Jak wydajność oprogramowania PCB wpływa na układ płaszczyzn zasilania i uziemienia

Detektyw z twojego ulubionego policyjnego programu telewizyjnego podczas prowadzenia sprawy często szuka oczywistych faktów. W narzędziach do projektowania płytek drukowanych często musimy zająć się „sprawami” płaszczyzn. Jedną z nich jest lepsze zrozumienie, czego potrzeba do stworzenia płaszczyzny zasilania i uziemienia.

Jako projektanci wiemy, że płaszczyzny zapewniają zasilanie i uziemienie komponentów na płytkach. Wiemy również, jak manipulować naszymi narzędziami, aby je tworzyć. Ale czy wiemy, dlaczego stosuje się pewną terminologię lub dlaczego nasze narzędzia tworzą płaszczyzny właśnie w ten konkretny sposób? Być może, słyszałeś o „D-code” lub nawet sam go używałeś, ale czy wiesz, skąd się wziął i do czego służy?

Trzymaj się mocno, gdyż już niedługo wyruszymy w dół linii pamięci, dzięki której poznasz nieco historii na temat płaszczyzn w płytkach PCB oraz dowiesz się, jak wydajność oprogramowania wpłynęła na ich tworzenie. Naszym celem jest zdemaskowanie niektórych faktów dotyczących płaszczyzn, abyś mógł wyraźnie ujrzeć, jak wszystkie te płaszczyzny dziś ze sobą współdziałają. Jesteś ze mną? Dobrze, czas na trochę wyjaśnień.

Krótka historia płaszczyzny

Istnieją dwa sposoby tworzenia płaszczyzn zasilania i uziemienia w narzędziach do projektowania płytek drukowanych, jako obraz pozytywny i negatywny. Istnieje wiele nazw związanych z płaszczyznami, takich jak wypełnienia obszarów, wylewy miedzi i zalewanie. Dla jasności trzymajmy się płaszczyzn pozytywnych i negatywnych, aby mieć pewność, że myślimy o tym samym.

Płaszczyzny pozytywne: płaszczyzna pozytywna jest zwykle tworzona przez wyznaczenie kształtu wielokąta na planszy, a wypełnienie go narzędziem układu (ang. layout tool) daje obraz litej płaszczyzny. W tym celu wiele się dzieje pod płaszczem narzędzia układu. Należy obliczyć prześwity na obiektach, połączyć podkładki z płaszczyzną i zachować odpowiednią łączność, aby zapobiec zwarciom z innymi obiektami w sieci. W rezultacie utworzenie płaszczyzny dodatniej jest jedną z bardziej złożonych funkcji wykonywanych przez narzędzia układu.

Płaszczyzny negatywne: z powodu tych złożoności narzędzia do tworzenia układów CAD pierwszej generacji miały trudności z tworzeniem płaszczyzn pozytywnych. Było zbyt wiele danych do przetworzenia. Aby temu zaradzić, wynaleziono płaszczyznę negatywną. Jest ona odwrotnym obrazem płaszczyzny pozytywnej. Wielokąty nie są wypełnione, aby utworzyć metal, zamiast tego podkładki i inne kształty używa się do tworzenia prześwitów w metalu.

^{Płaszczyzna pozytywna na zewnętrznej stronie płytki} 

Płaszczyzny pozytywne wymagają wyższej wydajności

Komputery korzystające z tych wczesnych narzędzi CAD były niczym w porównaniu z tym, czym dziś dysponujemy. W pewnym momencie korzystałem z oprogramowania Recal-Redac na PDP-11 z 16-bitowym procesorem. Każdego dnia musiałem instalować swój osobisty dysk twardy o rozmiarze zmywarki do naczyń, aby uzyskać dostęp do moich 10 megabajtów przestrzeni projektowej.

Te systemy po prostu nie posiadały odpowiedniej wydajności, pamięci ani miejsca na dysku do obsługi pozytywnych płaszczyzn, których używamy dziś. Nawet gdy miały one możliwość ich tworzenia, trzeba było brać pod uwagę ryzyko awarii systemu w przypadku zbyt dużej płaszczyzny. Z tego powodu projektanci polegali na płaszczyznach negatywnych. Często nie miały one rzeczywistych konturów ani kształtów. Również połączenia z płaszczyznami byłyby reprezentowane przez proste „X”. Projektant był wówczas odpowiedzialny za przypisanie tych kształtów i znaków do właściwej pozycji przysłony w fotoploterze.

Wczesne fotoplotery

Innym czynnikiem odstraszającym od tworzenia pozytywnych płaszczyzn był sam fotoploter. Wczesne plotery fotograficzne wykorzystywały jasną lampę, która była ogniskowana przez fizyczny otwór, aby stworzyć obraz na filmie. Producent następnie wykorzystywał ten obraz do wyprodukowania płytki. Ponieważ były to plotery wektorowe zamiast ploterów rastrowych, sporo czasu mogło zająć namalowanie obrazów na filmie, zwłaszcza jeśli ktoś próbował wykreślić pozytywną płaszczyznę.

Kolejnym wyzwaniem związanym z płaszczyznami dodatnimi było nadanie fotoploterowi odpowiednich poleceń do pracy. Wczesne plotery fotograficzne wykorzystywały oryginalny format Gerber do wprowadzania danych, a otwory były przypisywane do „D-kodów”. Odbywało się to przed umieszczeniem informacji o aperturze w pliku Gerber, a projektant odpowiadał za stworzenie dokładnej listy apertur. Trzeba było znać odpowiednie przypisania kodu D, a następnie przypisać te kody do określonych funkcji, takich jak wypełnianie płaszczyzn pozytywnych. Widziałem, jak dwugodzinna praca z ploterem zmienia się w całonocną walkę, ponieważ jako aperturę podano kod-D o wartości 10 mil zamiast 100 mil.

^{Dzisiejsze wysokowydajne oprogramowanie PCB wykonuje ciężką pracę tworzenia płaszczyzn za nas} 

Płaszczyzny w wysokowydajnym oprogramowaniu PCB

Na szczęście, w dzisiejszych narzędziach do projektowania płytek drukowanych nie musimy martwić się o przypisanie kodu-D ani o wpływ naszego projektu na fotoploter. Kiedy pracujemy na płaszczyźnie pozytywnej lub negatywnej, cała praca nad tworzeniem wypełnień i przypisywaniem kodów-D jest za nas wykonywana automatycznie. Dzisiejsze rastrowe plotery laserowe są również znacznie lepsze i wykreślają duże, pozytywne płaszczyzny w ciągu kilku minut zamiast całej nocy.

Teraz już pewnie lepiej rozumiesz, czym jest kod-D, dlaczego jest on ważny, a także jaki jest kontekst historyczny negatywnych płaszczyzn. Można powiedzieć o wiele więcej na ten temat, ale nie mamy już na to czasu.

Altium Designer^® awansował do 64 bitów. Jego wysoka wydajność i potężna funkcjonalność pozwalają określić, czy chcesz pracować z płaszczyznami pozytywnym, czy też negatywnymi. Pomoże Ci to stworzyć układ zasilania odpowiedni do twojego projektu.

Chcesz dowiedzieć się więcej na temat tego, w jaki sposób Altium może pomóc w zaprojektowaniu twoich płaszczyzn zasilania i uziemienia? Porozmawiaj z ekspertem Altium.