Piani di alimentazione interni e piani suddivisi

Piani di alimentazione

I piani di alimentazione sono speciali strati interni di rame pieno, generalmente utilizzati per fornire un riferimento di massa o di alimentazione elettricamente stabile su tutto il PCB. 

L'editor PCB supporta fino a 16 piani di alimentazione interni. È possibile assegnare una net a ciascuno di questi strati oppure condividere un piano di alimentazione tra più net, suddividendolo in due o più aree isolate. Le connessioni di pad e via ai piani di alimentazione sono controllate dalle Plane regole di progettazione. I piani di alimentazione vengono creati in negativo. Gli oggetti posizionati sullo strato del piano di alimentazione diventano zone prive di rame; le regioni rimanenti saranno costituite da rame pieno.

Creazione di piani interni

I piani di alimentazione interni vengono aggiunti a un progetto PCB tramite Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Per aggiungere un nuovo piano interno, evidenziare lo strato esistente sotto il quale si desidera creare lo strato interno, quindi fare clic con il pulsante destro del mouse e selezionare Insert layer below » Plane dal menu contestuale. Un nuovo piano interno viene aggiunto allo stack degli strati. Utilizzare la modalità Layer Stack Manager del pannello Properties per definire le proprietà dello strato del piano interno selezionato. Le modifiche apportate in Layer Stack Manager devono essere salvate affinché siano disponibili nell'editor PCB.

Visualizzazione dei piani

Per visualizzare uno strato piano nell'area di progettazione, è necessario innanzitutto abilitare la visualizzazione dello strato nella scheda Layer & Colors del pannello View Configuration . 

Assegnazione di una net a un piano

La net viene assegnata al piano nell'editor PCB. Per assegnare una net a uno strato piano:

1. Rendere lo strato piano lo strato attivo nell'area di progettazione (fare clic sulla scheda di uno strato nella parte inferiore dell'editor per renderlo attivo).
2. Fare doppio clic in un punto qualsiasi all'interno del contorno della scheda. 
3. Si aprirà la finestra di dialogo Split Plane; selezionare la net desiderata nell'elenco Connect to Net. Si noti che la finestra di dialogo non si aprirà se lo strato attivo non è uno strato piano.

Dopo aver selezionato uno strato del piano di alimentazione, fare doppio clic in un punto qualsiasi dello strato per assegnare una net.

In modalità di visualizzazione 3D (scorciatoia 3), è possibile vedere le rappresentazioni fisiche di tutti gli oggetti dei piani interni. Oltre alla visualizzazione, passando alla modalità a strato singolo e facendo clic su ciascuno strato in sequenza, la vista 3D consente di attraversare la scheda, facilitando l'ispezione dei piani interni.

Vista 3D di una connessione a sollievo termico su un piano suddiviso.

Gli strati piano possono anche essere suddivisi in aree separate, ciascuna assegnata a una net diversa. Ulteriori informazioni sulla definizione di piani suddivisi.

Arretramento dello strato piano

Quando viene aggiunto un piano di alimentazione, viene creato automaticamente un insieme di piste di arretramento lungo il contorno della scheda per mantenere il piano a distanza dal bordo. Le piste di arretramento non possono essere modificate sullo schermo, poiché la loro larghezza è definita dalla proprietà Pullback distance in Layer Stack Manager (mostra immagine). Quando il valore di arretramento di un piano interno viene modificato, queste piste vengono rigenerate automaticamente.

Creazione di sezioni prive di rame

Per eliminare il rame da sezioni di un piano, ovvero creare regioni prive di rame, è possibile posizionare linee, archi o riempimenti utilizzando i comandi Place per comporre la regione priva di rame.

Connessione di pad e via a uno strato piano

Le connessioni a pad e via vengono visualizzate su un piano di alimentazione in base alle Plane regole di progettazione impostate nella finestra di dialogo PCB Rules and Constraints Editor (Design » Rules). È possibile creare regole aggiuntive per pad e via che hanno requisiti specifici di connessione o di mancata connessione.

Connessioni a sollievo termico e dirette

I pad a foro passante e i via possono essere collegati a un piano di alimentazione mediante una connessione diretta o una connessione a sollievo termico. Le connessioni a sollievo termico vengono utilizzate per isolare termicamente il pin collegato dal piano di rame pieno durante la saldatura della scheda. Le regole di progettazione nell'editor PCB consentono di definire la forma del sollievo termico per ciascun pad o per tutti i pad collegati al piano di alimentazione.

La regola di progettazione Power Plane Connect Style specifica lo stile della connessione tra un pin di un componente e un piano di alimentazione. Sono disponibili tre opzioni di connessione

• Relief Connect
• Direct Connect
• No Connect

È inoltre previsto un supporto specifico per il collegamento dei pin di alimentazione SMD agli strati dei piani di alimentazione. I pad SMD su una net collegata a un piano di alimentazione vengono automaticamente contrassegnati come connessi al piano appropriato. L'autorouter completa la connessione fisica di questi pad posizionando un fanout, costituito da una breve pista e un via con connessione a sollievo termico o diretta allo strato piano.

Connessione a sollievo termico a un pad su un piano di alimentazione. Le regioni colorate indicano le aree prive di rame.

Quando una net viene assegnata a un piano di alimentazione, in corrispondenza di ciascun pad della net appare una piccola croce sullo strato del piano di alimentazione appropriato. La croce viene visualizzata come '+' per una connessione a sollievo termico e come 'x' per una connessione diretta. Poiché i pad con connessione diretta presentano rame pieno fino al pin, mostrano il colore del piano fino al foro del pad.

Pad non collegati a un piano di alimentazione

I pad non collegati al piano sono isolati da esso mediante una regione priva di rame. Questa regione priva di rame viene specificata nella regola di progettazione Power Plane Clearance come espansione radiale attorno al foro del pad.

Connessione dei via ai piani di alimentazione

Come i pad, i via si collegano automaticamente a uno strato del piano di alimentazione interno con lo stesso nome di net. Il via si collegherà in base alla Power Plane Connect Style regola di progettazione applicabile. Se non si desidera che i via si colleghino ai piani di alimentazione, aggiungere una regola di progettazione Power Plane Connect Style con uno stile di connessione No Connect e una query di ambito IsVia.

Considerazioni sulla fabbricazione

Verificare con il fabbricante le dimensioni appropriate per gli eventuali collegamenti con scarico termico. Verificare inoltre che i pad o i via non collegati non circondino completamente un pad collegato, poiché ciò potrebbe accidentalmente isolarlo e scollegarlo. Assicurarsi di non rimuovere troppo rame e di trovare un equilibrio tra la massima quantità di rame e costi di fabbricazione contenuti.

Scollegamento di pad e via dal piano

È possibile utilizzare query nelle regole di progettazione Power Plane Connect Style per limitare ulteriormente quali pad o via si collegano o meno a un piano di alimentazione. I pad possono essere individuati in base al nome del designatore o alle proprietà fisiche, come le dimensioni del pad. Poiché i via non hanno designatori, devono essere individuati in base alle proprietà fisiche, come il diametro del via.

Definizione dell'ambito per pad e via specifici da non collegare a un piano di alimentazione

Per scollegare, ad esempio, solo i pad con un nome del designatore che inizia con U7, è possibile utilizzare la query (ObjectKind = 'Pad') and (Name Like 'U7-*') per definire l'ambito di una regola di progettazione Power Plane Connect Style . Lo stile di collegamento andrebbe impostato su No Connect. Un'altra query, come (ObjectKind = 'Pad') and (HoleSize = 25), individuerebbe solo i pad con un foro da 25 mil.

Quando si lavora con via che non si desidera collegare, è possibile modificarli affinché abbiano una proprietà particolare che li identifichi in modo univoco, ad esempio un diametro diverso, quindi definire l'ambito di una nuova regola di progettazione Power Plane Connect Style con uno stile di collegamento No Connect che corrisponda solo a quei via. Ad esempio, la query (ObjectKind = 'Via') And (ViaDiameter = '24') può essere utilizzata per individuare i via con un diametro di 24 mil. La query InNet('VCC') and IsVia può essere utilizzata per individuare solo i via collegati alla net VCC.

In alternativa, se non è possibile selezionare i via utilizzando i metodi precedenti, è possibile convertirli in pad liberi e utilizzare i nomi dei pad per definire l'ambito. A tale scopo, selezionare i via che non si desidera collegare, convertirli in pad liberi (Tools » Convert » Convert Selected Vias to Free Pads) e assegnare a tutti lo stesso nome del designatore, ad esempio NoPlaneConnect. Quindi aggiungere una nuova regola di progettazione Power Plane Connect Style e specificare l'ambito (ObjectKind = 'Pad') and (Name = 'Free‑NoPlaneConnect') per la regola. Selezionare inoltre No Connect come Connect Style. Tutti i pad liberi denominati NoPlaneConnect verranno scollegati da tutti i layer di piano di alimentazione.

Rimozione di un piano interno

Per rimuovere un piano interno, fare clic con il pulsante destro del mouse sul layer in Layer Stack Manager , quindi scegliere Delete layer dal menu contestuale. Si apre una finestra di dialogo di conferma che avverte che, eliminando il layer, verranno rimosse tutte le primitive presenti su di esso. Fare clic su Yes per confermare.

Piani suddivisi

Un piano suddiviso è una regione chiusa su un piano interno che divide il piano in aree separate ed elettricamente isolate. Ogni regione viene definita posizionando linee di delimitazione che racchiudono tutti i pin della relativa net. A ogni area viene quindi assegnata una net diversa, creando due o più piani suddivisi su un unico layer di piano di alimentazione interno.

I piani di alimentazione possono essere suddivisi in un numero qualsiasi di regioni separate. Questo processo di suddivisione è simile al taglio del piano in sezioni, in cui la larghezza della linea posizionata definisce la distanza di separazione. I piani di alimentazione sono realizzati in negativo, quindi queste speciali linee di delimitazione diventano strisce prive di rame, creando così la separazione tra questa net e le net adiacenti sul piano.

Piani suddivisi su un piano interno

In genere, al piano interno viene assegnata prima la net con il maggior numero di pad, quindi vengono definite regioni separate per le altre net che si desidera collegare tramite questo piano. Tutti i pad che non possono essere inclusi nella regione del piano suddiviso continuano a visualizzare una linea di collegamento, a indicare che devono essere collegati su un layer di segnale.

Esame delle aree dei piani suddivisi

È inoltre possibile selezionare i piani interni e il relativo contenuto da visualizzare utilizzando la modalità Split Plane Editor disponibile nel menu a discesa nella parte superiore del pannello PCB , come mostrato di seguito.

Configurare le opzioni di evidenziazione, quindi fare clic una volta per evidenziare un'area suddivisa e i pad e i via collegati.

Configurando le opzioni di evidenziazione nella parte superiore del pannello (Select, Zoom, ecc.), dopo aver impostato come layer attivo il layer di piano desiderato, è possibile fare clic una volta su un Net Name per individuare un'area del piano suddiviso e i pad e i via a essa collegati (viene evidenziata l'intera area all'interno delle piste di arretramento / suddivisione del piano). Facendo doppio clic su un Net Name nel pannello si apre la finestra di dialogo Split Plane, nella quale è possibile modificare la net assegnata a quel piano suddiviso.

Utilizzo di più piani suddivisi in un progetto

Sono supportate suddivisioni all'interno di altre suddivisioni (suddivisioni annidate o isole), quindi non è necessario far passare una suddivisione esterna attorno a quella interna. Se si desidera suddividere ulteriormente un piano già suddiviso, è possibile continuare ad aggiungere oggetti sul layer di piano di alimentazione all'interno di un piano suddiviso esistente per creare altre regioni elettricamente isolate.

Suggerimenti di visualizzazione durante la definizione di un piano suddiviso

Quando si definisce un'area suddivisa in un piano di alimentazione, a volte può essere difficile vedere tutti i pad che l'area deve racchiudere. Per rendere più visibili i pad della net che si desidera collegare al piano suddiviso, si consiglia di utilizzare le seguenti tecniche prima di iniziare.

• Ricalcolare e ridisegnare i piani interni selezionando Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer / Rebuild Split Planes on All Layers dai menu principali.
• Utilizzare la modalità 3D (tasto di scelta rapida 3) per visualizzare la rappresentazione fisica dei piani, comprese le aree prive di rame e le connessioni con scarico termico. Per facilitare la navigazione nella scheda in 3D, modifica la scala dello spessore della scheda per aumentare la distanza verticale tra i layer. Il controllo Board thickness (Scale) si trova nell'area 3D Settings della scheda View Options del pannello View Configuration.

• Visualizza solo il numero minimo di layer (ad esempio, il layer Keep Out, il Multi-layer ed eventuali layer meccanici necessari) e il piano di alimentazione in uso. Disattiva gli altri layer nel pannello View Configuration .
• Nascondi tutte le linee di connessione (View » Connections » Hide All). In alcuni casi, può essere utile visualizzare una singola net per la quale desideri creare un piano diviso (View » Connections » Show Net).
• Imposta un colore diverso per ciascuna net sul piano diviso selezionando Nets nel pannello PCB, quindi fai doppio clic sul nome di una net per aprire la finestra di dialogo Modifica net.
• Per visualizzare tutti i pad associati a una net, fai clic su quella net sul piano interno nel pannello PCB per mascherare tutti gli altri pad.
• Assegna la net con il maggior numero di pad al piano di alimentazione interno, quindi utilizza query come InNet('A') o InNet('B') nel pannello PCB List per mostrare le net, ad esempio alcune con scarico termico e altre senza, così da distinguere i pad da includere in un nuovo piano diviso.
• Per visualizzare solo gli oggetti e le primitive sui piani interni, utilizza la query OnPlane nel pannello PCB Filter.

Definizione di un piano diviso

In Altium Designer, puoi posizionare qualsiasi configurazione di linee, archi, piste e riempimenti su un piano di alimentazione interno per definire un piano diviso. Non appena questi elementi isolano una porzione del piano dal resto, viene creato un nuovo piano diviso. Al nuovo piano diviso viene quindi associata una net. Il modo più semplice per definire piani divisi consiste nell'utilizzare il comando Place » Line e poi disegnare il contorno del piano diviso sul piano di alimentazione.

Creazione di un piano diviso tramite il comando Place » Line .

Questa operazione crea una linea nel disegno di produzione lungo la quale il rame viene omesso, dividendo così i piani. La larghezza della linea determina la larghezza della separazione. Quando fai clic con il pulsante destro del mouse per uscire dalla modalità di posizionamento delle linee, il piano viene analizzato e viene creata la regione divisa indipendente. Per modificare la larghezza della separazione tra il piano diviso e il piano di alimentazione interno durante il posizionamento delle linee, premi Tab per aprire la finestra di dialogo Line Constraints e modificare il valore Line Width.

Per suddividere un piano di alimentazione in due piani divisi, puoi disegnare una linea retta che attraversi la scheda da una pista di arretramento all'altra. Purché le linee si colleghino alle piste di arretramento, formeranno un'area isolata e creeranno quindi l'oggetto di tipo poligono che identifica il piano diviso. Assicurati che le linee siano collegate; quando le linee si collegano, il cursore assume la forma di un cerchio grande con una croce.

Puoi creare una forma chiusa con linee, archi e riempimenti per definire un piano diviso dalla forma particolare. Puoi anche utilizzare linee, archi, riempimenti o piste già presenti sul layer interno per formare parte del contorno. Purché si colleghino formando un'area chiusa, viene creato un piano diviso.

Utilizzo di archi, riempimenti e piste

Se utilizzi archi per dividere il piano, si consiglia di inserire un breve segmento di pista tra i segmenti di arco. Tieni presente che l'utilizzo di un riempimento (Place » Fill) non crea un piano diviso, ma solo un'area priva di rame. Puoi utilizzare i riempimenti per creare i bordi esterni del piano diviso, ad esempio posizionandoli al posto delle linee.

Se posizioni piste anziché linee utilizzando il comando Place » Interactive Routing, assicurati che le piste siano impostate su No Net e che sia invece il piano diviso a essere associato al nome della net appropriata.

Assegnazione di una net a un piano diviso

Per verificare che ogni regione divisa sia definita correttamente, fai clic una volta su una regione; se è chiusa, verrà evidenziata solo quell'area.

Un piano diviso evidenziato.

Se l'area viene evidenziata, fai doppio clic su di essa per aprire la finestra di dialogo Split Plane e verificare o impostare l'assegnazione della net. Seleziona il nome della net del piano diviso dall'elenco a discesa nella finestra di dialogo, che include tutte le net attualmente caricate per il progetto.

Aggiornamento delle connessioni del piano diviso

Dopo aver spostato o posizionato oggetti nello spazio di progettazione, la forma di un piano diviso può cambiare senza che la visualizzazione venga aggiornata automaticamente. Seleziona Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer o Rebuild Split Planes on All Layers per ricalcolare e ridisegnare i piani.

Posizionamento di piste su un layer di piano

Poiché i layer di piano sono realizzati in negativo, una pista posizionata su un layer del piano di alimentazione crea un'area priva di rame e, pertanto, non realizza alcuna connessione. Per questo motivo, non è possibile utilizzare una singola pista su un layer di piano per instradare una net. Per instradare una net su un layer del piano di alimentazione, è necessario creare un'isola di rame molto sottile, delle stesse dimensioni della pista che si desidera utilizzare. Creando un contorno di linee attorno all'area che fungerà da pista (Place » Line), si crea un piano suddiviso che può quindi essere assegnato alla net desiderata.

In alternativa, se occorre instradare più connessioni sullo stesso layer del piano, è probabilmente più efficiente utilizzare un layer di segnale per instradare le connessioni e poi un piano poligonale (riempimento in rame) per creare il piano di alimentazione.

Esame e modifica dei piani suddivisi

La modalità del pannello PCB Split Plane Editor consente di visualizzare e gestire facilmente i piani suddivisi del progetto PCB corrente. In questa modalità, il pannello è suddiviso in tre aree:

• Layers - quest'area mostra tutti i layer di piano interni attualmente definiti nel progetto e il numero di piani suddivisi presenti su ciascun layer.
• Split Planes - quest'area mostra i piani suddivisi contenuti nella voce selezionata nell'area Layers.
• Pads/Vias On Split Plane - quest'area mostra i pad e i via della voce selezionata nell'area Split Planes del pannello.

Area Layer

L'area Layers del pannello mostra tutti i layer di piano interni attualmente definiti per il progetto. All'interno dell'area, la colonna Split Count indica quanti piani suddivisi sono presenti sul layer di piano corrispondente. Un conteggio pari a '1' significa che il layer non è stato suddiviso e che il layer stesso viene considerato come un'unica regione.

Area Piani suddivisi

Dopo aver selezionato una voce nell'area Layers, tutti i piani suddivisi presenti su quel layer di piano e le net a essi assegnate vengono caricati nell'area Split Planes del pannello.

Per ogni voce viene visualizzato un Node Count. Questo valore indica il numero totale di pad e via connessi a quella regione del piano suddiviso.

Fare doppio clic su una net con piani suddivisi (oppure fare clic con il pulsante destro del mouse e selezionare Properties dal menu contestuale) per aprire la finestra di dialogo Split Plane, che consente di modificare la net a cui è assegnato il piano suddiviso.

Area Pad/Via sul piano suddiviso

Facendo clic con il pulsante destro del mouse su un pad o un via nell'area Split Planes del pannello e selezionando poi Properties dal menu contestuale, si apre il Properties pannello associato a quella primitiva.

Eliminazione di un piano suddiviso

Poiché una suddivisione si forma quando una regione di un piano viene isolata, la rimozione di qualsiasi oggetto che ne costituisce il confine elimina tale suddivisione. Pertanto, per eliminare i piani suddivisi, eliminare le primitive che li delimitano, ad esempio le linee o altre primitive che creano il contorno del piano suddiviso. Ricordare che le piste di arretramento possono essere eliminate solo rimuovendo il piano interno dallo stack dei layer.

Controllo delle regole di progettazione per i piani suddivisi

Durante il controllo batch delle regole di progettazione (DRC), è possibile verificare i piani suddivisi e generare segnalazioni relative alle seguenti regole:

• Piani interrotti
• Regioni di rame isolato
• Connessioni termiche insufficienti.

Queste opzioni sono disponibili in DRC Report Options nella finestra di dialogo Controllo delle regole di progettazione, accessibile selezionando Tools » Design Rule Check dai menu principali. Abilitare le opzioni desiderate affinché vengano controllate e segnalate durante il DRC batch.

Quando viene creato il report, vengono visualizzate tutte le violazioni di queste regole. Fare clic nel report per visualizzare l'errore corrispondente nell'editor PCB.

Piani interrotti

Un piano si interrompe quando un'area del piano connessa alla net viene scollegata elettricamente dal resto del piano. Questo può verificarsi, ad esempio, quando un connettore è posizionato trasversalmente a un piano suddiviso senza essere connesso a esso. Le aree prive di rame attorno ai pin si uniscono fino a interrompere completamente il rame del piano, dividendolo di fatto in due parti.

Piano interrotto con errore DRC evidenziato (verde brillante).

Rame isolato

Per rame isolato si intendono sezioni di rame che non sono connesse alla net e che risultano anche elettricamente scollegate dal piano originale. Questo può verificarsi, ad esempio, con un connettore non connesso al piano i cui pin sono molto ravvicinati, quando le aree prive di rame attorno ai pin si uniscono isolando porzioni di rame dal resto del piano.

Regione di rame isolato con errore DRC evidenziato (verde brillante).

Connessioni termiche insufficienti

Le connessioni termiche sono collegamenti al piano con aperture di isolamento termico attorno ad essi, che riducono la conduzione del calore verso il rame del piano. Queste connessioni possono diventare insufficienti quando la superficie dei raggi di rame che le collegano al piano viene ridotta da aree prive di rame. Questa regola verifica inoltre la superficie della connessione termica (non solo i raggi) rispetto a eventuali aree prive di rame che invadono la connessione stessa.

Connessione termica insufficiente con errore DRC evidenziato (verde brillante).

Note sui piani suddivisi

• I controlli DRC sui piani suddivisi sono disponibili solo in modalità batch.
• Per rimuovere gli indicatori di errore, è necessario eseguire nuovamente il DRC in modalità batch oppure selezionare Tools » Reset Error Markers dai menu principali.
• Dopo le modifiche, ricalcola e ridisegna i piani interni selezionando Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer/Rebuild Split Planes on All Layers dai menu principali.
• I controlli sui piani interrotti e sulle aree di rame isolate richiedono che la regola Un-Routed Net (categoria Electrical ) sia Batch abilitata.