无线充电如何保证充电安全?

2020-12-28 15:49:43 topmold 542

无线充电可谓时尚手机的新宠。这几年,随着苹果、华为、小米等新发布的手机都支持无线充电,无线充电得到了越来越多消费者的青睐。

无线充电如何保证充电安全?

实际上,随着无线充电标准的统一,技术的成熟,市场的推广,从而解决了设备的通用性和兼容性等问题,无线充电的前景非常可期。例如人们不需要每天频繁地对手机去做插拔的动作;开车时,无需专门停下车去找充电头/充电线去给手机充电。所以就像网络从有线到无线的发展趋势类似,无线充电将会开启一个新时代,植入到我们的日常生活中。

当然,无线充电的应用和普及也是由标准驱动的。对于手机,WPC Qi 1.3标准即将在2020年底出炉,会带来身份鉴权方面的需求。

那么,无线充电的标准有哪些?为何要出台Qi 1.3标准?如何实现这种新的鉴权标准?近日,英飞凌科技宣布推出OPTIGA™ Trust Charge交钥匙解决方案,专为无线充电的身份鉴权打造。为此,电子产品世界等媒体采访了英飞凌科技安全互联系统事业部大中华区市场经理张庆峰先生。

英飞凌科技 安全互联系统事业部 大中华区市场经理 张庆峰先生

英飞凌科技 安全互联系统事业部 大中华区市场经理 张庆峰先生

1、无线充电有哪些标准

长期以来,各界都看好无线充电的市场潜力。不过,由于过去无线充电的标准很多等因素,影响了无线充电的普及。目前无线充电的标准已基本明确了,有如下三大分类(如下图)。

图 无线标准三分天下

图 无线标准三分天下

1)紧密耦合方式,也叫电磁感应。代表有WPC Qi标准,工作范围在(110~205) kHz低频的频段。现在几乎所有的消费级手机、平板电脑采用了WPC的最新标准。

2)磁场共振方式。代表有AirFuel(A4WP与PMA整合之后的新联盟),主要针对将来的电动汽车领域,它的充电会通过相同频谱磁场共振的方式进行电力传输,工作在6.78 MHz频段。

3)非耦合方式。通过无线的方式进行电力传输的无线充电,包含射频、超声以及红外等。

此外,前段时间,NFC组织也推出了NFC无线充电方式,更多目标是可穿戴设备、耳机,所以充电效能也只到1W。

2、不断普及的Qi标准正面临安全挑战

目前WPC最新的标准是Qi 1.2.4。Qi主要针对智能手机和手持设备。WPC标准定义的目标是:①做到充电器与无线电源的全球兼容性和互通性,保证不同厂家的设备之间互通;②随着快速充电/高功率的无线充电出现,如何去保证设备,尤其是电池的安全,进而去保护用户和消费者的人身安全。

现在市面上已有超过5000种Qi认证的产品,人们可以从WPC官网上查到所有通过Qi认证的产品。

据Strategy Analytics市场报告(如下图),2018年符合Qi标准的设备日出货量超过100万件,2019年增加到了127万件/天,2019年的全年出货量达到了4.6亿件,其中接收端(RX端)的设备(手机、平板、Pad)约3.38亿件,充电发射器(TX端)约是1.27亿件。所以,整个设备的增长率在2019年达到了27%。尤其需要强调的是,充电发射器(即无线充电底座)的增幅更大一些,已达57%的同比增长率。

Qi设备的市场规模

图 Qi设备的市场规模

当然,无线充电也面临了很多新挑战,这也催生了WPC Qi 1.3标准上有一些更多的功能上的要求,包括标准上的扩展。

首先,从整个充电功率来看,目前大于5W的快速充电应用越来越多,例如手机上甚至有支持27W的,甚至40W的,所以充电功率是越来越高的。但是随着充电功率的提高,电流会越大,产品损坏或劣质的、没有经过认证的产品会带来很大的安全风险和隐患。所以,WPC从降低产品和人身风险层面考虑,预计在2020年年底正式发布新的标准——Qi 1.3。新标准会针对无线充电底座的身份鉴权有非常明确的要求——支持1个不低于CC EAL4+ 安全认证的硬件安全芯片在充电底座里。这也是Qi 1.3标准与之前标准相比最大的变化。

有了这个标准后,所有的接收端设备,例如手机,可以对充电设备进行身份鉴权和产品的认证。如果验证通过了就可以进行充电,否则拒绝给手机充电或降低充电效率,只让它以最低(例如5W)的充电功率给手机充电,从而保证产品和终端用户的安全。

3、Qi 1.3适用哪些无线充电

WPC Qi把整个充电功率划分为几个等级。有的等级需要身份认证,有的没有强制要求。

1)Qi BPP,即在小于5W的充电产品里没有强制要求身份鉴权。但是,这部分又强烈建议要支持身份鉴权的功能。

2)Qi EPP领域,即5~15W的功率范围,是这次版本里最强调的一个部分,会强制要求在充电设备端要有安全身份验证。这意味着要有1个硬件安全芯片在产品里。

3)未来高功率领域。WPC也在扩展它的应用场景,将来会把充电功率扩展到60W,可能到那时,手机、平板电脑会以这种高等级的功率进行充电。同时也会有一些新标准,如Ki标准,预计2021年发布,可能会针对将来的家电产品进行无线充电,也包括了对于电动工具、机器人等,会有200W充电功率的考虑。

因此,针对Qi无线充电,大于5W的发射端设备要求有基于硬件安全的身份鉴权。所以,也正是基于这种标准的要求,英飞凌推出了OPTIGA™ Trust Charge无线充电身份鉴权方案。

OPTIGA™ Trust Charge可实现最高安全等级

4 、OPTIGA™ Trust Charge可实现最高安全等级

英飞凌很早就加入了WPC组织,所以很早便已经在参与讨论相关的标准、协议和工作流程。最新的解决方案是OPTIGA™ Trust Charge无线充电身份鉴权,是一个交钥匙(Trunkey)的解决方案。它符合Qi 1.3身份鉴权的方案,而且支持ECC 256-bit密钥和SHA-2的解决方案,即符合Qi 1.3安全验证的流程和相关技术指标的要求。

非常重要的一点是:既然要做这种身份鉴权,就要防止密钥被盗、被黑客攻击、被克隆的风险。因现在市面上有太多没有鉴权,或者非常简单的软件鉴权,又或者有一些简单的ID鉴权,是很容易被克隆、破解的。所以Qi 1.3规范强制要求有一款不低于CC EAL4+认证的安全芯片。而英飞凌的OPTIGA™ Trust Charge提供通过CC EAL6+高安全规格的安全芯片,可见安全等级比Qi 1.3的规范高了很多。CC EAL6+也是英飞凌以前针对银行卡或信用卡等规格的高安全等级芯片。

同时,在有了安全芯片之后,要往安全芯片里注入密钥,包括整个证书的写入。所以在Qi 1.3标准里,对这部分又有一个明确的要求,即要在CC EAL4+安全认证的生产环境中,才可以去做相应的密钥生成和注入、证书的存储和签发。英飞凌作为全球第一大安全芯片的供应商,有一家通过了CC EAL6+认证的制造工厂。所以,从这个角度看,英飞凌OPTIGA™ Trust Charge产品已经完全满足甚至超过了1.3规范的要求。

5、最高等级的方案会增加成本吗

如果在消费级也是用最高等级安全认证的话,成本是否会增加呢?由于英飞凌有很多CC EAL6+产品经验。所以,从CC EAL4+和CC EAL6+的成本,并没有太大的区别。相反,客户以及合作伙伴会得到最高安全等级的产品。另外随着产品的普及,以及整个出货量的增加,价格一定是会下降的。需要强调的是,消费级产品对安全等级的要求其实并没有降低,所以英飞凌还是会提供CC EAL6+的产品。

那么,CC EAL6+和CC EAL4+到底有哪些区别?目前行业最高的等级就是CC EAL6+。二者的区别如下:

1)CC EAL6+和CC EAL4+测试的要求会不一样。CC EAL6+可能有100项测试的标准,CC EAL4+可能只有80项。

2)测试的深度也不一样。CC EAL6+不仅仅针对产品的本身,还包含了整个从产品的定义、开发、生产、测试、维护、物流,全部都在监管范围以内(如下图)。所以到了CC EAL6+等级,监管范围会更多。例如,英飞凌在CC EAL6+等级时,所有产品的运输,无论是空运还是陆地运输,全部都在监管范围内。即安全芯片从其中一家工厂运到另外一家工厂,或者运到终端客户的时候,都会有专门运送安全芯片的物流车,而且全部是封闭管理,有GPS,而且会提前规定好行车路线,须要按照行车路线行进,即使路途中有堵车也不可以更换路径。所以它是有非常明确的规范。

CC EAL6+包含了整个从产品的定义到物流的全程监管

图 CC EAL6+包含了整个从产品的定义到物流的全程监管

3)还有一些针对产品本身的规定,产品要能扛住哪些攻击,例如测信道的攻击、物理的攻击、探针的处理。CC EAL6+产品能够扛住的攻击时间、攻击手段会更长,因此破解的难度、时间、成本会相对比CC EAL4+的更复杂,难度更高。

6、为何需要单独的身份鉴权芯片

为何需要单独的安全芯片,安全认证可否整合在无线充电的控制器里?张庆峰经理指出,从某种程度来说,后者是可行的,甚至可以放在相应的MCU里做集成性的方案。但是,这有一个最大的问题:目前WPC的规定,安全性必须要达到CC EAL4+标准。目前市面上所有的方案,无论是集成的方案,还是把安全芯片放到无线充电控制器或者放到MCU里面,很难达到CC EAL4+安全认证标准。

因此Qi 1.3强调,一定是要用单独的安全芯片才能达到最高安全等级测试认证的标准和要求。所以,这也是目前前述整合方案面临的最大问题,也可能Arm Trustzone方案会比较类似——它们可以实现一定的安全功能,但是安全等级肯定没有单独的安全芯片的等级高,达不到CC EAL4+的要求。而且在WPC Qi标准针对CC EAL4+是有明确的相应测试规定——PP0084,这都是专门针对独立硬件安全芯片的测试规范。当然,如果哪一天MCU或者无线充电控制器把安全芯片能做到这么高安全等级规格的话,这也是一个可选的方案。

为何需要单独的身份鉴权芯片

7、无线充电的下一步规划

有了身份鉴权的安全保障,手机等电子设备的无线充电功率会不断提到,类似有线充电的发展趋势。例如,有的有线充电已经做到了100W,甚至有人宣称做到120W。尽管无线充电从效率上来看可能会相对差一点,但是由于便利性,发展也很快,对于手机,目前40W已经足够快了,如果能像WPC规定的达到60W这样的无线充电功率,可以满足绝大部分的充电需求了。据悉,WPC已经在规划Qi 1.4标准,按照Qi 1.4的标准规划,应该是会支持到60W充电功率,可能2021年发布(如下图)。

Qi 1.4的标准规划

那么,汽车级的无线充电产品发展得如何?张庆峰先生介绍道,其实现在很多高端的车型已经支持车载的无线充电了。在后装市场,如4S店可能也会提供这种服务。预计未来车载类的无线充电会快速普及,因为它带来的不仅仅是便捷性,从安全性上也解决了目前有线充电非常大的问题。

那么汽车类的无线充电产品会有哪些不同?实际上,车载级会比工业级和消费级有一些特定的要求,例如车载级要去通过AEC-Q100安全认证,同时车载的电气特性、静电ESD处理都会和消费级的不一样。另外非常重要的一点,每一家车厂都会有些定制化的要求设置,即每家车厂对无线充电的启动时间、工作状态都会有不同的要求,不可能像消费类产品一样做通用的产品。

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