Alimenter un ESP32 sur batterie

Pourquoi une carte de développement vide la batterie

En veille profonde (deep sleep), la puce ESP32 consomme environ 10 µA, l’ESP32-C3 environ 5 µA et l’ESP32-S3 environ 7 µA, d’après Espressif (notre comparatif ESP32 les passe toutes en revue). Une carte de développement ajoute autour de la puce des composants qui ne dorment jamais :

• Le régulateur. Beaucoup de cartes utilisent un AMS1117, dont le courant de repos est d’environ 5 mA (jusqu’à 11 mA) : cinq cents fois ce que consomme un ESP32 en veille profonde.
• La LED d’alimentation. Elle reste allumée tant que la carte est sous tension. Son courant dépend de sa résistance série, que calcule notre outil résistance pour LED.
• La puce USB-série. Sur les cartes qui l’alimentent par le 3,3 V, elle reste sous tension, câble USB branché ou non. Le schéma de la carte vous le dira.
• Résistances de pull-up, ponts diviseurs et capteurs reliés au 3,3 V, qui consomment jour et nuit.

Tout cela s’additionne vite. Le préréglage « ESP32 DevKit tel quel » du calculateur d’autonomie (un AMS1117, plus 3 mA indicatifs pour la LED et la puce USB-série) viderait une cellule 18650 de 3 000 mAh en 13 jours environ dans le meilleur des cas, alors que la même cellule fait tourner le module nu de notre exemple chiffré pendant 13 mois environ. Voir le cas du DevKit dans le calculateur. C’est un plafond : un AMS1117 fait chuter la tension d’environ 1 V, si bien qu’avec une cellule Li-ion le rail 3,3 V passe sous les 3,0 V minimum du module bien avant que la cellule soit vide.

Pour un projet sur batterie, utilisez un module nu sur votre propre circuit imprimé, ou une carte conçue pour la basse consommation dont le fabricant indique le courant de la carte entière. Seeed, par exemple, annonce 44 µA en veille profonde pour la XIAO ESP32C3 (voir notre brochage de la XIAO ESP32C3). Vous pouvez aussi retirer la LED et le régulateur d’une carte, mais c’est alors à vous de fournir le 3,3 V.

Choisir la batterie

Un module ESP32 demande 3,0 à 3,6 V, et 3,6 V est aussi son maximum absolu. Peu de batteries restent dans cette plage de la pleine charge à la fin de la décharge, et c’est ce qui détermine s’il vous faut un régulateur, et lequel.

• Une cellule Li-ion ou LiPo (1S). Le choix le plus courant : beaucoup d’énergie, rechargeable, bon marché. Elle passe de 4,2 V à pleine charge à environ 3,0 V : il lui faut donc un régulateur, soit un LDO à faible chute de tension, soit un buck-boost (voir la section suivante). Prenez des cellules protégées ou ajoutez une protection (voir Sécurité).
• Une cellule LiFePO4. Elle passe l’essentiel de sa décharge autour de 3,2–3,3 V et peut donc alimenter le module directement, sans régulateur ni courant de repos. Une charge standard se termine toutefois à 3,65 V, au-dessus du maximum de 3,6 V du module : arrêtez sa charge sous 3,6 V et, quand la tension passe sous 3,0 V environ, maintenez le module en reset avec un superviseur de tension (un circuit de reset) sur EN. Les listes de contrôle d’Espressif le recommandent pour les alimentations qui montent lentement ou qui sont instables, comme les batteries et les panneaux solaires. Le superviseur ne fait qu’arrêter le module : la cellule a toujours besoin de sa propre protection contre la décharge profonde (un BMS ou une carte de protection). À taille égale, elle stocke moins d’énergie qu’une Li-ion.
• Trois piles AA. Des alcalines neuves donnent environ 4,5 V, et les essais de décharge de leur datasheet descendent jusqu’à 0,8 V par pile, soit 2,4 V au total ; des accus NiMH vont d’environ 4,2 V juste rechargés à 2,7 V. Dans les deux cas, on sort de la plage : utilisez un buck-boost.
• Piles bouton (CR2032). Pas pour la radio de l’ESP32 : Renata ne donne sa CR2032 que pour 3 mA en continu, alors qu’Espressif demande une alimentation capable de fournir 500 mA. La note de TI sur les piles bouton et les courants de crête juge un condensateur en parallèle le moyen le plus efficace de les aider à passer les brefs pics de courant des radios conçues pour elles, qui restent très en deçà de ce que tire un ESP32.
• Lithium-chlorure de thionyle (Li-SOCl₂). Son autodécharge très faible convient aux capteurs qui se réveillent rarement et doivent tenir des années. Mais une Saft LS14500 (format AA) est donnée pour 50 mA en continu et des impulsions de 250 mA : pour le Wi-Fi, il faut un condensateur qui fournisse les pics, et Saft indique elle-même qu’il peut être nécessaire. Après une période de stockage, une couche de passivation augmente sa résistance : lors d’un essai de Qoitech, une cellule stockée dépassait 100 Ω, avec des chutes de tension allant jusqu’à 1,8 V sur ses premières impulsions. Sa tension à vide, 3,67 V, dépasse en outre légèrement le maximum du module.

Notre comparatif des batteries détaille chaque chimie, et notre tableau de tension des batteries convertit une tension mesurée en charge restante.

Le régulateur : peu de courant de repos, assez de courant pour le Wi-Fi

En veille profonde, le courant de repos du régulateur pèse souvent plus que la consommation de la puce. Pendant une émission Wi-Fi, c’est l’inverse : les guides de conception matérielle d’Espressif demandent une alimentation 3,3 V capable de fournir au moins 500 mA. Un régulateur pour un nœud sur batterie doit cocher les deux cases.

Courant de repos typique et courant de sortie nominal d’après les datasheets, les mêmes chiffres que dans notre calculateur de régulateur.

Le MCP1700 et le HT7333 sont appréciés pour leur courant de repos minuscule, mais avec 250 mA ils ne sont donnés que pour la moitié de ce que demande Espressif. Le TLV755P et l’AP2112K y parviennent avec un courant de repos de quelques dizaines de microampères. Le TLV755P n’a toutefois aucune marge : il est donné pour 500 mA tout juste et, à ce courant, son dropout peut atteindre 238 mV, si bien que pendant les pics du Wi-Fi il cesse de réguler dès que la cellule passe sous 3,54 V environ. Pour plus de marge, choisissez l’AP2112K, donné pour 600 mA, et avec l’un comme avec l’autre, prévoyez le condensateur réservoir recommandé par Espressif (voir plus bas).

Avec une cellule Li-ion, un LDO cesse de réguler quand la cellule descend à 3,3 V plus sa tension de déchet (dropout), puis laisse passer la tension de la cellule, moins le dropout. Le module fonctionne jusqu’à 3,0 V, et d’après notre tableau de tension des batteries, une cellule Li-ion au repos à 3,6 V n’a plus qu’environ 7 % de charge (0 à 40 % selon les tableaux des fabricants) : un bon LDO exploite donc presque toute la batterie. Pendant les pics du Wi-Fi, la tension de la cellule baisse et le dropout augmente : l’autonomie prend fin un peu plus tôt que ne le laisse croire la tension au repos. Un superviseur sur EN réglé à environ 3,0 V, comme le recommande Espressif, maintient alors le module en reset tant que la tension est trop basse. Un buck-boost comme le TPS63802 maintient 3,3 V que la batterie soit au-dessus ou en dessous de cette tension, et c’est le bon choix pour trois piles AA, qui démarrent au-dessus de 3,6 V et finissent sous 3,0 V.

Vérifiez un régulateur avec votre batterie (chute de tension, échauffement et courant de repos) : le lien ouvre un TLV755P sur une cellule Li-ion.Ouvrir le calculateur de régulateur

Condensateurs : les guides de conception d’Espressif recommandent au moins 10 µF à l’entrée d’alimentation et 0,1 µF près des broches d’alimentation de la puce. Avec une batterie incapable de fournir seule les pics, comme une Li-SOCl₂, c’est un condensateur qui doit s’en charger.

La veille profonde en pratique

En veille profonde, les processeurs, l’essentiel de la RAM et les périphériques numériques sont éteints, tout comme le Wi-Fi et le Bluetooth ; le contrôleur RTC et la mémoire RTC restent alimentés. Au réveil, le programme redémarre depuis le début : sous Arduino, tout se passe donc dans setup().

Sources de réveil

• Timer, sur toutes les puces : le timer RTC réveille la puce après une durée fixée.
• Broches. L’ESP32 et l’ESP32-S3 se réveillent sur le niveau d’une broche RTC (ext0) ou de plusieurs (ext1). L’ESP32-C3 ne se réveille que sur les broches de son domaine d’alimentation RTC, GPIO0 à GPIO5, activées avec esp_deep_sleep_enable_gpio_wakeup() (voir notre brochage de l’ESP32-C3 SuperMini).
• Capteurs tactiles (touch), sur l’ESP32 et l’ESP32-S3.
• Le coprocesseur ULP, sur l’ESP32 et l’ESP32-S3 : un petit cœur qui peut lire un capteur pendant que les processeurs principaux dorment, et les réveiller quand quelque chose se produit.

Garder des données pendant la veille

Les variables ordinaires sont perdues à chaque réveil. Déclarez celles dont vous avez besoin avec RTC_DATA_ATTR : elles résident dans la mémoire RTC, qui reste alimentée par défaut en veille profonde.

Arduino-ESP32

#define SLEEP_MINUTES 15

RTC_DATA_ATTR int bootCount = 0;   // conservé en mémoire RTC

void setup() {
  bootCount++;
  // lire le capteur, se connecter, envoyer les données...
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(SLEEP_MINUTES * 60ULL * 1000000ULL);  // microsecondes
  esp_deep_sleep_start();          // ne rend jamais la main
}

void loop() {}                     // jamais atteint

Ce code est écrit pour Arduino-ESP32 3.x, dont la série stable 3.3 repose sur ESP-IDF 5.5. Le timer se règle en microsecondes, d’où la conversion. Pour un réveil sur broche, l’ESP32 et l’ESP32-S3 utilisent esp_sleep_enable_ext0_wakeup(pin, level) ; après le redémarrage, esp_sleep_get_wakeup_cause() indique pourquoi la puce s’est réveillée. Dans ESP-IDF 6, sur lequel repose Arduino-ESP32 4.x, cette fonction est dépréciée au profit de esp_sleep_get_wakeup_causes(), qui renvoie toutes les sources de réveil sous forme de masque de bits, et la fonction esp_deep_sleep_enable_gpio_wakeup() de l’ESP32-C3 est remplacée par esp_sleep_enable_gpio_wakeup_on_hp_periph_powerdown().

ESPHome

deep_sleep:
  run_duration: 10s
  sleep_duration: 15min

run_duration est la durée pendant laquelle le nœud reste éveillé, sleep_duration celle pendant laquelle il dort ; sur l’ESP32, wakeup_pin ajoute une broche de réveil. Notre générateur de configuration ESPHome peut ajouter ce bloc, et une IP fixe, à votre place.

Les broches pendant la veille

Une broche qui doit garder son niveau pendant que la puce dort, comme la grille d’un MOSFET qui maintient un capteur éteint, doit être verrouillée : gpio_hold_en() avant la veille et gpio_hold_dis() au réveil. Sur l’ESP32, l’ESP32-C3 et l’ESP32-S3, cela ne suffit que pour les broches RTC : celles qui sont hors du domaine RTC (GPIO1, 3, 5, 16 à 19 et 21 à 23 sur l’ESP32, à partir du GPIO6 sur l’ESP32-C3, à partir du GPIO22 sur l’ESP32-S3) demandent en plus gpio_deep_sleep_hold_en(). Surveillez aussi le courant qui traverse les pull-ups et les ponts diviseurs. L’exemple d’Espressif est le GPIO12 de l’ESP32-WROVER, avec un pull-up externe et un pull-down interne : du courant fuit tant qu’on ne l’isole pas avec rtc_gpio_isolate() avant la veille.

Raccourcir le temps d’éveil

Dans l’exemple chiffré, le Wi-Fi représente l’essentiel du courant moyen : chaque seconde gagnée pendant l’éveil compte.

• Une IP fixe. Elle évite le DHCP ; d’après la documentation d’ESPHome, elle « can dramatically improve connection times », autrement dit elle peut nettement raccourcir la connexion. Sous Arduino, appelez WiFi.config(ip, gateway, subnet, dns) avant WiFi.begin().
• Mémoriser le point d’accès. WiFi.begin(ssid, password, channel, bssid) accepte le canal et le BSSID enregistrés en mémoire RTC après la première connexion. L’option fast_connect d’ESPHome saute le balayage initial et mémorise elle aussi BSSID et canal.
• ESP-NOW au lieu du Wi-Fi et de MQTT. ESP-NOW est le protocole sans connexion d’Espressif : ni point d’accès, ni adresse IP, ni broker. Les paquets transportent jusqu’à 250 octets (1 470 avec ESP-NOW v2), et l’émetteur comme le récepteur doivent être sur le même canal. Un ESP32 alimenté sur secteur peut recevoir les données et les relayer en MQTT.
• N’alimenter les capteurs qu’au besoin. Alimentez un capteur par une broche GPIO s’il consomme peu, ou commutez-le avec un MOSFET ; notre calculateur transistor en commutation vérifie le composant. Comptez aussi le temps de démarrage du capteur dans la phase d’éveil.

Nous ne donnons pas de temps de connexion : ils dépendent du point d’accès et du réseau. Mesurez les vôtres, comme expliqué ci-dessous.

Bien mesurer le courant

Un multimètre en série convient pour le courant de veille, avec deux réserves. Son shunt provoque une chute de tension (la burden voltage) qui, sur les calibres en microampères, peut suffire à priver la carte de tension au réveil ; et son affichage, lent, ne peut pas suivre des salves Wi-Fi qui durent une fraction de seconde.

Des instruments faits pour cela :

• Nordic Power Profiler Kit II (PPK2) : mesure de 200 nA à 1 A à 100 000 échantillons par seconde, et peut alimenter lui-même la carte entre 0,8 et 5 V.
• Joulescope JS220 : échantillonne courant et tension simultanément à 2 millions d’échantillons par seconde, avec une résolution de 0,5 nA.
• EEVblog µCurrent GOLD : un adaptateur qui transforme un multimètre en ampèremètre à faible chute, 1 mV par nA, µA ou mA.

Quel que soit l’instrument, mesurez la moyenne sur au moins un cycle complet, veille et réveil compris, alimentez la carte à la tension de la batterie que vous utiliserez vraiment et débranchez l’USB, qui alimenterait sinon la carte par une autre voie.

Surveiller la tension de la batterie

Une cellule Li-ion (4,2 V pleine) dépasse ce que l’ADC sait lire : passez par un pont diviseur. Avec 1 MΩ + 1 MΩ, le pont divise la tension par deux et tire 2,1 µA d’une cellule pleine. Ajoutez un condensateur de 100 nF entre la broche de l’ADC et la masse, pour que l’ADC voie une source à basse impédance pendant l’échantillonnage. Pour que le pont ne consomme rien en veille, commutez-le côté haut : un MOSFET canal P entre la cellule et le pont, commandé depuis une broche GPIO par un petit MOSFET canal N. Un MOSFET canal N côté masse ne suffit pas : bloqué, il laisse la résistance du haut tirer la broche de l’ADC à la tension de la cellule, 4,2 V à pleine charge, au-delà de la limite de 3,6 V de la puce ; et un MOSFET canal P commandé directement par une broche à 3,3 V ne se bloque pas complètement avec 4,2 V sur sa source. Notre calculateur transistor en commutation vérifie les deux composants.

Essayez-le dans notre calculateur : un pont de 1 MΩ + 1 MΩ sur une cellule Li-ion pleine, lu par un ESP32-C3.Ouvrir le calculateur de pont diviseur

Gardez la sortie du pont dans la plage où l’ADC est spécifié : jusqu’à environ 2,45 V sur l’ESP32 et 2,5 V sur l’ESP32-C3 à l’atténuation maximale, selon les datasheets d’Espressif. Sous Arduino, analogReadMilliVolts() renvoie une mesure étalonnée en millivolts. Sur l’ESP32, prenez une broche de l’ADC1 : l’ADC2 ne se lit pas de façon fiable quand le Wi-Fi est actif. Convertissez ensuite la tension en niveau de charge avec notre tableau de tension des batteries ; avec une LiFePO4, la tension ne dit pas grand-chose en milieu de décharge.

Un exemple chiffré

Un nœud capteur à base d’un module ESP32-C3 nu, d’un buck-boost TPS63802 et d’une cellule Li-ion 18650 de 3 000 mAh, qui se réveille toutes les 15 minutes pour envoyer une mesure en Wi-Fi :

Les chiffres d’éveil sont les valeurs indicatives du calculateur : remplacez-les par ce que vous mesurez.

Le courant moyen est d’environ 270 µA, soit une autonomie de 13 mois environ. Le Wi-Fi prend la plus grosse part, suivi de l’autodécharge de la cellule elle-même ; la veille profonde est presque négligeable.

Avec un réveil par heure, le courant moyen tombe à environ 142 µA et l’autonomie passe à environ 2 ans (voir dans le calculateur) ; l’autodécharge devient alors la plus grosse part. La même cellule dans un DevKit non modifié tient au mieux 13 jours environ.

Une réserve : le calculateur modélise un régulateur linéaire, où la batterie fournit le courant du circuit plus le courant de repos du régulateur. Un buck-boost comme le TPS63802 transmet une puissance : le courant tiré de la batterie vaut le courant du circuit × 3,3 V ÷ (tension de la batterie × rendement). Avec un rendement d’environ 90 % (la valeur que notre calculateur de régulateur retient pour le TPS63802), on retrouve à peu près le courant du circuit à 3,7 V, la tension nominale d’une cellule Li-ion, un peu moins sur une cellule pleine et environ un cinquième de plus vers 3,0 V : pour cet exemple, l’estimation tient. Avec trois piles AA en fin de décharge, vers 2,7 V, la batterie fournit environ un tiers de plus que ce que consomme le circuit.

Ouvrez l’exemple dans le calculateur d’autonomie, puis remplacez les chiffres indicatifs par les courants que vous avez mesurés.Ouvrir le calculateur d’autonomie

Recharge et solaire

L’omniprésent TP4056 charge une cellule Li-ion à 4,2 V sous 1 A au maximum, et termine la charge quand le courant tombe au dixième de la valeur réglée. Il n’a pas de power path : pendant la charge, l’ESP32 reste branché sur la cellule, et s’il consomme plus que ce dixième, la charge peut ne jamais se terminer. Ce n’est qu’un chargeur : la protection contre la décharge profonde et les courts-circuits doit venir de la cellule ou d’un circuit séparé. Il possède bien une entrée TEMP pour la thermistance de la batterie, mais la relier à la masse désactive la surveillance, et les modules courants l’ont déjà reliée à la masse.

Les chargeurs à gestion du power path alimentent le montage et rechargent la cellule en même temps. Le BQ24074 de TI le fait (jusqu’à 1,5 A, avec une gestion de la puissance d’entrée qui réduit l’appel de courant quand la source faiblit) et dispose d’une entrée de température de la batterie qui suspend la charge hors de la plage réglée ; l’exemple de TI la fixe de 0 à 50 °C. Pour le solaire, le CN3791 de Consonance est un chargeur à découpage pour une cellule Li-ion, jusqu’à 4 A. Ce qu’il appelle MPPT est un point de fonctionnement fixe : la puce maintient sa broche MPPT à 1,205 V, si bien que c’est le pont diviseur depuis le panneau qui fixe la tension de travail du panneau, choisie une fois pour toutes, d’après la datasheet du panneau. Le CN3791 n’a pas non plus d’entrée de température de la batterie.

Pour dimensionner le panneau et la batterie d’un nœud qui doit passer l’hiver, utilisez notre calculateur solaire autonome.

Sécurité

• Protection. Une cellule Li-ion ou LiPo doit être protégée contre la surcharge, la décharge profonde et les courts-circuits, par un circuit intégré à la cellule, sur la carte ou dans un module séparé.
• Polarité. Les connecteurs JST PH à 2 broches des cellules LiPo n’ont pas de polarité standard : vérifiez le + et le − au multimètre avant de brancher une batterie sur une carte (voir notre page sur le JST PH).
• Packs plus gros. Plusieurs cellules ensemble peuvent débiter des courants très élevés : prévoyez un BMS et un fusible sur le câble principal. Notre calculateur pack batterie donne le calibre du BMS.
• LiFePO4 directement sur le module. Seulement avec un chargeur qui s’arrête sous 3,6 V.