目前,汽车已成为大众出行的主力交通工具之一。但是城市拥堵造成的汽车尾气排放,环境恶劣引起的雾霾等气候污染已严重威胁到车内人员的健康,如何改善汽车小空间内空气质量问题呢?答案是车载空气净化器!

 

相比普通家用空气净化器,车载空气净化器又有什么不同呢?本文通过拆解一个国外的智能车载空气净化器产品iAir-pro来一探究竟,必须要说,这个车载空气净化器并不便宜,售价高达179美金,这个价格可以在国内买到像小米PRO系列的家用空气净化器。所以是不是很好奇它到底采用的是什么硬件方案?是不是只是采用性价比比较高的国产芯硬件方案换个马甲的舶来品?还是本身硬件方案另有乾坤呢?

 

外观

 

 

空气净化器主体采用硬塑料材质,表面很光滑,整个结构设计颇有艺术感,靠近底部一侧有栅极开孔的进风口,进风口旁边设计了可以更换滤网的抽槽,机身带有一个供电接口,一个电源开关。顶部是空气净化器的出风口,中间有装饰灯带以及相应的指示灯。

 

 

空气净化器有低中高三个档位以及智能档位这4种模式,这4种工作模式可以直接通过机械按键来切换。此外,这个车载空气净化器还有一个空气质量监测的状态指示灯,之所以能号称智能,大概率机身搭载了众多可以监测环境的传感器,而其中最关键的传感器之一莫过于空气质量监测传感器,这个传感器的快速、精准检测直接影响了这个空气净化器的功效、这个产品的品质和口碑,这么核心、占据C位的传感器到底采用的是什么方案呢?我们通过拆解来一探究竟。

 

拆解

 

具体拆解过程可以查看视频,来看下拆解后的整个电路方案。主要分为4个部分:离心风机,滤网,主控制板,传感器部分。

 

离心风机

 


离心风机的型号为COOLCOX BF9733H12D,12V DC供电,0.56A的电流,功率在6.7W左右。风机转动,通过外壳的栅极进风口将空气吸入,然后经过滤网,过滤颗粒物,灰尘,甚至气味。


滤网

 


滤网是空气净化器的核心,但是不涉及电路。滤网的好坏,也就是等级,对于一般的消费者而言是无法鉴别的,所以也只能通过厂家的说明以及产品参数来判断了,这个产品的滤网主要分为3层:

  • 首先是前置滤网,主要是过滤大粉尘
  • 中间是高效过滤层,用于过滤细粉尘,细菌
  • 最后就是活性炭过滤层,过滤各种气味


风机和滤网的组合基本上已经达成了空气净化器的目的,至于空气净化是否OK,那就需要依靠其它功能模块来检测。

 

主控制板

 

 

主板如上图所示,分布的资源包括了12V的电源输入部分、板载的蜂鸣器、大电流的DCDC稳压器、多个提供给板载芯片供电的降压稳压器、基于单芯片蓝牙方案的蓝牙模组,外部的存储芯片等。当然,PCB板上最重要的核心莫过于多个传感器,归功于这些传感器的联动,生生将原本普通的车载空气净化器一跃成为智能设备。

 

传感器

 

  • 颗粒物检测传感器

 

 

上图为粉尘传感器,由一个红外发光二极管和一个光电晶体管构成,通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量,利用光敏原理来工作,依靠输出脉冲的高度来判断颗粒浓度。

 

 

 

板子核心的MEMS器件上的丝印为4410AI1,经查是瑞萨的ZMOD气体传感器平台,一种创新型高性能的传感器平台,适用于室内空气质量检测,能够准确检测挥发性有机化合物(VOC)、氮氧化物(NOx)、臭氧(O3)、氢气(H2)等其它易燃气体。但是,本产品上的4410AI1只用于检测室内空气质量(UBA标准)、TVOC和估算的CO2。



仔细看上图这个结构,可以理解成一个小模块,是一款集成式数字校准气体传感器,由气体检测元件和CMOS信号调理IC组成, 采用微电机系统结构,封装是一个12针LGA的组件,尺寸为3 x 3 x 0.7毫米,同时,为适应不同的应用场景,瑞萨也提供支持IP67防水等级的封装,尺寸是3 x 3 x 0.9毫米,相比不防水的封装高了0.2mm。至于具体型号,可以参考下表。

 

 

目前有上表的4个型号,其实也就是两种,AI1和AI3,分别对应不防水的以及IP67防水的型号,最后一个字母R和V只是针对器件包装方式的不同。

 

而我们这个板子上实际搭载的就是上面所说的不防水的这个型号(ZMOD4410AI1)。

总结来看,这个产品有瑞萨独一无二的优势:

金属氧化物材料方面
1.    15 年久经考验的可靠性,传感器仍在保持运行并记录数据
2.    不受环境硅氧烷污染
3.    性能上具有最佳稳定性和灵敏度

专用集成电路方面
1.    可通过步骤进行配置、定义操作方法 
2.    无需更改硬件即可快速更新和升级传感器

校准
1.    具有电气和化学双重保险的校准:每个传感器都使用特定浓度的乙醇进行校准
2.    保证了每个产品批次的一致性能

清洁空气的明确定义
1.    与德国环境署清洁空气研究合作
2.    第三方的验证
3.    最终消费者可放心的清洁空气的定义和测试
 

一般来说,对于没有特殊需求的消费电子来说,这种型号就比较合适,而且相比防水的型号,价格也要便宜很多,如果要用在环境比较严峻的工业场所等,那具备IP67防水的会更加可靠,工程师只需根据实际需求来选择即可。


另外,我们也能在其规格书上查看到更多信息,I2C接口,最高支持400kHz通信速率,支持1.7V to 3.6V 。芯片虽然有12pin脚,但是,实际用到的除了电源和地,就是I2C接口的时钟信号线(SCL)和数据信号线(SDA),以及分别用于中断的中断信号(INT)和复位信号(RES_N)。

 

 

而从上面的硬件框图也可以看到,ZMOD4410AI1由气体检测元件和CMOS信号调理IC组成, 其中模块的气体检测传感元件由(基于Si的微电机系统结构上的)加热元件和金属氧化物(MOx)化学电阻组成。信号调节器控制传感器温度并测量MOx电导率,也就是气体浓度的函数。当空气流经传感器后,将空气的质量反馈成电阻,再通过相应的算法计算出当前环境下的空气质量。

 

总的来说,这个器件的接口真的是非常的简单,尺寸也迷你,从硬件设计上来说,大大降低了对空气质量测量方案的复杂度,即便是一名新手工程师也能十分容易的基于ZMOD4410完成一个空气质量检测的项目设计。

 

 

 

在另一个PCB的小板上同样有一颗MEMS结构的器件,上面的丝印为IDT H36S,经查为瑞萨的HS300X系列温湿度传感器,板子上的这颗具体型号为HS3001,规格参数如下:

  • 测量的湿度范围是10 to 90%,精度为: ±1.5%;
  • 温度的范围是-10 to +80°C,精度为±0.2°C;
  • 供电范围:2.3V~5.5V;

 

器件同样采用I2C接口,因此电路设计非常简单,但是在PCB设计的时候需要注意一点,是什么呢?

 

可能细心的小伙伴也发现了,在这颗器件周围的PCB都做了镂空处理,这样做的目的是什么?从本身功能出发来看,因为这是一颗板载的带有温湿度测量的传感器,而PCB周围其他组件产生的过多热量会导致温度和相对湿度测量的不准确,而之所以做这一圈的镂空处理,是将通往这颗温湿度传感器的不良传热路径减至最少。

 


其实如果你仔细研究过瑞萨提供的规格书的话,也能找到相关PCB设计的参考,在里面有一段非常明显的加粗的英文提示,翻译过来就是应该避免在传感器附近使用用于电源的固态金属层,因为它会充当热导体,影响测温准确性。


小结

 

从车载空气净化器拆解的硬件方案来看,它不是一个简单的只有开和关的“弱智”产品,它融合了智能的概念,而智能的来源是基于与传感器的联动,瑞萨空气质量传感器ZMOD4410,温湿度传感器HS3001以及颗粒物检测传感器,这三者的结合可以全方位有效监测车内空气质量环境,并且可以帮助用户针对性的使用这个产品,节省滤网的消耗。这种智能化的场景只需通过一个个小小的传感器就能达到目的,是不是很神奇?


当然,这产品本身并不是我看好这个方案的根本,因为目前的额外的车载空气净化器或多或少会占用车内空间,且摆放不易,所以我认为它并不该是最终的形态。在全球汽车市场随着电动汽车的杀入搅局,汽车功能有望迎来新一轮的集成,而空气净化这个功能,有什么理由不在汽车上集成呢?而现成的参考方案,瑞萨已推到你面前。