Внутренние силовые и разделительные плоскости

Слои питания

Слои питания — это специальные внутренние слои сплошной меди, которые обычно используются для обеспечения электрически стабильного опорного потенциала земли или питания по всей печатной плате. 

Редактор печатных плат поддерживает до 16 внутренних слоев питания. Каждому из этих слоев можно назначить цепь или разделить слой питания между несколькими цепями, разбив его на две или более изолированные области. Подключение контактных площадок и переходных отверстий к слоям питания регулируется Plane правилами проектирования. Слои питания создаются в негативном представлении. Объекты, размещенные на слое питания, образуют участки без меди; остальные области заполняются сплошной медью.

Создание внутренних слоев питания

Внутренние слои питания добавляются в проект печатной платы с помощью Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Чтобы добавить новый внутренний слой питания, выделите существующий слой, под которым нужно создать внутренний слой, затем щелкните правой кнопкой мыши и выберите Insert layer below » Plane в контекстном меню. В стек слоев будет добавлен новый внутренний слой питания. Используйте режим Layer Stack Manager панели Properties для настройки свойств выбранного внутреннего слоя питания. Изменения, внесенные в Layer Stack Manager, необходимо сохранить, чтобы они стали доступны в редакторе печатных плат.

Просмотр слоев питания

Чтобы увидеть слой питания в рабочей области, сначала необходимо включить его отображение на вкладке Layer & Colors панели View Configuration . 

Назначение цепи слою питания

Цепь назначается слою питания в редакторе печатных плат. Чтобы назначить цепь слою питания:

1. Сделайте слой питания активным в рабочей области (для этого щелкните его вкладку в нижней части редактора).
2. Дважды щелкните в любом месте внутри контура платы. 
3. Откроется диалоговое окно Split Plane; выберите нужную цепь в списке Connect to Net. Обратите внимание: диалоговое окно не откроется, если активный слой не является слоем питания.

Выбрав слой питания, дважды щелкните в любом месте этого слоя, чтобы назначить цепь.

В режиме 3D-просмотра (сочетание клавиш 3) можно увидеть физическое представление всех объектов внутренних слоев питания. Кроме того, переключившись в однослойный режим и последовательно выбирая каждый слой, можно перемещаться вглубь платы в 3D-представлении, что упрощает проверку внутренних слоев питания.

3D-представление подключения через термобарьер на разделенном слое питания.

Слои питания также можно разбить на отдельные области и назначить каждой области свою цепь. Подробнее см. определение разделенных слоев питания.

Отступ слоя питания от края платы

При добавлении слоя питания вдоль контура платы автоматически создается набор дорожек, обеспечивающих отступ слоя питания от края платы. Эти дорожки нельзя редактировать непосредственно в рабочей области, поскольку их ширина задается свойством Pullback distance в Layer Stack Manager (показать изображение). При изменении величины отступа внутреннего слоя питания эти дорожки автоматически создаются заново.

Создание участков без меди

Чтобы удалить медь на отдельных участках слоя питания, то есть создать области без меди, можно размещать линии, дуги или заливки с помощью команд Place , формируя область без меди.

Подключение контактных площадок и переходных отверстий к слою питания

Подключения контактных площадок и переходных отверстий отображаются на слое питания в соответствии с Plane правилами проектирования, заданными в диалоговом окне PCB Rules and Constraints Editor (Design » Rules). Можно создавать дополнительные правила для контактных площадок и переходных отверстий с особыми требованиями к подключению или изоляции.

Подключение через термобарьер и прямое подключение

Контактные площадки со сквозными отверстиями и переходные отверстия могут подключаться к слою питания напрямую или через термобарьер. Подключение через термобарьер используется для тепловой изоляции подключенного вывода от сплошной меди слоя питания при пайке платы. Правила проектирования в редакторе печатных плат позволяют задавать форму термобарьера для каждой или для всех контактных площадок, подключаемых к слою питания.

Правило проектирования Power Plane Connect Style определяет способ подключения вывода компонента к слою питания. Доступны три варианта подключения.

• Relief Connect
• Direct Connect
• No Connect

Также предусмотрена специальная поддержка подключения выводов питания SMD-компонентов к слоям питания. Контактные площадки SMD-компонентов, принадлежащие цепи, подключенной к слою питания, автоматически отмечаются как подключенные к соответствующему слою питания. Автотрассировщик создает физическое соединение для таких площадок, размещая веерный отвод — короткую дорожку и переходное отверстие, подключенное к слою питания через термобарьер или напрямую.

Подключение контактной площадки к слою питания через термобарьер. Цветные области обозначают участки без меди.

При назначении цепи слою питания на соответствующем слое питания у каждой контактной площадки этой цепи появляется небольшой крестик. Для подключения через термобарьер крестик отображается как «+», а для прямого подключения — как «x». Поскольку при прямом подключении сплошная медь доходит до вывода, цвет слоя питания отображается вплоть до отверстия контактной площадки.

Контактные площадки, не подключенные к слою питания

Контактные площадки, не подключенные к слою питания, изолированы от него областью без меди. Эта область задается в правиле проектирования Power Plane Clearance как радиальное расширение вокруг отверстия контактной площадки.

Подключение переходных отверстий к слоям питания

Как и контактные площадки, переходные отверстия автоматически подключаются к внутреннему слою питания с тем же именем цепи. Подключение переходного отверстия выполняется в соответствии с применимым Power Plane Connect Style правилом проектирования. Если переходные отверстия не должны подключаться к слоям питания, добавьте правило проектирования Power Plane Connect Style со способом подключения No Connect и запросом области действия IsVia.

Технологические аспекты изготовления

Уточните у изготовителя допустимые размеры термобарьеров. Также убедитесь, что неподключенные контактные площадки или переходные отверстия не окружают подключенную контактную площадку полностью, поскольку это может непреднамеренно изолировать ее и нарушить соединение. Не удаляйте слишком много меди и соблюдайте баланс между максимальной площадью меди и приемлемой стоимостью изготовления.

Отключение контактных площадок и переходных отверстий от плоскости

С помощью запросов в правилах проектирования Power Plane Connect Style можно дополнительно ограничить набор контактных площадок и переходных отверстий, подключаемых или не подключаемых к плоскости питания. Контактные площадки можно выбирать по обозначению или физическим свойствам, например размеру площадки. Поскольку у переходных отверстий нет обозначений, их необходимо выбирать по физическим свойствам, например диаметру.

Задание области действия для отдельных контактных площадок и переходных отверстий, не подключаемых к плоскости питания

Например, чтобы отключить только контактные площадки с обозначением, начинающимся с U7, можно использовать запрос (ObjectKind = 'Pad') и (Name Like 'U7-*') для задания области действия правила проектирования Power Plane Connect Style . При этом следует установить стиль подключения No Connect. Другой запрос, например (ObjectKind = 'Pad') и (HoleSize = 25), позволит выбрать только контактные площадки с диаметром отверстия 25 мил.

Для переходных отверстий, которые не нужно подключать, можно задать отличительное свойство, позволяющее однозначно их идентифицировать, например другой диаметр, а затем создать новое правило проектирования Power Plane Connect Style со стилем подключения No Connect и областью действия, охватывающей только эти переходные отверстия. Например, запрос (ObjectKind = 'Via') And (ViaDiameter = '24') можно использовать для выбора переходных отверстий диаметром 24 мил. Запрос InNet('VCC') и IsVia можно использовать для выбора только тех переходных отверстий, которые принадлежат цепи VCC.

Если выбрать переходные отверстия указанными выше способами не удается, можно преобразовать их в свободные контактные площадки, а затем использовать имена площадок для задания области действия. Для этого выберите переходные отверстия, которые не нужно подключать, преобразуйте их в свободные контактные площадки (Tools » Convert » Convert Selected Vias to Free Pads) и назначьте всем одинаковое обозначение Designator, например NoPlaneConnect. Затем добавьте новое правило проектирования Power Plane Connect Style и задайте для него область действия (ObjectKind = 'Pad') и (Name = 'Free‑NoPlaneConnect'). Также выберите No Connect в качестве Connect Style. Все свободные контактные площадки с именем NoPlaneConnect будут отключены от всех слоев плоскостей питания.

Удаление внутренней плоскости

Чтобы удалить внутреннюю плоскость, щелкните правой кнопкой мыши по слою в Layer Stack Manager и выберите Delete layer в контекстном меню. Откроется диалоговое окно подтверждения с предупреждением о том, что при удалении слоя будут удалены все расположенные на нем примитивы. Нажмите Yes для подтверждения.

Разделенные плоскости

Область разделенной плоскости — это замкнутая область на внутренней плоскости, разделяющая ее на отдельные электрически изолированные участки. Каждая область задается граничными линиями, охватывающими все выводы соответствующей цепи. Затем каждой области назначается отдельная цепь, в результате чего на одном внутреннем слое плоскости питания образуются две или более разделенные области.

Плоскости питания можно разделить на любое количество отдельных областей. Этот процесс напоминает разрезание плоскости на участки: ширина размещаемой линии задает расстояние между ними. Плоскости питания формируются в негативном представлении, поэтому эти специальные граничные линии становятся полосами без меди, создавая разделение между данной цепью и соседними цепями на плоскости.

Разделенные области на внутренней плоскости

Обычно внутренней плоскости сначала назначают цепь с наибольшим числом контактных площадок, а затем выделяют области для других цепей, которые требуется подключить через эту плоскость. У контактных площадок, которые невозможно включить в область разделенной плоскости, продолжают отображаться линии связи, указывающие на необходимость подключения на сигнальном слое.

Просмотр областей разделенной плоскости

Также можно выбирать внутренние плоскости и их содержимое для просмотра в режиме Split Plane Editor , доступном в раскрывающемся меню в верхней части панели PCB , как показано ниже.

Настройте параметры подсветки, затем одним щелчком выделите разделенную область и подключенные к ней контактные площадки и переходные отверстия.

Настроив параметры подсветки в верхней части панели (Select, Zoom и т. д.) и сделав нужный слой плоскости активным, можно одним щелчком по Net Name найти область разделенной плоскости и подключенные к ней контактные площадки и переходные отверстия (подсвечивается вся область в пределах линий отступа / разделения плоскости). Двойной щелчок по Net Name на панели открывает диалоговое окно Split Plane, в котором можно изменить цепь, назначенную этой области разделенной плоскости.

Использование нескольких разделенных плоскостей в проекте

Поддерживаются разделения внутри разделений (вложенные области или островки), поэтому нет необходимости огибать внутреннюю область внешней. Если требуется дополнительно разделить уже разделенную плоскость, можно продолжать добавлять объекты на слой плоскости питания внутри существующей области, создавая другие электрически изолированные области.

Рекомендации по отображению при задании разделенной плоскости

При задании разделенной области на плоскости питания иногда бывает трудно увидеть все контактные площадки, которые она должна охватывать. Чтобы сделать контактные площадки цепи, подключаемой к разделенной плоскости, более заметными, перед началом работы рекомендуется выполнить следующие действия.

• Пересчитайте и перерисуйте внутренние плоскости, выбрав Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer / Rebuild Split Planes on All Layers в главном меню.
• Используйте 3D-режим (сочетание клавиш 3) для просмотра физического представления плоскостей, включая области без меди и термобарьеры. Чтобы упростить перемещение по плате в 3D, увеличьте масштаб толщины платы, увеличив тем самым расстояние между слоями по вертикали. Элемент управления Board thickness (Scale) расположен в области 3D Settings на вкладке View Options панели View Configuration.

• Оставьте видимым только необходимый минимум слоев (например, слой Keep Out, слой Multi-layer и нужные механические слои), а также используемую плоскость питания. Отключите остальные слои на панели View Configuration .
• Скройте все линии связи (View » Connections » Hide All). Иногда бывает полезно отобразить отдельную цепь, для которой требуется создать разделенную плоскость (View » Connections » Show Net).
• Задайте каждой цепи на разделенной плоскости свой цвет: выберите Nets на панели PCB, затем дважды щелкните имя цепи, чтобы открыть диалоговое окно Edit Net.
• Чтобы отобразить все контактные площадки, связанные с цепью, выберите эту цепь на внутренней плоскости на панели PCB — все остальные контактные площадки будут замаскированы.
• Назначьте внутренней плоскости питания цепь с наибольшим количеством контактных площадок, затем используйте запросы, например InNet('A') или InNet('B'), на панели PCB List для отображения цепей, в том числе с термобарьерами и без них. Это поможет различить контактные площадки, которые следует включить в новую разделенную плоскость.
• Чтобы отобразить только объекты и примитивы на внутренних плоскостях, используйте запрос OnPlane на панели PCB Filter.

Определение разделенной плоскости

В Altium Designer можно размещать на внутренней плоскости питания любые сочетания линий, дуг, дорожек и заливок, чтобы определить разделенную плоскость. Как только они изолируют часть плоскости от остальной области, создается новая разделенная плоскость. Затем ей назначается цепь. Самый простой способ определить разделенные плоскости — использовать команду Place » Line и нарисовать границу разделенной плоскости на плоскости питания.

Создание разделенной плоскости с помощью команды Place » Line .

При этом на фотошаблоне создается линия, вдоль которой медь удаляется, что и разделяет плоскости. Ширина линии определяет ширину зазора. Когда вы щелкаете правой кнопкой мыши для выхода из режима размещения линий, выполняется анализ плоскости и создается отдельная изолированная область. Чтобы изменить ширину зазора между разделенной плоскостью и внутренней плоскостью питания во время размещения линий, нажмите Tab , чтобы открыть диалоговое окно Line Constraints, и измените значение Line Width.

Чтобы разделить плоскость питания на две разделенные плоскости, можно провести линию поперек всей платы от одной дорожки отступа до другой. Если линии соединены с дорожками отступа, они образуют изолированную область и, следовательно, создают объект полигонального типа, определяющий разделенную плоскость. Убедитесь, что линии соединены: в точке соединения курсор принимает вид большого круга с перекрестием.

Чтобы определить разделенную плоскость нестандартной формы, можно создать замкнутую фигуру из линий, дуг и заливок. В качестве части границы также можно использовать существующие линии, дуги, заливки или дорожки на внутреннем слое. Если они соединяются в замкнутую область, образуется разделенная плоскость.

Использование дуг, заливок и дорожек

Если для разделения плоскости используются дуги, рекомендуется размещать между сегментами дуг короткий сегмент дорожки. Обратите внимание: использование заливки (Place » Fill) не создает разделенную плоскость, а лишь формирует область без меди. Например, заливки можно использовать для формирования внешних границ разделенной плоскости, размещая их вместо линий.

Если вы размещаете дорожки вместо линий с помощью команды Place » Interactive Routing, убедитесь, что для дорожек задано значение No Net, а нужное имя цепи назначено самой разделенной плоскости.

Назначение цепи разделенной плоскости

Чтобы проверить правильность определения каждой разделенной области, щелкните по ней один раз. Если область замкнута, будет подсвечена только она.

Подсвеченная разделенная плоскость.

Если область подсвечивается, дважды щелкните по ней, чтобы открыть диалоговое окно Split Plane и проверить или задать назначенную цепь. Выберите имя цепи разделенной плоскости из раскрывающегося списка в диалоговом окне, содержащего все цепи, загруженные в данный момент для проекта.

Обновление соединений разделенной плоскости

После перемещения или размещения объектов в рабочей области форма разделенной плоскости может измениться, однако ее отображение автоматически не обновляется. Выберите Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer или Rebuild Split Planes on All Layers, чтобы пересчитать и перерисовать плоскости.

Размещение дорожек на слое питания

Поскольку слои питания создаются в негативном представлении, дорожка, размещенная на таком слое, создает вырез в меди и, следовательно, не образует электрического соединения. Поэтому использовать отдельную дорожку для трассировки цепи на слое питания нельзя. Чтобы трассировать цепь на слое питания, необходимо создать очень узкий островок меди, соответствующий размерам нужной дорожки. Если окружить линиями область, которая будет выполнять роль дорожки (Place » Line), получится отдельная область слоя питания, которой затем можно назначить нужную цепь.

Если же на одном слое со слоем питания требуется трассировать несколько соединений, вероятно, эффективнее использовать сигнальный слой для трассировки соединений, а затем создать область питания с помощью полигона (заливки медью).

Просмотр и редактирование разделенных слоев питания

Режим панели PCB Split Plane Editorпозволяет легко просматривать разделенные области слоев питания текущего проекта печатной платы и управлять ими. В этом режиме панель разделена на три области:

• Layers — в этой области отображаются все внутренние слои питания, заданные в проекте, и количество разделенных областей на каждом слое.
• Split Planes — эта область содержит разделенные области слоя питания, выбранного в области Layers.
• Pads/Vias On Split Plane — в этой области отображаются контактные площадки и переходные отверстия для элемента, выбранного в области Split Planes панели.

Область Layers

В области Layers панели отображаются все внутренние слои питания, заданные в проекте. Столбец Split Count показывает количество разделенных областей на соответствующем слое питания. Значение «1» означает, что слой не разделен и сам рассматривается как одна область.

Область Split Planes

После выбора элемента в области Layers все разделенные области этого слоя питания и назначенные им цепи загружаются в область Split Planes панели.

Для каждого элемента отображается Node Count. Это значение отражает общее количество контактных площадок и переходных отверстий, подключенных к данной области слоя питания.

Дважды щелкните цепь с разделенными областями слоя питания (или щелкните ее правой кнопкой мыши и выберите Properties в контекстном меню), чтобы открыть диалоговое окно Split Plane, в котором можно изменить цепь, назначенную области.

Область Pads/Vias On Split Plane

Щелкните правой кнопкой мыши контактную площадку или переходное отверстие в области Split Planes панели и выберите Properties в контекстном меню, чтобы открыть соответствующую Properties панель для этого примитива.

Удаление разделенной области слоя питания

Поскольку отдельная область образуется при изоляции участка слоя питания, удаление любого объекта, образующего ее границу, устраняет это разделение. Поэтому, чтобы удалить разделенные области слоя питания, удалите ограничивающие их примитивы, например линии или другие объекты, формирующие контур области. Помните, что дорожки, задающие отступ от края платы, можно удалить только путем удаления внутреннего слоя питания из стека слоев.

Проверка правил проектирования для разделенных слоев питания

Во время пакетной проверки правил проектирования (DRC) можно проверять разделенные слои питания и формировать отчеты по следующим нарушениям:

• Разрывы слоев питания
• Неподключенные участки меди
• Неполные соединения через термобарьеры.

Эти параметры доступны в DRC Report Options в диалоговом окне Design Rule Checker, которое открывается выбором Tools » Design Rule Check в главном меню. Включите нужные параметры, чтобы соответствующие проверки выполнялись при пакетной DRC, а их результаты включались в отчет.

Все обнаруженные нарушения этих правил отображаются в сформированном отчете. Щелкните нарушение в отчете, чтобы показать соответствующую ошибку в редакторе печатной платы.

Разрывы слоев питания

Разрыв слоя питания возникает, когда участок слоя, подключенный к цепи, оказывается электрически изолирован от остальной части слоя. Например, это может произойти, если поперек разделенной области слоя питания расположен разъем, не подключенный к ней. Вырезы вокруг его выводов сливаются и полностью пересекают медь слоя питания, фактически разделяя его на две части.

Разрыв слоя питания с отображением ошибки DRC (ярко-зеленым цветом).

Неподключенная медь

Неподключенная медь — это участки меди, которые не подключены к цепи и при этом электрически изолированы от исходного слоя питания. Например, такие участки могут образоваться вокруг разъема с близко расположенными выводами, не подключенного к слою питания: вырезы вокруг выводов сливаются и изолируют участки меди от остальной части слоя.

Неподключенный участок меди с отображением ошибки DRC (ярко-зеленым цветом).

Суженные соединения термобарьеров

Термобарьеры — это соединения со слоем, окруженные вырезами для уменьшения теплопроводности между контактной площадкой и медью слоя. Соединения термобарьера могут сужаться, когда области без меди уменьшают площадь медных спиц, соединяющих его со слоем. Это правило также проверяет, не заходят ли области без меди на всю площадь термобарьера, а не только на его спицы.

Суженное соединение термобарьера с обозначением ошибки DRC (ярко-зеленым цветом).

Примечания о разделенных слоях питания

• Проверки DRC для разделенных слоев питания выполняются только в пакетном режиме.
• Чтобы удалить маркеры ошибок, необходимо повторно запустить пакетную проверку DRC или выбрать Tools » Reset Error Markers в главном меню.
• После редактирования пересчитайте и перерисуйте внутренние слои питания, выбрав Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer/Rebuild Split Planes on All Layers в главном меню.
• Для проверки разрывов слоев питания и изолированных участков меди необходимо, чтобы для правила Un-Routed Net (категория Electrical ) был включен режим Batch.