наблюдал работу от севшей батарейки - на самом деле продолжает работать, но со сбоями.
Питание самого МК - 3,3В, можно конечно выкинуть стабилизатор, который делает из 5В - 3.3В, потому что на нём в любом случае падает какое-то напряжение. Но это будет всё равно сомнительный костыль.
Так что - да, лучше повысить напряжение, либо искать другой микроконтроллер с низковольтными питанием.