Internal Power & Split Planes

Силовые полигоны

Силовые полигоны — это специальные сплошные внутренние слои меди, которые обычно используются для обеспечения электрически стабильной опорной «земли» или питания по всей печатной плате. 

Редактор PCB поддерживает до 16 внутренних силовых слоёв. Вы можете назначить цепь (net) каждому из этих слоёв или разделить силовой слой между несколькими цепями, разбив его на две или более изолированные области. Подключения площадок и переходных отверстий к силовым слоям управляются Plane правилами проектирования. Силовые слои создаются в негативе. Объекты, размещённые на слое силового полигона, становятся вырезами (пустотами) в меди; оставшиеся области превращаются в сплошную медь.

Создание внутренних слоёв-полигонов

Внутренние силовые слои добавляются в проект PCB через Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Чтобы добавить новый внутренний слой, выделите существующий слой, под которым нужно создать внутренний слой, затем щёлкните правой кнопкой мыши и выберите Insert layer below » Plane в контекстном меню. Новый внутренний силовой слой будет добавлен в стек слоёв. Используйте режим Layer Stack Manager панели Properties , чтобы задать свойства выбранного внутреннего силового слоя. Изменения, выполненные в Layer Stack Manager, необходимо сохранить, чтобы они стали доступны в редакторе PCB.

Просмотр слоёв-полигонов

Чтобы увидеть слой-полигон в рабочей области, сначала нужно включить отображение этого слоя на вкладке Layer & Colors в панели View Configuration . 

Назначение цепи (Net) слою-полигону

Цепь назначается слою-полигону в редакторе PCB. Чтобы назначить цепь слою-полигону:

1. Сделайте слой-полигон активным в рабочей области (щелкните по вкладке слоя внизу редактора, чтобы сделать этот слой активным).
2. Дважды щёлкните в любом месте внутри контура формы платы. 
3. Откроется диалог Split Plane; выберите требуемую цепь в списке Connect to Net. Обратите внимание: диалог не откроется, если активный слой не является слоем-полигоном.

После выбора слоя силового полигона дважды щёлкните в любом месте на этом слое, чтобы назначить цепь.

В режиме 3D-просмотра (сочетание клавиш 3) можно увидеть физические представления всех объектов внутренних слоёв-полигонов. Помимо просмотра, при переключении в режим одного слоя и последовательном щелчке по каждому слою 3D-вид позволяет «путешествовать» через плату, помогая при проверке внутренних слоёв-полигонов.

3D-вид термокомпенсационного подключения на разделённом полигоне.

Слои-полигоны также можно делить (split) на отдельные области, и каждой области назначается своя цепь. Узнайте больше о задании разделённых полигонов.

Отступ (Pullback) слоя-полигона

При добавлении силового полигона вокруг контура платы автоматически создаётся набор дорожек отступа (pullback), чтобы отвести полигон от края платы. Дорожки отступа нельзя редактировать на экране, так как их ширина задаётся свойством Pullback distance в Layer Stack Manager (show image). При изменении значения pullback для внутреннего полигона эти дорожки автоматически перестраиваются.

Создание «выдувных» (Blow-Out) участков

Чтобы «выдуть» участки полигона, т. е. создать области без меди, можно размещать линии, дуги или заливки с помощью команд Place , формируя область без меди.

Подключение площадок и переходных отверстий к слою-полигону

Подключения к площадкам и переходным отверстиям отображаются на силовом полигоне в соответствии с Plane правилами проектирования, заданными в диалоге PCB Rules and Constraints Editor (Design » Rules). Вы можете создать дополнительные правила для площадок и переходных отверстий со специфическими требованиями к подключению или отсутствию подключения.

Термокомпенсационные и прямые подключения

Площадки и переходные отверстия для выводного монтажа (through-hole) могут подключаться к силовому полигону либо напрямую, либо через термокомпенсацию (thermal relief). Термокомпенсационные подключения используются для тепловой изоляции подключённого вывода от сплошного медного полигона при пайке платы. Правила проектирования в редакторе PCB позволяют задать форму термокомпенсации для каждой или для всех площадок, подключаемых к силовому полигону.

Правило проектирования Power Plane Connect Style задаёт стиль подключения вывода компонента к силовому полигону. Доступны три варианта подключения

• Relief Connect
• Direct Connect
• No Connect

Также предусмотрена специальная поддержка подключения силовых SMD-выводов к слоям силовых полигонов. SMD-площадки в цепи, подключённой к силовому полигону, автоматически помечаются как подключённые к соответствующему полигону. Автотрассировщик завершает физическое подключение этих площадок, размещая fanout — короткую дорожку и переходное отверстие, обеспечивающие термокомпенсационное или прямое подключение к слою-полигону.

Термокомпенсационное подключение площадки к силовому полигону. Цветные области показывают зоны без меди.

Когда цепь назначена силовому полигону, на соответствующем слое силового полигона у каждой площадки этой цепи появится маленький крестик. Крестик отображается как '+' для термокомпенсационного подключения и как 'x' для прямого подключения. Поскольку при прямом подключении к выводу подходит сплошная медь, цвет полигона виден вплоть до отверстия площадки.

Площадки, не подключающиеся к силовому полигону

Площадки, не подключающиеся к полигону, изолируются от него областью без меди. Эта область без меди задаётся в правиле проектирования Power Plane Clearance как радиальное расширение вокруг отверстия площадки.

Подключение переходных отверстий к силовым полигонам

Как и площадки, переходные отверстия автоматически подключаются к внутреннему силовому слою-полигону с тем же именем цепи. Переходное отверстие будет подключено в соответствии с применимым Power Plane Connect Style правилом проектирования. Если вы не хотите, чтобы переходные отверстия подключались к силовым полигонам, добавьте правило проектирования Power Plane Connect Style со стилем подключения No Connect и запросом области действия (scope query) IsVia.

Особенности изготовления

Уточните у вашего производителя подходящие размерные параметры для любых термокомпенсационных подключений. Также проверьте, чтобы площадки или переходные отверстия, которые не подключаются, не окружали полностью подключённую площадку — это может случайно привести к тому, что подключённая площадка окажется изолированной и отключённой. Следите за тем, чтобы не удалять слишком много меди, и чтобы был найден баланс между максимальным количеством меди и доступной стоимостью изготовления.

Отключение площадок и переходных отверстий от полигона

Вы можете использовать запросы в Power Plane Connect Styleправилах проектирования, чтобы дополнительно ограничить, какие площадки или переходные отверстия подключаются или не подключаются к силовому полигону. Площадки можно выбирать по имени позиционного обозначения (designator) или по физическим свойствам, например по размеру площадки. Поскольку у переходных отверстий нет позиционных обозначений, их нужно выбирать по физическим свойствам, например по диаметру переходного отверстия.

Ограничение области действия для конкретных площадок и переходных отверстий, не подключающихся к силовому полигону

Чтобы отключить, например, только площадки с позиционным обозначением, начинающимся с U7, можно использовать запросы (ObjectKind = 'Pad') и (Name Like 'U7-*') для задания области действия правила проектирования Power Plane Connect Style . Стиль подключения при этом будет установлен в No Connect. Другой запрос, например (ObjectKind = 'Pad') и (HoleSize = 25), будет нацелен только на те площадки, у которых размер отверстия 25 mil.

При работе с переходными отверстиями, которые вы не хотите подключать, можно изменить их так, чтобы они содержали специальное свойство для уникальной идентификации, например другой диаметр переходного отверстия, а затем задать область действия нового правила проектирования Power Plane Connect Style со стилем подключения No Connect , чтобы оно соответствовало только этим переходным отверстиям. Запросы (ObjectKind = 'Via') And (ViaDiameter = '24') можно использовать, чтобы нацелиться, например, на переходные отверстия диаметром 24 mil. Запрос InNet('VCC') and IsVia можно использовать, чтобы нацелиться только на переходные отверстия, привязанные к цепи VCC.

В качестве альтернативы, если вы не можете выбрать переходные отверстия (vias) указанными выше способами, можно преобразовать их в свободные площадки (free pads), а затем использовать имена площадок для задания области действия (scope). Для этого выделите переходные отверстия, которые не нужно подключать, преобразуйте их в свободные площадки (Tools » Convert » Convert Selected Vias to Free Pads) и назначьте всем одинаковое имя Designator, например NoPlaneConnect. Затем добавьте новое правило 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 площадки с именем NoPlaneConnect будут отключены от всех слоёв силовых полигонов (power plane).

Удаление внутреннего плана

Чтобы удалить внутренний план, щёлкните правой кнопкой мыши по слою в Layer Stack Manager , затем выберите Delete layer в контекстном меню. Откроется диалог подтверждения с предупреждением, что все примитивы на этом слое будут удалены вместе с удалением слоя. Нажмите Yes для подтверждения.

Разделённые планы

Разделённый план (split plane) — это замкнутая область на внутреннем плане, которая делит план на отдельные электрически изолированные участки. Каждая область задаётся размещением граничных линий так, чтобы они охватывали все выводы (pins) соответствующей цепи (net). Затем каждой области назначается другая цепь, что создаёт два или более разделённых плана на одном внутреннем слое силового плана.

Силовые планы можно разделять на любое количество отдельных областей. Процесс разделения похож на разрезание/нарезку плоскости на секции, при этом ширина размещаемой линии определяет расстояние разделения. Силовые планы строятся «в негативе», поэтому эти специальные граничные линии становятся полосой без меди, тем самым создавая разделение между данной цепью и соседней(ими) цепью(ями) на плане.

Разделённые планы на внутреннем плане

Обычно цепь с наибольшим количеством площадок сначала назначают внутреннему плану, затем для остальных цепей, которые нужно подключить через этот план, определяют области (отделяют split-области). Любые площадки, которые не удаётся охватить областью разделённого плана, продолжают отображать линию соединения, указывая, что их необходимо подключить на сигнальном слое.

Просмотр областей разделённого плана

Также можно выбирать внутренние планы и их содержимое для просмотра, используя режим Split Plane Editor , доступный в выпадающем меню в верхней части панели PCB , как показано ниже.

Настройте параметры подсветки, затем щёлкните один раз, чтобы подсветить разделённую область и подключённые площадки и переходные отверстия.

Настроив параметры подсветки в верхней части панели (Select, Zoom и т. п.), вы можете — после установки активного слоя на интересующий слой плана — одним щелчком по Net Name найти область разделённого плана и площадки/переходные отверстия, которые к ней подключены (подсвечивается вся область внутри pullback / дорожек разделения плана). Двойной щелчок по Net Name в панели откроет диалог Split Plane, где можно изменить цепь, назначенную этому разделённому плану.

Использование нескольких разделённых планов в проекте

Поддерживаются «разделения внутри разделений» (вложенные разделения или островки), поэтому не нужно обводить внешним разделением внутреннее. Если требуется дополнительно разделить разделённый план, можно продолжать добавлять объекты на слое силового плана внутри существующей split-области, создавая другие электрически изолированные области.

Советы по отображению при задании разделённого плана

При определении split-области на силовом плане иногда бывает сложно увидеть все площадки, которые эта область должна охватить. Чтобы сделать площадки цепи, которую вы хотите подключить к разделённому плану, более заметными, перед началом рекомендуется следующее.

• Пересчитайте и перерисуйте внутренние планы, выбрав Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer / Rebuild Split Planes on All Layers в главном меню.
• Используйте 3D-режим (сочетание 3), чтобы увидеть физическое представление планов, включая области без меди (void) и термобарьеры (thermal relief). Чтобы упростить перемещение по плате в 3D, масштабируйте толщину платы, увеличив вертикальное расстояние между слоями. Регулятор Board thickness (Scale) находится в области 3D Settings на вкладке View Options панели View Configuration.

• Отображайте только минимально необходимый набор слоёв (например, Keep Out, Multi-layer, нужные механические слои) и используемый силовой план. Отключите остальные слои в панели View Configuration.
• Скройте все линии соединений (View » Connections » Hide All). Иногда полезно отобразить отдельную цепь, для которой вы хотите создать разделённый план (View » Connections » Show Net).
• Задайте для каждой цепи на разделённом плане свой цвет, выбрав Nets в панели PCB, затем дважды щёлкните по имени цепи, чтобы открыть диалог Edit Net.
• Чтобы отобразить все площадки, связанные с цепью, щёлкните по этой цепи на внутреннем плане в панели PCB, чтобы замаскировать все остальные площадки.
• Назначьте цепь с наибольшим количеством площадок внутреннему силовому плану, затем используйте запросы, такие как InNet('A') или InNet('B'), в панели PCB List для отображения цепей — например, одних с термобарьерами, а других без — чтобы различать площадки, которые нужно включить в новый разделённый план.
• Чтобы отображать только объекты и примитивы на внутренних планах, используйте запрос OnPlane в панели PCB Filter.

Определение разделённого плана

В Altium Designer можно разместить любую конфигурацию линий, дуг, дорожек и заливок поперёк внутреннего силового плана, чтобы определить разделённый план. Как только они изолируют часть плоскости от остальной, создаётся новый разделённый план. Затем с новым разделённым планом связывается цепь. Самый простой способ определять разделённые планы — использовать команду Place » Line, а затем нарисовать границу разделённого плана на силовом плане.

Создание разделённого плана с помощью команды Place » Line .

Это создаёт линию в изображении слоя, по которой медь будет отсутствовать, что, в свою очередь, разделяет планы. Ширина линии становится шириной разделения. Когда вы щёлкаете правой кнопкой мыши для выхода из режима размещения линии, план анализируется и создаётся независимая split-область. Чтобы изменить ширину разделения между разделённым планом и внутренним силовым планом во время размещения линии, нажмите Tab , чтобы открыть диалог Line Constraints, и измените значение Line Width.

Чтобы разделить силовой план на два разделённых плана, можно провести линию прямо поперёк платы — от pullback-дорожки до pullback-дорожки. Пока линии соединяются с pullback-дорожками, они образуют изолированную область и, следовательно, создают объект типа polygon, который идентифицирует разделённый план. Убедитесь, что линии соединяются: при соединении курсор меняется на большой круг с крестом.

Можно создать замкнутую фигуру из линий, дуг и заливок, чтобы определить разделённый план необычной формы. Также можно использовать существующие линии, дуги, заливки или дорожки на внутреннем слое как часть границы. Пока они соединяются и образуют замкнутую область, формируется разделённый план.

Использование дуг, заливок и дорожек

Рекомендуется, если вы используете дуги для разделения плана, размещать короткий сегмент дорожки между сегментами дуг. Обратите внимание: использование заливки (Place » Fill) не создаст разделённый план; она создаст только область без меди (void). Однако заливки можно использовать для формирования внешних границ разделённого плана, размещая их вместо линий, например.

Если вместо линий вы размещаете дорожки с помощью команды Place » Interactive Routing, убедитесь, что дорожки установлены в No Net, а разделённый план вместо этого связан с соответствующим именем цепи.

Назначение цепи разделённому плану

Чтобы проверить, что каждая split-область определена корректно, щёлкните один раз по разделению; если это замкнутая область, подсветится только она.

Подсвеченный разделённый план.

Если область подсвечивается, дважды щёлкните по ней, чтобы открыть диалог Split Plane и проверить или задать назначение цепи. Выберите имя цепи разделённого плана из выпадающего списка в диалоге, который включает все текущие загруженные цепи проекта.

Обновление соединений разделённого плана

После перемещения или размещения объектов в рабочем поле форма разделённого плана может измениться, и это не обновляется автоматически в отображении. Выберите Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer или Rebuild Split Planes on All Layers, чтобы пересчитать и перерисовать планы.

Размещение дорожек на слое плоскости

Поскольку слои плоскостей строятся как «негатив», дорожка, размещённая на слое силовой плоскости, создаёт вырез в меди, и, следовательно, соединение не формируется. Поэтому нельзя использовать одну дорожку на слое плоскости для трассировки цепи. Если нужно проложить цепь на слое силовой плоскости, необходимо создать очень тонкий «островок» меди размером с требуемую дорожку. Создав границу из линий вокруг области, которая будет работать как дорожка (Place » Line), вы создаёте разделённую плоскость (split plane), которую затем можно назначить нужной цепи.

В качестве альтернативы, если на том же слое, что и плоскость, нужно проложить несколько соединений, обычно эффективнее использовать сигнальный слой для трассировки, а затем применить полигональную плоскость (заливку меди, copper pour) для формирования силовой плоскости.

Просмотр и редактирование разделённых плоскостей

Режим PCB Split Plane Editor панели PCB позволяет легко просматривать и управлять разделёнными плоскостями текущего проекта PCB. Этот режим панели разделён на три области:

• Layers — эта область отображает все внутренние слои плоскостей, определённые в проекте, и количество разделённых плоскостей на каждом слое.
• Split Planes — эта область заполняется разделёнными плоскостями, содержащимися в выбранной записи из области Layers. — эта область заполняется площадками (Pads) и переходными отверстиями (Vias) из выбранной записи в области Split Planes панели.

Область Layers

Область Layers панели отображает все внутренние слои плоскостей, определённые для проекта. Внутри этой области столбец Split Count показывает, сколько разделённых плоскостей существует для соответствующего слоя плоскости. Значение split count, равное «1», означает, что слой не был разделён, и сам слой считается одной «разделённой» областью.

Область Split Planes

После выбора записи в области Layers все разделённые плоскости на этом слое плоскости и назначенные им цепи будут загружены в область Split Planes панели.

Для каждой записи отображается Node Count. Это значение отражает общее количество площадок и переходных отверстий, подключённых к данной области разделённой плоскости.

Дважды щёлкните (или щёлкните правой кнопкой и выберите Properties в контекстном меню) по цепи (Net) с разделёнными плоскостями, чтобы открыть диалог Split Plane, который можно использовать для изменения того, какой цепи назначена разделённая плоскость.

Область Pads/Vias On Split Plane

Щелчок правой кнопкой мыши по площадке (Pad) или переходному отверстию (Via) в области Split Planes панели, а затем выбор Properties в контекстном меню откроет связанную панель Properties для этого примитива.

Удаление разделённой плоскости

Поскольку разделение формируется, когда область на плоскости изолируется, удаление любого объекта, формирующего границу разделения, удалит это разделение. Поэтому, чтобы удалить разделённые плоскости, удалите ограничивающие примитивы, например линии или другие примитивы, создающие контур разделённой плоскости. Помните, что дорожки pullback можно удалить только удалив внутреннюю плоскость из стека слоёв.

Проверка правил (DRC) для разделённых плоскостей

Вы можете проверять и формировать отчёт по разделённым плоскостям при пакетной проверке правил (Batch DRC) для следующих правил:

• Разорванные плоскости (Broken planes)
• Области «мёртвой» меди (Dead copper regions)
• «Обеднённые» термокомпенсационные соединения (Starved thermal connections).

Эти параметры доступны в DRC Report Options в диалоге Design Ruler Checker dialog, который открывается выбором Tools » Design Rule Check в главном меню. Включите нужные параметры, чтобы они проверялись и попадали в отчёт при Batch DRC.

Когда отчёт создан, любые нарушения этих правил отображаются в отчёте. Щёлкните по записи в отчёте, чтобы показать связанную ошибку в редакторе PCB.

Разорванные плоскости (Broken Planes)

Разорванные плоскости возникают, когда область плоскости, имеющая электрическую связь с цепью, становится электрически отсоединённой от остальной части плоскости. Пример: разъём, размещённый поперёк разделённой плоскости, но не подключённый к ней. Вырезы вокруг выводов соединяются и полностью «прорезают» медь плоскости, фактически разделяя её на две части.

Разорванная плоскость с ошибкой DRC (ярко‑зелёным).

Мёртвая медь (Dead Copper)

«Мёртвая» медь — это участки меди, не имеющие связи с цепью и при этом электрически отсоединённые от исходной плоскости. Пример: разъём (не подключённый к плоскости) с близко расположенными выводами, при котором вырезы вокруг выводов соединяются и изолируют участки меди плоскости от остальной части плоскости.

Область «мёртвой» меди с ошибкой DRC (ярко‑зелёным).

«Обеднённые» термокомпенсационные соединения (Starved Thermal Connections)

Термокомпенсационные соединения (thermals) — это подключения к плоскости с «вырезами» thermal relief вокруг них, чтобы уменьшить теплопроводность к меди плоскости. Thermals могут становиться «обеднёнными» (starved), когда площадь поверхности медных «спиц», соединяющих их с плоскостью, уменьшается из‑за областей вырезов. Это правило также проверяет площадь поверхности для thermal (не только спиц) относительно любых областей вырезов, которые заходят в область thermal.

«Обеднённое» термокомпенсационное соединение с ошибкой DRC (ярко‑зелёным).

Примечания о разделённых плоскостях

• Проверки DRC для разделённых плоскостей доступны только в пакетном режиме.
• Чтобы удалить маркеры ошибок, нужно снова запустить пакетный DRC или выбрать Tools » Reset Error Markers в главном меню.
• После редактирования пересчитайте и перерисуйте внутренние плоскости, выбрав Tools » Split Planes » Rebuild Split Planes on Current Layer/Rebuild Split Planes on All Layers в главном меню.
• Проверки на разрывы плоскостей и «мёртвую» медь требуют, чтобы правило Un-Routed Net (категория Electrical ) было Batch включено.