無線充電如何保證充電安全
- 發(fā)布時間:2021-3-12 文章來源:電子產(chǎn)品世界
- 無線充電可謂時尚手機的新寵。這幾年,隨著蘋果、華為、小米等新發(fā)布的手機都支持無線充電,無線充電得到了越來越多消費者的青睞。
實際上,隨著無線充電標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一,技術(shù)的成熟,市場的推廣,從而解決了設(shè)備的通用性和兼容性等問題,無線充電的前景非常可期。例如人們不需要每天頻繁地對手機去做插拔的動作;開車時,無需專門停下車去找充電頭/充電線去給手機充電。所以就像網(wǎng)絡(luò)從有線到無線的發(fā)展趨勢類似,無線充電將會開啟一個新時代,植入到我們的日常生活中。
當(dāng)然,無線充電的應(yīng)用和普及也是由標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的。對于手機,WPC Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)即將在2020年底出爐,會帶來身份鑒權(quán)方面的需求。
那么,無線充電的標(biāo)準(zhǔn)有哪些?為何要出臺Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)?如何實現(xiàn)這種新的鑒權(quán)標(biāo)準(zhǔn)?近日,英飛凌科技宣布推出OPTIGA? Trust Charge交鑰匙解決方案,專為無線充電的身份鑒權(quán)打造。為此,電子產(chǎn)品世界等媒體采訪了英飛凌科技安全互聯(lián)系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)市場經(jīng)理張慶峰先生。
英飛凌科技 安全互聯(lián)系統(tǒng)事業(yè)部 大中華區(qū)市場經(jīng)理 張慶峰先生
1 無線充電有哪些標(biāo)準(zhǔn)
長期以來,各界都看好無線充電的市場潛力。不過,由于過去無線充電的標(biāo)準(zhǔn)很多等因素,影響了無線充電的普及。目前無線充電的標(biāo)準(zhǔn)已基本明確了,有如下三大分類(如下圖)。
1)緊密耦合方式,也叫電磁感應(yīng)。代表有WPC Qi標(biāo)準(zhǔn),工作范圍在(110~205) kHz低頻的頻段?,F(xiàn)在幾乎所有的消費級手機、平板電腦采用了WPC的最新標(biāo)準(zhǔn)。
2)磁場共振方式。代表有AirFuel(A4WP與PMA整合之后的新聯(lián)盟),主要針對將來的電動汽車領(lǐng)域,它的充電會通過相同頻譜磁場共振的方式進行電力傳輸,工作在6.78 MHz頻段。
3)非耦合方式。通過無線的方式進行電力傳輸?shù)臒o線充電,包含射頻、超聲以及紅外等。
此外,前段時間,NFC組織也推出了NFC無線充電方式,更多目標(biāo)是可穿戴設(shè)備、耳機,所以充電效能也只到1W。
2 不斷普及的Qi標(biāo)準(zhǔn)正面臨安全挑戰(zhàn)
目前WPC最新的標(biāo)準(zhǔn)是Qi 1.2.4。Qi主要針對智能手機和手持設(shè)備。WPC標(biāo)準(zhǔn)定義的目標(biāo)是:①做到充電器與無線電源的全球兼容性和互通性,保證不同廠家的設(shè)備之間互通;②隨著快速充電/高功率的無線充電出現(xiàn),如何去保證設(shè)備,尤其是電池的安全,進而去保護用戶和消費者的人身安全。
現(xiàn)在市面上已有超過5000種Qi認證的產(chǎn)品,人們可以從WPC官網(wǎng)上查到所有通過Qi認證的產(chǎn)品。
據(jù)Strategy Analytics市場報告(如下圖),2018年符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備日出貨量超過100萬件,2019年增加到了127萬件/天,2019年的全年出貨量達到了4.6億件,其中接收端(RX端)的設(shè)備(手機、平板、Pad)約3.38億件,充電發(fā)射器(TX端)約是1.27億件。所以,整個設(shè)備的增長率在2019年達到了27%。尤其需要強調(diào)的是,充電發(fā)射器(即無線充電底座)的增幅更大一些,已達57%的同比增長率。
當(dāng)然,無線充電也面臨了很多新挑戰(zhàn),這也催生了WPC Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)上有一些更多的功能上的要求,包括標(biāo)準(zhǔn)上的擴展。
首先,從整個充電功率來看,目前大于5W的快速充電應(yīng)用越來越多,例如手機上甚至有支持27W的,甚至40W的,所以充電功率是越來越高的。但是隨著充電功率的提高,電流會越大,產(chǎn)品損壞或劣質(zhì)的、沒有經(jīng)過認證的產(chǎn)品會帶來很大的安全風(fēng)險和隱患。所以,WPC從降低產(chǎn)品和人身風(fēng)險層面考慮,預(yù)計在2020年年底正式發(fā)布新的標(biāo)準(zhǔn)——Qi 1.3。新標(biāo)準(zhǔn)會針對無線充電底座的身份鑒權(quán)有非常明確的要求——支持1個不低于CC EAL4+ 安全認證的硬件安全芯片在充電底座里。這也是Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)與之前標(biāo)準(zhǔn)相比最大的變化。
有了這個標(biāo)準(zhǔn)后,所有的接收端設(shè)備,例如手機,可以對充電設(shè)備進行身份鑒權(quán)和產(chǎn)品的認證。如果驗證通過了就可以進行充電,否則拒絕給手機充電或降低充電效率,只讓它以最低(例如5W)的充電功率給手機充電,從而保證產(chǎn)品和終端用戶的安全。
3 Qi 1.3適用哪些無線充電
WPC Qi把整個充電功率劃分為幾個等級。有的等級需要身份認證,有的沒有強制要求。
1)Qi BPP,即在小于5W的充電產(chǎn)品里沒有強制要求身份鑒權(quán)。但是,這部分又強烈建議要支持身份鑒權(quán)的功能。
2)Qi EPP領(lǐng)域,即5~15W的功率范圍,是這次版本里最強調(diào)的一個部分,會強制要求在充電設(shè)備端要有安全身份驗證。這意味著要有1個硬件安全芯片在產(chǎn)品里。
3)未來高功率領(lǐng)域。WPC也在擴展它的應(yīng)用場景,將來會把充電功率擴展到60W,可能到那時,手機、平板電腦會以這種高等級的功率進行充電。同時也會有一些新標(biāo)準(zhǔn),如Ki標(biāo)準(zhǔn),預(yù)計2021年發(fā)布,可能會針對將來的家電產(chǎn)品進行無線充電,也包括了對于電動工具、機器人等,會有200W充電功率的考慮。
因此,針對Qi無線充電,大于5W的發(fā)射端設(shè)備要求有基于硬件安全的身份鑒權(quán)。所以,也正是基于這種標(biāo)準(zhǔn)的要求,英飛凌推出了OPTIGA? Trust Charge無線充電身份鑒權(quán)方案。
4 OPTIGA? Trust Charge可實現(xiàn)最高安全等級
英飛凌很早就加入了WPC組織,所以很早便已經(jīng)在參與討論相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和工作流程。最新的解決方案是OPTIGA? Trust Charge無線充電身份鑒權(quán),是一個交鑰匙(Trunkey)的解決方案。它符合Qi 1.3身份鑒權(quán)的方案,而且支持ECC 256-bit密鑰和SHA-2的解決方案,即符合Qi 1.3安全驗證的流程和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求。
非常重要的一點是:既然要做這種身份鑒權(quán),就要防止密鑰被盜、被黑客攻擊、被克隆的風(fēng)險。因現(xiàn)在市面上有太多沒有鑒權(quán),或者非常簡單的軟件鑒權(quán),又或者有一些簡單的ID鑒權(quán),是很容易被克隆、破解的。所以Qi 1.3規(guī)范強制要求有一款不低于CC EAL4+認證的安全芯片。而英飛凌的OPTIGA? Trust Charge提供通過CC EAL6+高安全規(guī)格的安全芯片,可見安全等級比Qi 1.3的規(guī)范高了很多。CC EAL6+也是英飛凌以前針對銀行卡或信用卡等規(guī)格的高安全等級芯片。
同時,在有了安全芯片之后,要往安全芯片里注入密鑰,包括整個證書的寫入。所以在Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)里,對這部分又有一個明確的要求,即要在CC EAL4+安全認證的生產(chǎn)環(huán)境中,才可以去做相應(yīng)的密鑰生成和注入、證書的存儲和簽發(fā)。英飛凌作為全球第一大安全芯片的供應(yīng)商,有一家通過了CC EAL6+認證的制造工廠。所以,從這個角度看,英飛凌OPTIGA? Trust Charge產(chǎn)品已經(jīng)完全滿足甚至超過了1.3規(guī)范的要求。
5 最高等級的方案會增加成本嗎
如果在消費級也是用最高等級安全認證的話,成本是否會增加呢?由于英飛凌有很多CC EAL6+產(chǎn)品經(jīng)驗。所以,從CC EAL4+和CC EAL6+的成本,并沒有太大的區(qū)別。相反,客戶以及合作伙伴會得到最高安全等級的產(chǎn)品。另外隨著產(chǎn)品的普及,以及整個出貨量的增加,價格一定是會下降的。需要強調(diào)的是,消費級產(chǎn)品對安全等級的要求其實并沒有降低,所以英飛凌還是會提供CC EAL6+的產(chǎn)品。
那么,CC EAL6+和CC EAL4+到底有哪些區(qū)別?目前行業(yè)最高的等級就是CC EAL6+。二者的區(qū)別如下。
1)CC EAL6+和CC EAL4+測試的要求會不一樣。CC EAL6+可能有100項測試的標(biāo)準(zhǔn),CC EAL4+可能只有80項。
2)測試的深度也不一樣。CC EAL6+不僅僅針對產(chǎn)品的本身,還包含了整個從產(chǎn)品的定義、開發(fā)、生產(chǎn)、測試、維護、物流,全部都在監(jiān)管范圍以內(nèi)(如下圖)。所以到了CC EAL6+等級,監(jiān)管范圍會更多。例如,英飛凌在CC EAL6+等級時,所有產(chǎn)品的運輸,無論是空運還是陸地運輸,全部都在監(jiān)管范圍內(nèi)。即安全芯片從其中一家工廠運到另外一家工廠,或者運到終端客戶的時候,都會有專門運送安全芯片的物流車,而且全部是封閉管理,有GPS,而且會提前規(guī)定好行車路線,須要按照行車路線行進,即使路途中有堵車也不可以更換路徑。所以它是有非常明確的規(guī)范。
圖 CC EAL6+包含了整個從產(chǎn)品的定義到物流的全程監(jiān)管
3)還有一些針對產(chǎn)品本身的規(guī)定,產(chǎn)品要能扛住哪些攻擊,例如測信道的攻擊、物理的攻擊、探針的處理。CC EAL6+產(chǎn)品能夠扛住的攻擊時間、攻擊手段會更長,因此破解的難度、時間、成本會相對比CC EAL4+的更復(fù)雜,難度更高。
6 為何需要單獨的身份鑒權(quán)芯片
為何需要單獨的安全芯片,安全認證可否整合在無線充電的控制器里?張慶峰經(jīng)理指出,從某種程度來說,后者是可行的,甚至可以放在相應(yīng)的MCU里做集成性的方案。但是,這有一個最大的問題:目前WPC的規(guī)定,安全性必須要達到CC EAL4+標(biāo)準(zhǔn)。目前市面上所有的方案,無論是集成的方案,還是把安全芯片放到無線充電控制器或者放到MCU里面,很難達到CC EAL4+安全認證標(biāo)準(zhǔn)。
因此Qi 1.3強調(diào),一定是要用單獨的安全芯片才能達到最高安全等級測試認證的標(biāo)準(zhǔn)和要求。所以,這也是目前前述整合方案面臨的最大問題,也可能Arm Trustzone方案會比較類似——它們可以實現(xiàn)一定的安全功能,但是安全等級肯定沒有單獨的安全芯片的等級高,達不到CC EAL4+的要求。而且在WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)針對CC EAL4+是有明確的相應(yīng)測試規(guī)定——PP0084,這都是專門針對獨立硬件安全芯片的測試規(guī)范。當(dāng)然,如果哪一天MCU或者無線充電控制器把安全芯片能做到這么高安全等級規(guī)格的話,這也是一個可選的方案。
7 無線充電的下一步規(guī)劃
有了身份鑒權(quán)的安全保障,手機等電子設(shè)備的無線充電功率會不斷提到,類似有線充電的發(fā)展趨勢。例如,有的有線充電已經(jīng)做到了100W,甚至有人宣稱做到120W。盡管無線充電從效率上來看可能會相對差一點,但是由于便利性,發(fā)展也很快,對于手機,目前40W已經(jīng)足夠快了,如果能像WPC規(guī)定的達到60W這樣的無線充電功率,可以滿足絕大部分的充電需求了。據(jù)悉,WPC已經(jīng)在規(guī)劃Qi 1.4標(biāo)準(zhǔn),按照Qi 1.4的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃,應(yīng)該是會支持到60W充電功率,可能2021年發(fā)布(如下圖)。
那么,汽車級的無線充電產(chǎn)品發(fā)展得如何?張慶峰先生介紹道,其實現(xiàn)在很多高端的車型已經(jīng)支持車載的無線充電了。在后裝市場,如4S店可能也會提供這種服務(wù)。預(yù)計未來車載類的無線充電會快速普及,因為它帶來的不僅僅是便捷性,從安全性上也解決了目前有線充電非常大的問題。
那么汽車類的無線充電產(chǎn)品會有哪些不同?實際上,車載級會比工業(yè)級和消費級有一些特定的要求,例如車載級要去通過AEC-Q100安全認證,同時車載的電氣特性、靜電ESD處理都會和消費級的不一樣。另外非常重要的一點,每一家車廠都會有些定制化的要求設(shè)置,即每家車廠對無線充電的啟動時間、工作狀態(tài)都會有不同的要求,不可能像消費類產(chǎn)品一樣做通用的產(chǎn)品。
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