent être connectés à un plan d’alimentation soit par une connexion directe, soit par une connexion avec dégagement thermique. Les connexions avec dégagement thermique sont utilisées pour isoler thermiquement la broche connectée du plan de cuivre plein lorsque la carte est soudée. Les règles de conception de l’éditeur de circuits imprimés vous permettent de définir la forme de la zone de dégagement thermique de chaque plot, ou de l’ensemble des plots, se connectant au plan d’alimentation.

La Power Plane Connect Style règle de conception spécifie le type 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 des composants CMS aux couches de plan d’alimentation. Les pastilles CMS situées sur un réseau connecté à un plan d’alimentation sont automatiquement marquées comme étant connectées au plan approprié. Le routeur automatique réalise la connexion physique de ces pastilles en plaçant un fanout, c’est-à-dire une piste courte et une via assurant une connexion de dégagement ou directe vers la couche du plan d’alimentation.

Connexion de décharge thermique vers une pastille sur un plan d'alimentation. Les zones colorées indiquent les zones sans cuivre.

Lorsqu’un réseau est affecté à un plan d’alimentation, une petite croix apparaît au niveau de chaque pastille du réseau sur la couche de plan d’alimentation correspondante. La croix s’affiche sous la forme «+» pour une connexion de décharge et sous la forme d’un «x» pour une connexion directe. Les pastilles connectées directement, dont le cuivre est continu jusqu’à la broche, affichent la couleur du plan jusqu’au trou de la pastille.

Pads non connectés à un plan d’alimentation

Les pastilles non connectées au plan sont isolées de celui-ci par une zone sans cuivre. Cette zone sans cuivre est spécifiée dans la Power Plane Clearance règle de conception sous la forme d’une expansion radiale autour du trou de pastille.

Connexion des vias aux plans d’alimentation

Tout comme les pastilles, les vias se connectent automatiquement à une couche de plan d’alimentation interne portant le même nom de réseau. La connexion du via s’effectue conformément à la Power Plane Connect Style . Si vous ne souhaitez pas que les vias se connectent aux plans d’alimentation, ajoutez une Power Plane Connect Style règle de conception avec un style de connexion No Connect et une requête de portée IsVia.

Considérations relatives à la fabrication

Vérifiez auprès de votre fabricant les propriétés dimensionnelles appropriées pour toute connexion de dissipation thermique. Vérifiez également que les pastilles ou les vias non connectés n’entourent pas complètement une pastille connectée, car cela pourrait accidentellement entraîner l’isolement et la déconnexion de 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 Power Plane Connect Style règles de conception pour limiter davantage les pastilles ou vias qui se connectent ou non à un plan d’alimentation. Les pastilles peuvent être ciblées par leur nom de désignation ou par leurs propriétés physiques, telles que leur taille. Les vias n’ayant pas de désignation, ils doivent être ciblés par leurs propriétés physiques, telles que leur diamètre.

Cibler des pastilles et des vias spécifiques qui ne sont pas connectés à un plan d’alimentation

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

Lorsque vous travaillez avec des vias que vous ne souhaitez pas connecter, vous pouvez modifier ces vias afin qu’ils comportent une propriété spécifique permettant de les identifier de manière unique, comme un diamètre différent, puis définir la portée d’une nouvelle Power Plane Connect Style règle de conception avec un No Connect style de connexion correspondant uniquement à ces vias. La requête (ObjectKind = 'Via') et (ViaDiameter = '24') pourraient être utilisées pour cibler les vias d’un diamètre de 24 mils, par exemple. La requête InNet('VCC') et IsVia pour cibler uniquement les vias reliés au réseau VCC.

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

Suppression d’un plan interne

Pour supprimer un plan interne, cliquez avec le bouton droit de la souris sur la couche dans la 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 de la couche seront supprimées lors de la suppression de la couche. Cliquez sur Yes pour confirmer.

Plans divisés

Un plan divisé est une région fermée sur un plan interne qui divise ce dernier en zones distinctes et électriquement isolées. Chaque région est définie en plaçant des lignes de délimitation de manière à englober toutes les broches de ce réseau. Chaque zone est ensuite affectée à un réseau différent, ce qui crée deux plans divisés ou plus sur un même calque de plan d’alimentation interne.

Les plans d’alimentation peuvent être divisés en un nombre illimité de régions distinctes. Ce processus de division s’apparente à une découpe ou un tranchage du plan en sections, la largeur de la ligne que vous placez définissant la distance de séparation. Les plans d'alimentation étant construits en négatif, ces lignes de délimitation spéciales forment une bande dépourvue de cuivre, créant ainsi la séparation entre ce réseau et le ou les réseaux adjacents sur le plan.

Plans divisés sur un plan interne

En règle générale, le réseau comportant le plus grand nombre de pastilles est d’abord affecté au plan interne, puis des zones sont définies (détachées) pour les autres réseaux que vous souhaitez connecter via ce plan. Les pastilles qui ne peuvent pas être incluses dans la zone 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 plans divisés

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

Configurez les options de mise en surbrillance, puis cliquez une fois pour mettre en surbrillance une zone de plan divisé 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 le calque actif sur le calque de plan qui vous intéresse – cliquer une fois sur une Net Name pour localiser une zone de plan divisé ainsi que les pastilles et les vias qui y sont connectés (toute la zone située à l’intérieur des pistes de retrait / de plan divisé est mise en surbrillance). Un double-clic sur un Net Name dans le panneau ouvrira la Split Plane boîte de dialogue, dans laquelle il est possible de modifier le réseau attribué à ce plan divisé.

Utilisation de plusieurs plans d'alimentation divisés dans une conception

Les divisions imbriquées (divisions imbriquées ou îlots) sont prises en charge ; vous n’avez donc pas besoin d’envelopper une division externe autour de la division interne. Si vous souhaitez diviser davantage un plan divisé, vous pouvez continuer à ajouter des objets sur la couche du plan d’alimentation à l’intérieur d’un plan divisé existant afin de créer d’autres régions isolées électriquement.

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

Lorsque vous définissez une zone de séparation dans un plan d’alimentation, il peut parfois être difficile de voir tous les pads que cette zone doit englober. Pour rendre plus visibles les pads du réseau que vous souhaitez connecter au plan de séparation, 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 visualiser la représentation physique des plans, y compris les zones vides et les connexions de décharge thermique. Pour faciliter la navigation sur la carte en 3D, modifiez l'échelle de l'épaisseur de la carte afin d'augmenter la distance verticale entre les couches. Le Board thickness (Scale) commande se trouve dans la 3D Settings zone de l’ View Options onglet du View Configuration panneau.

• N’affichez qu’un minimum de couches (par exemple, la couche « Keep Out », la couche « Multi-layer », les couches mécaniques nécessaires) ainsi que le plan d’alimentation utilisé. Désactivez les autres couches dans le View Configuration panneau.
• Masquez toutes les lignes de connexion (View » Connections » Hide All). Il peut parfois s’avérer utile d’afficher un réseau spécifique pour lequel vous souhaitez créer un plan divisé (View » Connections » Show Net).
• Définissez une couleur différente pour chaque réseau du plan divisé en sélectionnant Nets dans le PCB panneau, puis double-cliquez sur le nom d’un réseau pour ouvrir la boîte de dialogue « Modifier le réseau ».
• Pour afficher toutes les pastilles associées à un réseau, cliquez sur ce réseau sur le plan interne du PCB panneau afin de masquer toutes les autres pastilles.
• Affectez le réseau 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 PCB List panneau pour afficher les réseaux, par exemple certains avec dégagement thermique et d’autres sans, afin de distinguer les pastilles à inclure dans un nouveau plan de division.
• Pour n’afficher que les objets et les primitives situés sur les plans internes, utilisez la requête OnPlane dans le PCB Filter panneau.

Définition d’un plan divisé

Dans Altium Designer, vous pouvez placer n’importe quelle configuration de lignes, d’arcs, de pistes et de remplissages à travers un plan d’alimentation interne pour définir un plan de séparation. Dès que ceux-ci isolent une partie du plan du reste, un nouveau plan de séparation est créé. Un réseau est alors associé à ce nouveau plan de séparation. La manière la plus simple de définir des plans de séparation consiste à utiliser la Place » Line commande, puis de tracer le contour du plan de séparation sur le plan d’alimentation.

Création d’un plan divisé à l’aide de la Place » Line commande.

Cela crée une ligne dans le tracé afin d’exclure le cuivre, ce qui divise les plans. La largeur de la ligne devient la largeur de séparation. Lorsque vous cliquez avec le bouton droit pour quitter le mode de placement de ligne, le plan est analysé et la région divisée indépendante est créée. Pour modifier la largeur de séparation entre le plan divisé et le plan d’alimentation interne pendant le placement de ligne, appuyez sur Tab pour ouvrir la Line Constraints boîte de dialogue et de modifier la Line Width valeur.

Pour diviser un plan d’alimentation en deux plans de séparation, vous pouvez tracer une ligne droite à travers la carte, d’une piste de retrait à l’autre. Tant que les lignes relient les pistes de pullback, elles formeront une zone isolée et créeront ainsi l’objet de type polygone qui identifie le plan de séparation. Assurez-vous que les lignes se rejoignent ; le curseur se transforme en un grand cercle à 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 de séparation de forme inhabituelle. Vous pouvez également utiliser des lignes, des arcs, des remplissages ou des pistes existants sur la couche interne pour former une partie du périmètre. Tant qu’ils se rejoignent pour former une zone fermée, un plan de séparation est créé.

Utilisation d’arcs, de remplissages et de pistes

Si vous utilisez des arcs pour diviser 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 divisé ; cela crée uniquement une zone vide. Vous pouvez utiliser des remplissages pour créer les bords extérieurs du plan divisé en les plaçant à la place de lignes, par exemple.

Si vous placez des pistes à la place de lignes à l’aide de la Place » Interactive Routing commande, assurez-vous que les pistes sont définies sur No Net et que le plan de division est associé au nom de réseau approprié.

Attribution d’un réseau à un plan de division

Pour vérifier si chaque région de division est correctement définie, cliquez une fois sur une division ; s’il s’agit d’une région fermée, seule cette zone s’affichera en surbrillance.

Un plan de division mis en surbrillance.

Si la zone est mise en surbrillance, double-cliquez dessus pour ouvrir la Split Plane boîte de dialogue permettant de vérifier ou de définir l’affectation de réseau. Sélectionnez le nom du réseau du plan de découpage dans la liste déroulante de la boîte de dialogue, qui répertorie tous les réseaux actuellement chargés pour la conception.

Mise à jour des connexions du plan de division

Après avoir déplacé ou placé des objets dans l'espace de conception, la forme d'un plan de division peut être modifiée, ce qui n'est pas automatiquement mis à jour à l'écran. 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 un vide dans le cuivre et, par conséquent, aucune connexion n’est établie. De ce fait, vous ne pouvez pas utiliser une seule piste sur une couche de plan pour acheminer un réseau. Si vous souhaitez acheminer un réseau sur un calque de plan d’alimentation, vous devez créer un îlot de cuivre très fin, de la taille de la piste que vous souhaitez utiliser. En créant un contour de lignes autour de la zone qui agira comme une piste (Place » Line), vous créez un plan divisé qui peut ensuite être attribué au réseau souhaité.

Sinon, s’il y a plusieurs connexions à acheminer sur la même couche que le plan, il est probablement plus efficace d’utiliser une couche de signal pour acheminer les connexions, puis d’utiliser un plan polygonal (remplissage de cuivre) pour créer le plan d’alimentation.

Vérification et modification des plans divisés

Lemode Split Plane Editor du panneau PCB vous permet de visualiser et de gérer facilement les plans divisés de la conception de circuit imprimé en cours. Ce mode du panneau est divisé en trois zones :

• Layers - cette zone affiche toutes les couches de plans internes actuellement définies dans la conception, ainsi que le nombre de plans divisés par couche.
• Split Planes - cette zone affiche les plans divisés contenus dans une entrée sélectionnée de la Layers région.
• Pads/Vias On Split Plane - Cette zone affiche les pastilles et les vias correspondant à une entrée sélectionnée dans la Split Planes région du panneau.

Région des couches

La Layers région du panneau affiche tous les calques de plans internes actuellement définis pour la conception. Dans cette région, la Split Count colonne indique le nombre de plans divisés existant pour la couche de plan correspondante. Un nombre de divisions égal à « 1 » signifie que la couche n’a pas été divisée et que la couche elle-même est considérée comme une seule division.

Zone des plans divisés

Après avoir sélectionné une entrée dans la Layers zone, tous les plans divisés de cette couche de plan ainsi que les réseaux qui leur sont attribués seront chargés dans la Split Planes zone du panneau.

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

Double-cliquez (ou cliquez avec le bouton droit et sélectionnez Properties dans le menu contextuel) sur un réseau comportant des plans de séparation pour ouvrir la Split Plane boîte de dialogue, qui permet de modifier le réseau auquel le plan divisé est affecté.

Pads/vias sur la zone de plan divisé

Cliquez avec le bouton droit de la souris sur « Pad » ou « Via » dans la Split Planes zone du panneau, puis en sélectionnant Properties dans le menu contextuel ouvrira le Properties pour cette primitive.

Suppression d’un plan divisé

Étant donné qu’une division est créée lorsqu’une région d’un plan est isolée, la suppression de tout objet formant la limite de cette division entraînera la suppression de celle-ci. Par conséquent, pour supprimer des plans divisés, supprimez les primitives de délimitation, par exemple les lignes ou autres primitives définissant le contour du plan divisé. N’oubliez pas que les pistes de retrait ne peuvent être supprimées qu’en retirant le plan interne de la pile de couches.

Vérification des règles de conception (DRC) des plans de division

Vous pouvez vérifier et générer des rapports sur les plans de division lors de la vérification par lots des règles de conception (DRC) pour les règles suivantes :

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

Ces options sont disponibles dans la DRC Report Options  boîte de dialogue « Design Ruler Checker », accessible en sélectionnant Tools » Design Rule Check dans les menus principaux. Activez les options souhaitées pour qu’elles soient vérifiées et signalées lors du DRC par lots.

Une fois le rapport généré, toute infraction à ces règles y est affichée. Cliquez dans le rapport pour afficher l’erreur associée dans l’éditeur de circuit imprimé.

Plans rompus

On parle de plans rompus lorsqu’une zone du plan, qui est connectée au réseau, se retrouve électriquement déconnectée du reste du plan. Cela peut par exemple se produire lorsqu’un connecteur est placé en travers d’un plan divisé sans y être connecté. Les vides autour des broches se rejoignent pour sectionner complètement le cuivre du plan, le divisant ainsi en deux parties.

Plan rompu présentant une erreur DRC (vert vif).

Cuivre mort

Le cuivre isolé désigne des sections de cuivre qui n’ont aucune connectivité avec le réseau et qui sont également déconnectées électriquement du plan d’origine. Cela peut par exemple se produire avec un connecteur (non connecté au plan) dont les broches sont très rapprochées, les vides autour des broches se rejoignant pour isoler des zones de cuivre du plan du reste de celui-ci.

Zone de cuivre « mort » présentant une erreur DRC (vert vif).

Connexions thermiques insuffisantes

Les connexions thermiques sont des liaisons vers le plan de masse entourées de « découpes » de dégagement thermique destinées à réduire la conductivité thermique vers le cuivre du plan de masse. Les connexions thermiques peuvent être « déficitaires » lorsque la surface des branches en cuivre les reliant au plan est réduite par des zones vides. Cette règle vérifie également la surface de la connexion thermique (et pas seulement celle des branches) par rapport à toute zone vide empiétant sur celle-ci.

Connexion thermique « appauvrie » présentant une erreur DRC (vert vif).

Remarques sur les plans divisés

• Les vérifications DRC des plans divisés s’effectuent uniquement en mode batch.
• Vous devez relancer la DRC par lots pour supprimer les marqueurs d’erreur ou sélectionner Tools » Reset Error Markers dans les menus principaux.
• Recalculez et redessinez les plans internes après modification 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 rompus et du cuivre inutilisé nécessitent la Un-Routed Net règle (Electrical catégorie) soit Batch activée.