Budget énergétique d'un capteur autonome : ce que les datasheets ne disent pas.Energy budget of an autonomous sensor: what datasheets don't tell you.
Entre la consommation théorique et la durée de vie réelle, il y a souvent un facteur trois. Les coupables ne sont pas ceux qu'on croit.Between theoretical draw and real-world lifetime, the gap is often a factor of three. The culprits aren't who you'd think.
La datasheet annonce 2 µA en veille. La simulation Excel donne huit ans de vie sur une pile CR2032. Le capteur meurt au bout de treize mois. Cette histoire, nous l'avons vécue au moins trois fois. Elle n'est pas due à un composant défaillant. Elle est due à une lecture naïve de la datasheet.
Le courant quiescent n'est pas le courant moyen
Un capteur annoncé à 2 µA en deep sleep consomme effectivement 2 µA pendant qu'il dort. Mais le cycle complet inclut : un réveil d'oscillateur (3 ms à 300 µA), une lecture I2C (8 ms à 1,2 mA), une évaluation locale (20 ms à 2 mA sur MCU), une émission radio BLE (15 ms à 10 mA), puis le retour en sommeil.
Moyenné sur un cycle de 60 secondes, le courant effectif n'est pas 2 µA. Il est de 50 à 80 µA selon le duty cycle. Le datasheet n'a pas menti. Le calcul du système était incomplet.
L'auto-décharge de la batterie
Une CR2032 neuve perd entre 1 et 3 % par an à 25 °C. À 40 °C, c'est 5 à 8 %. Sur un capteur déployé en façade sud d'un bâtiment industriel où la température interne monte régulièrement à 55 °C en été, l'auto-décharge devient le premier poste de consommation. Pas l'électronique.
Ce chiffre ne figure presque jamais dans les datasheets fabricants parce qu'il dépend du profil de température et du temps de stockage avant mise en service. Nous avons mesuré sur un lot de 200 piles stockées neuf mois en entrepôt non climatisé : perte effective de 11 % avant même installation.
MESURE TERRAIN
Sur 40 capteurs déployés en conditions industrielles pendant 18 mois, l'écart médian entre durée de vie prédite et mesurée a été de 38 % — toujours en défaveur de la prédiction.
Les régulateurs qui consomment
Un LDO à 50 mV de drop-out semble parfait sur papier. Son courant quiescent annoncé : 900 nA. Mesuré à 3 V d'entrée : 900 nA. Mesuré à 3,6 V d'entrée avec une charge variable : 2,3 µA. Sur un design à faible courant moyen (30 µA), le régulateur représente alors 8 % du budget.
Les buck-boost ont le problème inverse : rendement annoncé à 85 % en charge nominale, mais 60 % en charge très faible (< 100 µA). Un capteur à très faible duty cycle passe 99 % de son temps en charge faible. Les 85 % ne s'appliquent jamais.
La radio qui ne dort pas vraiment
Le BLE annoncé consomme 8 µA en standby, 10 mA en transmission. Ce qui n'apparaît pas clairement : le temps passé à préparer une transmission. Warm-up de l'oscillateur RF, calibration automatique, établissement de connexion. Sur un capteur qui émet toutes les 30 secondes, ces coûts fixes dominent.
Passer de 30 secondes à 60 secondes entre émissions ne double pas la durée de vie. Elle augmente de 40 %. Le reste est consommé par les coûts fixes de préparation, qui existent indépendamment de l'intervalle.
La règle de calcul qui fonctionne
Au lieu de partir des µA de datasheet, on part d'une mesure réelle avec une sonde Joulescope (ou équivalent) sur un prototype instrumenté. On capture une minute complète, on intègre, on extrapole. Cette méthode donne systématiquement un chiffre supérieur au calcul papier — typiquement de 30 à 50 %.
Puis on multiplie par 1,3 pour tenir compte de la dégradation batterie, de la dérive de température, et des artefacts qu'on n'a pas mesurés. Si le chiffre résultant satisfait l'objectif de durée de vie, le design est viable. Sinon, on revoit le duty cycle avant de revoir les composants.
Ce qui ferme l'écart
Trois gestes, dans cet ordre. Un : allonger l'intervalle d'émission jusqu'à la limite acceptable par l'usage. Deux : agréger plusieurs mesures dans un même paquet radio. Trois : passer d'une détection périodique à une détection événementielle quand c'est possible — on dort jusqu'à ce que la variable mesurée bouge.
Changer de composant arrive en dernier. Il donne typiquement un gain de 10 à 20 %. Les trois gestes ci-dessus, ensemble, donnent un gain de 200 à 400 %.
The datasheet says 2 µA in standby. The Excel simulation gives eight years of life on a CR2032. The sensor dies after thirteen months. We've lived this story at least three times. It's not a defective component. It's a naive reading of the datasheet.
Quiescent current is not average current
A sensor rated at 2 µA in deep sleep does draw 2 µA while it sleeps. But the full cycle includes: oscillator wake-up (3 ms at 300 µA), I2C read (8 ms at 1.2 mA), local evaluation (20 ms at 2 mA on the MCU), BLE transmission (15 ms at 10 mA), and back to sleep.
Averaged over a 60-second cycle, effective current isn't 2 µA. It's 50 to 80 µA depending on duty cycle. The datasheet didn't lie. The system math was incomplete.
Battery self-discharge
A fresh CR2032 loses 1 to 3% per year at 25 °C. At 40 °C, it's 5 to 8%. On a sensor deployed on the south-facing side of an industrial building where internal temperature regularly hits 55 °C in summer, self-discharge becomes the dominant consumption line. Not the electronics.
This number almost never appears in vendor datasheets because it depends on temperature profile and shelf time before deployment. We measured on a lot of 200 cells stored nine months in an unconditioned warehouse: effective loss of 11% before installation.
FIELD MEASUREMENT
Across 40 sensors deployed in industrial conditions for 18 months, the median gap between predicted and measured lifetime was 38% — always against the prediction.
Regulators that draw
An LDO with 50 mV of dropout looks perfect on paper. Stated quiescent current: 900 nA. Measured at 3 V in: 900 nA. Measured at 3.6 V in with a variable load: 2.3 µA. On a low-average-current design (30 µA), the regulator then represents 8% of the budget.
Buck-boost converters have the inverse problem: 85% efficiency at nominal load, but 60% at very low load (< 100 µA). A sensor with a very low duty cycle spends 99% of its time at low load. The 85% number never applies.
A radio that doesn't really sleep
BLE says 8 µA standby, 10 mA in TX. What isn't clear: the time spent preparing a transmission. RF oscillator warm-up, automatic calibration, connection establishment. On a sensor that transmits every 30 seconds, these fixed costs dominate.
Going from 30 seconds to 60 seconds between transmissions does not double lifetime. It increases it by 40%. The rest is eaten by fixed prep costs that exist regardless of interval.
A budget method that works
Instead of starting from datasheet µA, start from a real measurement with a Joulescope (or equivalent) on an instrumented prototype. Capture a full minute, integrate, extrapolate. This method consistently yields a number higher than the paper calculation — typically 30 to 50%.
Then multiply by 1.3 to account for battery degradation, temperature drift, and artifacts you didn't measure. If the resulting number meets the lifetime target, the design is viable. If not, revisit the duty cycle before revisiting the components.
What closes the gap
Three moves, in this order. One: lengthen the transmission interval to the limit the use case accepts. Two: aggregate multiple readings into a single radio packet. Three: move from periodic sampling to event-driven sampling where possible — sleep until the measured variable moves.
Swapping components comes last. It typically buys 10 to 20%. The three moves above, together, buy 200 to 400%.