UM1481
User manual
STEVAL-ISB012V1 Li-Ion battery monitor and gas-gauge
based on the STC3105
Introduction
This document describes an easy and compact solution to monitor voltage, current, and
capacity of single cell Li-Ion batteries using the STC3105, which has a highly efficient gas-
gauge. In addition, the board has an internal charger in order to charge the battery. Battery
charging can be done through the USB port or by using a DC adaptor.
The board contains the following devices:
■
■
■
■
■
Battery monitoring device STC3105
Microcontroller STM32F102C8
Voltage regulator LD1117AXX33
Li-Ion battery charger STC4054
Step-up converter L6920
STEVAL-ISB012V1 single cell Li-Ion battery monitor and gas-gauge
based on the STC3105
Figure 1.
August 2012
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Contents
UM1481
Contents
1
Key features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1
Typical applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2
Getting started . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1
2.2
2.3
Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Setting up the board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Hardware layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3
System overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1
3.2
General description of product architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Automatic battery capacity learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4
5
User interface section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
STC3105 parameter setting and display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
How to enter the capacity of the battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Entering low SOC threshold of the battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Entering low voltage threshold of the battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Entering RLX counter current threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Status LED description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
HyperTerminal display settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6
Graphical user interface application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
Installation of the GUI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Board initialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Key battery parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Other battery parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Battery status and data log . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
7
Hardware design description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
7.1
7.2
7.3
Microcontroller (STM32) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Battery monitor IC (STC3105) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
ESD protection device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
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UM1481
Contents
7.4
7.5
7.6
Voltage regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
STC4054 charger IC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Power MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
8
Connectors and jumpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
8.10
8.11
8.12
8.13
8.14
8.15
8.16
JTAG connector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
USB connector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Power supply connector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
LCD connector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Jumper J7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Jumper J10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Jumper J11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Jumper J9: external MCU connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Jumper J3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Jumper 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Terminal block J12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Terminal block J14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Terminal block J13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Charger selection switch: SW8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
External power supply selection switch: SW7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
uSD connector: J8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
9
10
11
12
13
Hardware schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Bill of material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
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List of tables
UM1481
List of tables
Table 1.
Table 2.
Table 3.
Table 4.
Table 5.
Table 6.
Table 7.
Table 8.
Table 9.
Table 10.
Table 11.
Table 12.
Table 13.
Table 14.
Table 15.
Table 16.
Table 17.
Table 18.
Table 19.
Table 20.
Table 21.
Table 22.
Table 23.
LED description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Microcontroller details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Maximum capacity and charge register LSB resolution for various values of Rsense . . . . 33
STC3105 details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
USBLC6 details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Voltage regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Voltage regulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Power MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Pin description of JTAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
USB connector pin description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
LCD connector pin description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
ALM pin connection of STC3105 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
SDA pin for I2C communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
SCL pin for I2C communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Pinout for external microcontroller connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Jumper J3 configuration details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Jumper J15 configuration details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Terminal block J12 details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Terminal block J14 details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Terminal block J13 details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Bill of material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Document revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
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List of figures
List of figures
Figure 1.
Figure 2.
Figure 3.
Figure 4.
Figure 5.
Figure 6.
Figure 7.
Figure 8.
Figure 9.
Figure 10.
Figure 11.
Figure 12.
Figure 13.
Figure 14.
Figure 15.
Figure 16.
Figure 17.
Figure 18.
Figure 19.
Figure 20.
Figure 21.
Figure 22.
Figure 23.
Figure 24.
Figure 25.
Figure 26.
Figure 27.
Figure 28.
Figure 29.
Figure 30.
Figure 31.
Figure 32.
Figure 33.
Figure 34.
Figure 35.
Figure 36.
Figure 37.
Figure 38.
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Figure 40.
Figure 41.
Figure 42.
Figure 43.
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STEVAL-ISB012V1 single cell Li-Ion battery monitor and gas-gauge based on the
STC3105. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
STEVAL-ISB012V1 single cell Li-Ion battery monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Hardware layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
System architecture details. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Data screen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Display flow chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Welcome message . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Battery absent message . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Battery low indication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Battery parameters display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Main menu screen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Relaxation time display on LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Battery current display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Battery voltage display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Entry of parameters related to SOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Message after entering value of parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Wrong value entry message . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Total capacity display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Change in the name of total capacity after complete learning of capacity . . . . . . . . . . . . . 18
Alarm parameter setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Low voltage alarm setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Relaxation counter current threshold value entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
My computer hardware properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Board appearing as a COM port device under device manager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
HyperTerminal settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
COM port property settings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
HyperTerminal display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
GUI installation step 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
GUI installation step 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
GUI installation step 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
GUI installation step 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
GUI installation step 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Board connection command . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Board connected. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Key parameter page . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Other battery parameters page. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Battery log and graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
JTAG connector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Micro-B USB connector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Power supply connector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Microcontroller and battery monitoring section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Battery charger and regulator section. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Switches and MOSFET switching section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
USB and 5 V output section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
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