Creare un piano di massa per progettare un PCB

Una volta i circuiti stampati avevano la stessa configurazione di base, ovvero a sei livelli, con un piano di massa ed un piano VCC. I sistemi CAD di una volta non erano in grado di fare molto con i piani di alimentazione, tranne che stabilire i livelli come un piano negativo. Ciò permetteva al massimo di determinare delle “X” nei punti in cui ci sarebbe dovuto essere un collegamento per un pin intra-lacuna o per un ponte collegato da esso al piano.

Tutto questo per fortuna è cambiato tempo fa.  Ora, invece di essere soggetti alle limitazioni di quei vecchi sistemi CAD, è possibile utilizzare gli strumenti di progettazione per creare strati nella maniera desiderata. Si ha la possibilità, in base alle esigenze, di creare un piano di massa nel PCB che sia  un’area positiva e riempita di rame, o che sia un piano negativo. Qualunque sistema CAD è in grado di fare tutto questo, ma alcuni lo fanno meglio di altri, come per esempio, Altium Designer: questo software di progetto di PCB, infatti, consente all’utente di creare tutti i piani di cui ha bisogno. Vediamo nel dettaglio come.

Assicurarsi che gli schemi di rete e lo schema alimentazione siano corretti

Prima di definire il proprio piano di massa o di voltaggio, è necessario assicurarsi che lo schema della rete sia stato realizzato correttamente, ovvero che i nomi della rete siano stati assegnati senza errori, così che l’alimentazione ed i piani di riferimento possano essere posti in maniera esatta nello schema. All’interno dell’editor di schema di Altium Designer è possibile assegnare un nome alla rete, come sul lato sinistro dell’immagine sottostante, oppure collegare ad essa una porta di alimentazione, come si può vedere sul lato destro.

_{Assegnazione dei nomi nello schema alimentazione in Altium Designer} 

Il vantaggio del secondo metodo risiede nel fatto che, in questo modo, l’alimentatore si connetterà attraverso tutti gli strati dello schema, senza dover inserire un connettore esterno su una rete a cui è già stato assegnato il nome. Una volta che è stato assegnato correttamente un nome a tutte le reti  si è pronti per sincronizzare il proprio schema con la struttura predisposta e per iniziare a lavorare sull’alimentazione e sui piani di massa.

Creare un piano di massa nel PCB utilizzando un piano interno

All’interno di Altium Designer è possibile creare i piani sia come negativi (interni), che come positivi (Colata Poligonale).  Per prima cosa analizziamo il processo di creazione di un piano negativo, o “Interno”.

La prima cosa da fare quando si crea un piano interno è aggiungere uno strato di progettazione specifico per il piano. Nell’immagine sottostante è possibile notare come siano stati aggiunti due piani interni nel gestore della coda di strati, che si trova nel menu a scomparsa “Design” (progetto): sono stati chiamati rispettivamente “GND” e “PWR” ed occupano il secondo ed il terzo strato. Questi due piani interni hanno anche un valore “di richiamo” assegnato loro, che fa sì che i loro bordi siano posizionati a 20 mm di distanza dal bordo della scheda.

_{Creazione del piano di massa tramite  livelli di piani interni, utilizzando il gestore della coda di strati}

Il passaggio successivo consiste nell’assegnare, nei livelli di piani che costituiscono il piano di massa, la corretta dimensione per i pad di compensazione termica e per lo spazio libero desiderato.  Per fare questo occorre aprire le regole di progettazione di Altium Designer, che è possibile trovare anche nel menù a scomparsa “Design”. Come si può notare nell’immagine sottostante è possibile specificare l’espansione, lo spazio d’aria, e la larghezza del conduttore di un pad di compensazione termica. È possibile anche specificare il tipo di connessione desiderato. Nell’esempio qui sotto la connessione del pad è impostata per una compensazione termica, mentre il ponte di connessione al piano è impostato come diretto (solido). 

_{Impostare i pad di compensazione termica per il piano di massa nelle regole di Altium Designer}

Il menù sopra fornisce, inoltre, la possibilità all’utente di impostare altri valori per i suoi piani. È bene notare come, sul lato sinistro dell’immagine, oltre al tipo di connessione al piano, siano presenti anche le categorie per la distanza dei piani ed i tipi di connessione dei poligoni.

Una volta che tutto è stato impostato potete assegnare il nome di rete al livello del piano interno. Notate come, sul lato sinistro dell’immagine sottostante, i collegamenti ed i ponti non hanno ancora nessuna connessione visibile al piano di alimentazione: questo perché non è stato assegnato alcun nome di rete. È anche possibile osservare questo sul lato sinistro del menu di connessione, che compare effettuando un doppio clic sul livello in questione all’interno della sessione di layout. Questo stesso menu è utilizzato per assegnare nomi sia a piani singoli che a piani divisi.

_{Assegnare il nome di rete al livello del piano interno nello schema alimentazione}

Nel menù a scomparsa sul lato sinistro dell’immagine qui sopra abbiamo selezionato “GND” come il nome che vogliamo per questo piano interno. In questo modo combacerà con la rete dei pin che potete vedere nell’immagine. Una volta fatta questa assegnazione le tracce sono collegate direttamente al piano e i pin hanno le connessioni ai pad di compensazione termica come è possibile osservare sul lato destro della figura. Ricordate che questo è un piano negativo per cui il metallo dello strato termico e dell'area del piano è rappresentato con un colore più scuro.

Creare un piano di massa nel PCB utilizzando una colata poligonale

Ora andremo a creare un piano di massa positivo o “colata poligonale”. Sul lato sinistro della figura è possibile vedere come lo strato del segnale non abbia ancora alcun metallo. Per creare la colata poligonale è possibile utilizzare il comando “Place (posiziona) > Polygon Pour (colata poligonale)” nel menu a discesa o cliccare sull’icona con il poligono sulla barra attiva nella parte alta della finestra.

_{Creare una colata poligonale per il piano di massa in Altium Designer}

Rimanendo in questa modalità è possibile cliccare dove si desidera per posizionare un vertice del piano che state creando. Se fate un errore, potete semplicemente premere il tasto spazio per rimuovere l’ultimo vertice inserito. Una volta terminato, basta cliccare sul tasto destro per uscire da questa modalità. Come è possibile vedere nella parte destra dell’immagine qui sopra il piano creato assume lo stesso colore dello strato su cui state lavorando. Noterete, comunque, come non ci siano ancora connessioni alle tracce e ai pin.

A questo punto selezionate il piano di massa che avete appena creato ed entrate nel pannello delle proprietà. Come potete vedere nell’immagine sottostante è presente una lista di reti da scegliere ed assegnare al piano. Abbiamo selezionato la rete GND. 

_{Assegnazione del nome della rete alla colata poligonale}

Oltre ad assegnare la rete, in questo pannello, è possibile impostare dei valori e delle opzioni. Come potete vedere ci sono delle opzioni per le isole in rame, archi e reti e anche per impostare il piano come “solid pour” (colata solida) o “hatched”.

Mentre il piano di massa è ancora selezionato occorre colarlo nuovamente per creare una connessione con la rete che avete appena scelto. Per fare questo basta cliccare con il tasto destro sul piano selezionato nella finestra principale della sessione.

_{Effettuare di nuovo la colata poligonale per connettere la rete}

Nell’immagine qui sopra attraverso il tasto destro del mouse abbiamo aperto il menu “Polygon Actions” (azioni poligono) sul piano selezionato. Per connettere il piano alla rete dobbiamo scegliere il comando “Repour Selected”.

A questo punto il nome della rete è associato con la colata poligonale creata. Nell’immagine sottostante potete vedere come il metallo indicato in rosso sia ora connesso direttamente alle tracce con lo strato termico connesso ai pin. Il piano di massa nel layout del PCB è ora completo.

_{Un piano di massa completo in Altium Designer}

Altium Designer offre molto di più di quello che abbiamo appena visto. Altium Designer è potente e flessibile, e costituisce uno dei migliori software per il progetto di PCB disponibili sul mercato. Fornisce tutti gli strumenti che vi occorrono per affrontare al meglio tutte le sfide progettuali.

Volete saperne di più su come Altium può aiutarvi a progettare piani di massa nel vostro prossimo PCB? Parlate con un esperto di Altium.