Topologie Câble Alimentation+MIDI

[Janosch]

Bonjour à tous!

Je permets de vous solliciter pour me guider dans un choix de design:

J'ai 2 PCBs reliés par un câble 5G0.34 de 4m (avec blindage).
Sur le PCB_A J'ai une arrivée 9V d'un adaptateur secteur switché. Ce 9V m'alimente un LDO 5V qui lui alimente du MIDI_IN et MIDI_OUT (inverseur 74HCT14 en tant que buffer).
Sur le PCB_B j'ai un Buck en 5V et un LDO en 3.3V pour alimenter un mcu (stm32F4 qui gère notamment le MIDI). Le Buck est alimenté par le 9V présent dans le PCB_A et transmis via le câble.
Ensuite le buck alimente lui aussi du 74HCT14 (buffer midi_in/midi_out) et le LDO 3.3V.
Ce qui veut dire que dans le câble j'ai du 9V ET du MIDI bidirectionnel...

Comme j'ai le même adaptateur secteur pour les 2 PCBs, j'ai donc une masse commune et ça me fait un peu peur. (Du coup pas d'optocoupleur sur le midi aussi...)
Mon questionnement se situe au niveau intégrité des signaux dans le câble: Je dois faire circuler du 9V à assez haut courant (entre 500mA et 1A!) dans le même câble qu'une liaison MIDI (bidirectionnelle).
Est-ce que niveau EMI/bruit/diaphonie c'est viable?

Si oui, quelles mesures je peux prendre pour que ce soit robuste?
Ce qui me semblerait logique (mais je ne suis pas expert DU TOUT), ce serait de connecter le blindage à la masse que d'un côté (côté PCB_A) et de l'autre via 100nF.
pour le 9V : filtre LC de chaque côté, genre BLM18PG121SN1D + 100µF + 100nF, mais là c'est vraiment du pif... peut-être qu'une self serait plus adaptée? ou juste ferrite? ou LCL?
Je me demandais aussi si doubler le GND sur un 2ème fil mais que je connecterais uniquement du côté du PCB_B n'augmenterait pas la stabilité du MIDI (référence)?

Des avis s'il vous plaît?


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[Pascal071]

Bonjour

Se servir d'un cordon midi hors spec. c'est aller vers des ennuis...
Garder les DIN Midi comme on doit s'en servir, avec opto pour midi IN,
et un autre connecteur pour l'alimentation, d'un autre modèle DIN, non brochable dans le connecteur MIDI (DIN 270° par exemple)

[Janosch]

Impossible d'alimenter le PCB_B autrement que via le PCB_A!
Les ennuis c'est par rapport à quoi?
le PCB_A et le PCB_B sont à moi, donc il n'y aura pas de soucis de compatibilité,
le PCB_A aura d'ailleurs une sortie MIDI normée...
Si c'est par rapport au bruit/interférence que ce réfèrent les "ennuis", c'est vraiment inenvisageable?
Merci pour la réponse en tout cas!

[Vincent PETIT]

Bonjour,
Il faudrait un éclaircissement ; le PCB B a des connexions vers l'extérieurs autre que le PCB A ? Si le PCB a des connexions vers l'extérieur vont elles vers une masse (par exemple vers un équipement audio lui même relié à une masse ?)

[A voir en vidéo sur Futura]

[Janosch]

Les contraintes en terme de nombre de PCBs et de leur liaisons sont infernales oui!
Il y'a effectivement d'autres PCBs connectés au PCB_B! Par contre pas d'autre adaptateur secteur, la masse est commune à tous les PCBs (en tout il y'en a 5!).
C'est le buck du PCB_B qui alimente les autres PCBs (eux-mêmes ayant chacun leur propre LDO 3.3V).
Le seul câble long c'est celui entre le PCB_A et le PCB_B, les PCBs après sont plus proches (10 à 20 cm , sauf un qui est à 70cm).

[Pascal071]

Le connecteur NC5FAH n'est pas DIN mais XLR, 5pts:
https://www.conrad.fr/fr/p/xlr-embas...yABEgKHO_D_BwE
Si la liaison reste en utilisation personnelle, pas de norme..
tu peux bien câbler ce que tu veux comme tu veux.
essayes de doubler le +9v et le 0v.
les optocouleurs ne serviront pas si le 0v est commun.

cordialement

[Vincent PETIT]

Ok donc tu souhaites faire passer l'alimentation et le MIDI dans le même câble.

Mon questionnement se situe au niveau intégrité des signaux dans le câble: Je dois faire circuler du 9V à assez haut courant (entre 500mA et 1A!) dans le même câble qu'une liaison MIDI (bidirectionnelle).

D'un point de vu CEM imagine un câble avec 4 conducteurs à l'intérieur (image de gauche) : 1 câble en vert pour le 9V à assez haut courant, entre 500mA et 1A ainsi que sa masse "non dessinée". A côté, un conducteur MIDI et son fil de retour. Une variation de courant dans un fil va générer des lignes de champ magnétique qui vont se coupler à la boucle "conducteur MIDI et son fil de pour le retour", c'est ce qu'on appelle le couplage inductif par inductance mutuelle et c'est exactement ce qui se passe dans un transformateur sans noyau. Ce couplage par inductance mutuelle dépend de la surface de la boucle du perturbateur (le 9V et sa masse qu'on ne voit pas sur l'image de gauche) et de la surface de la boucle victime (conducteur MIDI et son fil de pour le retour), plus les surfaces sont grandes et pire c'est. L'idée générale pour limiter ce phénomène c'est de réduire les surfaces des boucles et la solution est d'avoir des paires de conducteurs torsadés.

L'image de droite c'est ce qui se passe quand un câble perturbateur se couple à une câble seul (ou un câble blindé), c'est typiquement le problème des perturbateurs dans ton environnement. Ce sont ces phénomènes qu'on exacerbe dans les labo CEM.

Capture8.PNG

Ce courant perturbateur n'est généralement pas très fort mais si tu bosses à haute impédance comme avec un UART il peut créer des problèmes. L'avantage que tu as avec du MIDI c'est que ce protocole repose sur une boucle de courants : 0mA pour un 1 logique et 5mA pour un 0 logique. Les boucles de courants sont robustes face aux perturbations parce que les courants perturbateurs sont trop faibles pour créer un 0 logique.

Avec un câble de paires torsadés (1 pour l'alim et 1 pour le MIDI) il y a peu de chance que le MIDI soit perturbé.

Ce qui me semblerait logique (mais je ne suis pas expert DU TOUT), ce serait de connecter le blindage à la masse que d'un côté (côté PCB_A) et de l'autre via 100nF.

La solution dépend des boîtiers des PCB et s'ils sont à la masse ou pas ? D'une manière générale le blindage d'un câble doit être relié aux 2 extrémités pour conserver sa protection contre les perturbations HF de l'environnement extérieurs. Toujours en HF, relier le blindage que d'un seul côté est pire que bien car la capacité parasite (verte) vient connecter les 2 côtés et en plus les perturbations qui couraient sur le blindage rejoignent les conducteurs intérieurs par la capacité parasite (rouge) blindage/conducteur. Ce dessin est un exemple concret du couplage inductif de mode commun, l'image de droite du dessus.

Capture106.PNG

En BF on relie le blindage que d'un seul côté pour d'autres raisons : casser une boucle de masse et éviter le déséquilibre des 0V qui peuvent être de valeur différente = ronflette car une tension DC apparaît. Cependant ce genre de problème BF peut facilement se régler sans dégrader la protection HF, en pensant l'électronique autrement (liaison différentielle, opto-isolation, électronique flottante par rapport à la masse).

Si je parlais des boîtiers c'est parce selon les cas ils peuvent être considérer comme une extension du blindage du câble, jusqu'à former une cage de Faraday. Dans l'image ci dessous c'est ce qu'on fait dans un test CEM en chambre anéchoïque, on test l'immunité à la RF et on créait un couplage champ (électromagnétique) à fil (câble) quand ceux-ci existent dans le produit tester.

rect114.png

Et si ce genre de perturbation (par exemple un téléphone portable trop proche d'une électronique haute impédance) si tu as des boîtiers métalliques avec une électronique flottante à l'intérieur comme ci dessous alors tu peux relier les blindages des 2 côtés et même mettre les boîtiers métalliques à la terre directement (ou pas) sans craindre les perturbations qui resteront à l'extérieur.

rect203.png

C'est peut être ton cas ? Je vois qu'il y a des capteurs dans les autres PCB, y a t-il des câbles sur les capteurs comme des microphones ? Au quel cas il faut aussi penser à eux dans l'analyse.

pour le 9V : filtre LC de chaque côté, genre BLM18PG121SN1D + 100µF + 100nF, mais là c'est vraiment du pif... peut-être qu'une self serait plus adaptée? ou juste ferrite? ou LCL?

Le piège dans les filtres des alimentations c'est la résonnance LC (L c'est aussi L du filtre mais aussi L du câble et L des pistes), il faut s'assurer que la résonnance ne soit pas à une fréquence utile/que tu utilises dans ton électronique sinon tu vas voir du bruit arriver à cette fréquence, mieux encore il faut atténuer cette résonnance. C'est la raison pour laquelle on insert parfois des résistances de petite valeur dans les lignes d'alimentation. Ou parfois un damped filter https://www.ti.com/lit/an/snva538/snva538.pdf

Je me demandais aussi si doubler le GND sur un 2ème fil mais que je connecterais uniquement du côté du PCB_B n'augmenterait pas la stabilité du MIDI (référence)?

Je ne suis pas sur d'avoir compris

[Janosch]

Si la liaison reste en utilisation personnelle, pas de norme..

Oui, tout à fait, c'est ce que j'essayais d'expliquer en #3.
Mes inquiétudes sont plutôt en terme d'intégrité du signal!

essayes de doubler le +9v et le 0v.

C'est déjà prévu, du moins pour le 0V, et c'est envisageable pour le 9V.
Est-ce que je connecte les 2ème fil de 0V et de 9V sur les 2 PCBs ou sur un seul (lequel)?
Et l'intérêt c'est quoi, uniquement éviter un Voltage drop? Parce que ce ne serait pas très grave,
je rentre dans un buck de toutes façon, j'ai de la marge...

Est-que j'ai intérêt à filtrer mes liaisons numériques et mes alims au niveau des connecteurs (LC?) ?

Edit: oups, je n'avais pas vu la réponse de Vincent! Je regarde ça demain, merci!

[Janosch]

Merci pour la réponse Vincent, j'avoue que tout n'est pas forcément clair encore, mais voilà ce que j'ai compris:

- Les courants forts peuvent induire des perturbations, une bonne pratique est de réduire la surface et donc d'utiliser des paires torsadées.
C'était mon intention de base, mais c'est compliqué à trouver! La difficulté vient de la quantité de courant: je pense que du 0.22mm2 c'est un minimum.
Ou alors je peux prendre du RJ45 et doubler masse et 9V ou est-ce que c'est trop juste pour 9V@1A?

- Par rapport au blindage: l'approche n'est pas la même selon HF et BF, et si les boîtiers sont à la masse ou pas.
Dans mon cas les boîtiers seront obligatoirement en bois (c'est pas moi qui décide), ça répond à la question...
Et si j'ai bien compris, il vaut mieux me prévenir des perturbations HF de l'extérieur que de l'intégrité de mes signaux BF
puisque je suis en numérique pour le midi et donc relier le blindage des 2 côtés (même si pas de boîtier en métal)?

- Par rapport au filtrage: soit faire ça bien, soit pas du tout (résonnance).
Donc soit juste une faible résistance en série, soit un filtre LC amorti bien dimensionné?

[Vincent PETIT]

La difficulté vient de la quantité de courant: je pense que du 0.22mm2 c'est un minimum.

La résistance d'un câble c'est R=ρ(L/s)

L, c'est la longueur est en mètre,
s, c'est la section du câble en m2,
ρ, c'est la résistivité en Ω·m (pour du cuivre ρ = 17×10-9, pour de l'argent ρ = 16×10-9, pour de l'aluminium ρ = 28×10-9, etc...)
R, c'est la résistance en Ω qui sera responsable des pertes.

Un câble de 1m, de section 0.22mm² en cuivre aura une résistance de ~80mΩ. Si 1A passe dans le câble tu perds ~80mV sur tes 9V. Ca va être a toi de voir ce qui est acceptable.

Dans mon cas les boîtiers seront obligatoirement en bois (c'est pas moi qui décide), ça répond à la question...

D'accord, donc tu es dans le même cas qu'avec un boîtier plastique. C'est moins trivial pour gérer la CEM mais c'est faisable. Dans les multimètres dignes de ce nom, ils le font et le boîtier est en plastique.

Et si j'ai bien compris, il vaut mieux me prévenir des perturbations HF de l'extérieur que de l'intégrité de mes signaux BF
puisque je suis en numérique pour le midi

Le mieux c'est de te préoccuper des 2. Souvent on oublie l'environnement extérieur et une fois le design terminé c'est fichu.

et donc relier le blindage des 2 côtés (même si pas de boîtier en métal)?

Une possibilité est se servir d'une couche du PCB pour créer une continuité du blindage du connecteur d'entrée jusqu'au connecteur de sortie ainsi le blindage est chaîné d'un bout à l'autre.

Donc soit juste une faible résistance en série, soit un filtre LC amorti bien dimensionné?

Une petite résistance en série de la piste d'alimentation formera, avec les capas de découplage de ta carte, un filtre passe bas du premier ordre donc pas de résonnance. Un LC, sachant que les C peuvent aussi être les capa de découplages, c'est mieux car c'est un filtre du second ordre mais il peut y a voir une résonnance s'il n'est pas amorti. Attention car les alim a découpage font sur-résonner les filtres LC en amont.

[Forhorse]

Dans mon cas les boîtiers seront obligatoirement en bois (c'est pas moi qui décide), ça répond à la question...

ça n'interdit pas de mettre un boitier métallique DANS le boitier en bois.

[Janosch]

1) Vous ne voyez pas de contre-indication par rapport au câble ethernet alors en doublant les conducteurs pour le 9V et le 0V?
Je précise aussi qu'il n'est pas possible de garder le connecteur RJ45, ce sera un connecteur type XLR...

2) Dans le cas où vous approuvez le câble ethernet, quelle topologie vous me conseillez?
1ère paire : 9V/0V
2ème paire : 9V/0V
3ème paire: Midi/0V
4ème paire: ??

3) Quel blindage?
est-ce que je peux partir sur de S-UTP (plus facile pour soudure connecteur),
ou le blindage par feuillard (ou par paire) est nécessaire?

ça n'interdit pas de mettre un boitier métallique DANS le boitier en bois

Je n'avais pas pensé à ça! C'est possible que dans un seul des boîtiers par contre.

[Vincent PETIT]

1) Vous ne voyez pas de contre-indication par rapport au câble ethernet alors en doublant les conducteurs pour le 9V et le 0V?

Tu as la doc de ton câble ? Je ne sais pas trop quel courant on peut faire passer dans un tel câble mais comme on peut faire du POE normalement on doit pouvoir y faire passer du courant.

2) Dans le cas où vous approuvez le câble ethernet, quelle topologie vous me conseillez?
1ère paire : 9V/0V
2ème paire : 9V/0V
3ème paire: Midi/0V
4ème paire: ??

Rien de nécessaire pour la 4ème paire mais ne la laisse pas en l'air, des courants perturbateur dans un câble en l'air c'est une antenne.

3) Quel blindage?
est-ce que je peux partir sur de S-UTP (plus facile pour soudure connecteur),
ou le blindage par feuillard (ou par paire) est nécessaire?

Les feuillard qui protège les paires sert a éviter les couplages entre les paires à l'intérieur du câble (voir la première image de ma réponse https://forums.futura-sciences.com/e...ml#post7300239)
La tresse de blindage sert à évacuer les courants de mode commun venant de l'extérieur et qui courent sur le câble (voir la deuxième image de ma réponse https://forums.futura-sciences.com/e...ml#post7300239).

Selon moi, tu n'as besoin que d'une tresse de blindage.

Voici un exemple d'empilement des couches d'un PCB qui permet de chaîner les blindages de PCB en PCB. La couche Bottom est dédié au chaînage des blindages. En théorie un blindage peut très bien rester flottant mais s'il est relié à la terre à une extrémité c'est bien aussi.

[Janosch]

Merci encore pour vos réponses et désolé si je ne suis pas très réactif, c'est un projet assez vaste et je suis sur plusieurs choses en même temps...

Et justement, dans un autre post je parlais du câblage d'un USART et j'y ai conclu que le RS232 pourrait être une bonne solution

1): Est-ce que ça vaudrait pas le coup que je passe mon MIDI également en RS232? (avec derrière un clamp et un buffer par exemple)

je rappelle ma problématique: 2 PCBs reliés par un câble de 3-4 mètres (ethernet?) véhiculant du midi ET l'alimentation. Les 2 PCBs ont donc la même masse!
Je me dis que le RS232 rendrait mon midi plus robuste.
Je contrôle l'émission et la réception du MIDI, je peux donc me permettre de prendre des libertés au niveau de la communication entre les 2 PCBs, il me faudra juste
un "midi thru" normé.

2): Qu'en est il en terme de diaphonie (entre alim et numérique)?
J'intuite que le RS232 sort vainqueur ici aussi car ses transitoires sont moins rapides ("transition-region slew rate = 30 V/μs") comparé à l'UART d'un STM32F4?

[Janosch]

je me permets un petit up...

[Vincent PETIT]

Bonjour,

1): Est-ce que ça vaudrait pas le coup que je passe mon MIDI également en RS232?

Perso je laisserai le MIDI telquel car son fonctionnement en boucle de courant est plus robuste que le RS232.

Tu peux remplacer le RS232 par le RS485, c'est pas plus compliqué et là tu auras quelque chose de robuste également.

RS485 et les boucles de courant comme 4-20mA sont utilisés dans les bus de terrain industriel.

2): Qu'en est il en terme de diaphonie

Bien vu ! Plus haut on causait des couplages inductifs par inductance mutuelle entre les câbles, c'est la diaphonie inductive mais il y a aussi la diaphonie capacitve. C'est ce que tu évoques, le couplage capacitif c'est à dire la capacité entre les fils qui laisse passer les variations de tension d'un côté vers l'autre. Plus la variation de tension est rapide et plus ça passe facilement au travers des capa parasites. La valeur de la tension a aussi un rôle évidemment.

Voir ce que j'avais ecrit là https://forums.futura-sciences.com/e...ml#post6873091

D'ailleurs certains microcontrôleurs peuvent modifier leur slewrate pour gérer ça.

Je ne pense pas que tu seras embêté avec le couplage capacitif. En MIDI on parle en courant donc pas de soucis et en RS232, si tu en mets, il n'y aura que lui et l'alimentation dans le câble. Si tu avais fait transiter des signaux analogiques avec le RS232 là ça aurait été embêtant.

[Janosch]

Tu peux remplacer le RS232 par le RS485, c'est pas plus compliqué et là tu auras quelque chose de robuste également

Ok j'y travaille, ça pourra servir pour toutes mes liaisons UART...

(j'ai ouvert un post pour ça, c'est un peu plus compliqué que le RS232 je trouve: post)