Полигоны и земля

Полигон (copper pour, polygon) — область, залитая медью и подключённая к какой-то цепи, чаще всего к земле. На двухслойной плате сплошная земля на нижнем слое — самый простой и действенный приём, который сразу улучшает плату.

Ток всегда возвращается

Из закона токов (урок 1.4) следует: ток, ушедший по дорожке к нагрузке, обязательно возвращается к источнику. Вопрос только — каким путём. Этот обратный путь проходит по земле, и именно о нём новички забывают: на схеме «земля» — это просто значок, а на плате это реальная медь со своим сопротивлением и индуктивностью.

Аналогия: эскалаторы в метро. Люди спускаются по одному и поднимаются по другому. Если эскалаторы стоят рядом, всё компактно. Если подъём сделать в другом конце вестибюля, людской поток опишет огромную петлю.

Где течёт обратный ток

• Медленные токи (постоянный ток, низкие частоты) возвращаются по пути наименьшего сопротивления и растекаются по всему полигону.
• Быстрые токи (фронты цифровых сигналов, импульсные преобразователи; на практике уже от сотен килогерц) идут по пути наименьшей индуктивности, а это путь прямо под дорожкой в ближайшем сплошном слое. Так площадь петли «прямой путь + обратный путь» получается минимальной.

Рис. 5.6. Вид сверху: дорожка на верхнем слое, сплошная земля на нижнем. Слева быстрый обратный ток идёт в земле прямо под дорожкой, и площадь петли минимальна. Справа прорезь в земле заставляет ток обходить её — петля (заштрихована) становится большой антенной, растут помехи и излучение.

Отсюда главное правило: у каждого быстрого сигнала под ним должна быть сплошная земля. Если её разрезать прорезью или длинной дорожкой, обратный ток обойдёт препятствие, площадь петли вырастет, а с ней растут помехи, перекрёстные наводки и излучение (урок 5.9).

Земля на двухслойной плате

1. Нижний слой — почти целиком земля. Сигналы — на верхнем слое. Дорожки снизу допустимы только как короткие перемычки.
2. Верхний слой — тоже можно залить землёй в свободных местах и соединить её с нижней сшивающими переходами (stitching vias) через каждые несколько миллиметров, особенно по краям и вокруг быстрых цепей.
3. Выводы земли компонентов на верхнем слое — сразу переходом вниз, рядом с площадкой.
4. Не делить землю на «аналоговую» и «цифровую» прорезями. Для большинства плат лучше одна сплошная земля и грамотное зонирование компонентов (урок 5.2). Это рекомендация производителей АЦП (Analog Devices, MT-031) для систем со смешанными сигналами.

Термобарьеры

Площадку, полностью залитую медью полигона, трудно паять: медь уводит тепло, и припой не прогревается. Поэтому площадки обычно подключают к полигону через термобарьер (thermal relief) — несколько узких перемычек-«спиц».

Подключение	Плюсы	Минусы	Где применять
Термобарьер (2–4 спицы)	легко паять, особенно выводные компоненты	больше сопротивление и индуктивность	большинство выводов, особенно THT
Прямое (сплошное)	минимальное сопротивление, хороший отвод тепла	трудно паять вручную	мощные цепи, теплоотводящие площадки (урок 5.8)

«Мёртвая» медь

Кусок полигона, не соединённый ни с одной площадкой своей цепи, называется «мёртвой» медью (dead copper) или островом. Он не помогает, а может работать как антенна. Такие острова удаляют, либо пришивают к земле переходами.

📖Из учебникагл. 1, §1.01, с. 10

Правило Кирхгофа для токов у Хоровица звучит как закон сохранения заряда. Для конструктора платы из него следует практический вывод: у каждого тока есть замкнутый контур, и разводка определяет его форму и площадь. Землю нужно проектировать так же внимательно, как сигнальные дорожки.

Практика в Altium

1. Перейди на нижний слой (Bottom Layer) и выбери Place›Polygon Pour. Обведи контур платы щелчками и закрой контур правой кнопкой.
2. В панели Properties выбери цепь GND, включи Remove Dead Copper и режим Pour Over All Same Net Objects, чтобы полигон сливался с дорожками земли.
3. Перезалей полигоны после изменений: Tools›Polygon Pours›Repour All.
4. Проверь, что полигон не распался на острова, и добавь сшивающие переходы там, где медь соединена узкими перешейками.

[СКРИНШОТ: полигон GND на нижнем слое, термобарьеры у площадок, сшивающие переходы]public/screenshots/m05-pcb-design/l06-polygon-gnd.png

🛠Особенность Altium

Способ подключения площадок к полигону задаёт правило Polygon Connect Style (категория Plane): Relief Connect (термобарьер; задаётся число спиц, их ширина, угол и зазор), Direct Connect (сплошное подключение) или No Connect. Можно сделать два правила: термобарьеры для выводных компонентов и прямое подключение для переходов и теплоотводящих площадок.

🧯 Типичные ошибки

Нижний полигон земли разрезан длинной дорожкой поперёк платы

Почему Обратные токи сигналов над разрезом обходят его, площадь петель растёт, растут помехи.

Как исправить Перенеси дорожку наверх или сделай её короткой перемычкой; около разреза поставь сшивающие переходы.

Землю «для аккуратности» разделили на AGND и DGND прорезью

Почему Сигналы между частями пересекают прорезь, их обратные токи идут в обход.

Как исправить Оставь одну сплошную землю и раздели компоненты по зонам. Особые случаи — по даташиту конкретной микросхемы.

Выводной разъём не пропаивается: медь полигона уводит тепло

Почему Площадка подключена к полигону напрямую.

Как исправить Используй термобарьер (Relief Connect) для выводов, которые паяются вручную.

Полигон не обновился после правок

Почему Полигоны в Altium не перезаливаются сами при каждом изменении.

Как исправить Tools » Polygon Pours » Repour All перед DRC и выпуском файлов.

Проверь себя

1. 1. Где течёт обратный ток быстрого цифрового сигнала, если под дорожкой сплошная земля?

   По кратчайшему прямому пути между выводами землиПрямо под сигнальной дорожкойРавномерно по всему полигону
2. 2. Что произойдёт, если сделать прорезь в земле поперёк быстрой дорожки?

   Ничего, ток пойдёт по дорожкеОбратный ток обойдёт прорезь, петля станет больше, вырастут помехи и излучениеПлата будет лучше охлаждаться
3. 3. Зачем нужны термобарьеры?

   Чтобы площадку было легко паять: меньше тепла уходит в полигонЧтобы увеличить токЧтобы полигон не касался края платы
4. 4. Что такое «мёртвая» медь?

   Медь под паяльной маскойКусок полигона, не соединённый с площадками своей цепиОкисленная медь

🎯Практическое задание~20 мин

На бумажной разводке мультивибратора из урока 5.3 заштрихуй нижний слой как полигон земли. Найди места, где нижние дорожки режут полигон на части, и придумай, как их убрать: перенести дорожку наверх, переставить компонент, добавить сшивающий переход. Отметь площадки, которым нужен термобарьер.