無(wú)線(xiàn)充電如何保證充電安全
- 發(fā)布時(shí)間：2021-3-12 文章來(lái)源：電子產(chǎn)品世界
- 無(wú)線(xiàn)充電可謂時(shí)尚手機的新寵。這幾年，隨著(zhù)蘋(píng)果、華為、小米等新發(fā)布的手機都支持無(wú)線(xiàn)充電，無(wú)線(xiàn)充電得到了越來(lái)越多消費者的青睞。
實(shí)際上，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)充電標準的統一，技術(shù)的成熟，市場(chǎng)的推廣，從而解決了設備的通用性和兼容性等問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)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(dòng)作；開(kāi)車(chē)時(shí)，無(wú)需專(zhuān)門(mén)停下車(chē)去找充電頭/充電線(xiàn)去給手機充電。所以就像網(wǎng)絡(luò )從有線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)的發(fā)展趨勢類(lèi)似，無(wú)線(xiàn)充電將會(huì )開(kāi)啟一個(gè)新時(shí)代，植入到我們的日常生活中。
當然，無(wú)線(xiàn)充電的應用和普及也是由標準驅動(dòng)的。對于手機，WPC Qi 1.3標準即將在2020年底出爐，會(huì )帶來(lái)身份鑒權方面的需求。
那么，無(wú)線(xiàn)充電的標準有哪些？為何要出臺Qi 1.3標準？如何實(shí)現這種新的鑒權標準？近日，英飛凌科技宣布推出OPTIGA? Trust Charge交鑰匙解決方案，專(zhuān)為無(wú)線(xiàn)充電的身份鑒權打造。為此，電子產(chǎn)品世界等媒體采訪(fǎng)了英飛凌科技安全互聯(lián)系統事業(yè)部大中華區市場(chǎng)經(jīng)理張慶峰先生。
英飛凌科技 安全互聯(lián)系統事業(yè)部 大中華區市場(chǎng)經(jīng)理 張慶峰先生
1 無(wú)線(xiàn)充電有哪些標準
長(cháng)期以來(lái)，各界都看好無(wú)線(xiàn)充電的市場(chǎng)潛力。不過(guò)，由于過(guò)去無(wú)線(xiàn)充電的標準很多等因素，影響了無(wú)線(xiàn)充電的普及。目前無(wú)線(xiàn)充電的標準已基本明確了，有如下三大分類(lèi)（如下圖）。
1)緊密耦合方式，也叫電磁感應。代表有WPC Qi標準，工作范圍在(110~205) kHz低頻的頻段。現在幾乎所有的消費級手機、平板電腦采用了WPC的最新標準。
2)磁場(chǎng)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(lái)的電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，它的充電會(huì )通過(guò)相同頻譜磁場(chǎng)共振的方式進(jìn)行電力傳輸，工作在6.78 MHz頻段。
3)非耦合方式。通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式進(jìn)行電力傳輸的無(wú)線(xiàn)充電，包含射頻、超聲以及紅外等。
此外，前段時(shí)間，NFC組織也推出了NFC無(wú)線(xiàn)充電方式，更多目標是可穿戴設備、耳機，所以充電效能也只到1W。
2 不斷普及的Qi標準正面臨安全挑戰
目前WPC最新的標準是Qi 1.2.4。Qi主要針對智能手機和手持設備。WPC標準定義的目標是：①做到充電器與無(wú)線(xiàn)電源的全球兼容性和互通性，保證不同廠(chǎng)家的設備之間互通；②隨著(zhù)快速充電/高功率的無(wú)線(xiàn)充電出現，如何去保證設備，尤其是電池的安全，進(jìn)而去保護用戶(hù)和消費者的人身安全。
現在市面上已有超過(guò)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(guò)Qi認證的產(chǎn)品。
據Strategy Analytics市場(chǎng)報告（如下圖）,2018年符合Qi標準的設備日出貨量超過(guò)100萬(wàn)件，2019年增加到了127萬(wàn)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(gè)設備的增長(cháng)率在2019年達到了27%。尤其需要強調的是，充電發(fā)射器（即無(wú)線(xiàn)充電底座）的增幅更大一些，已達57%的同比增長(cháng)率。
當然，無(wú)線(xiàn)充電也面臨了很多新挑戰，這也催生了WPC Qi 1.3標準上有一些更多的功能上的要求，包括標準上的擴展。
首先，從整個(gè)充電功率來(lái)看，目前大于5W的快速充電應用越來(lái)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(lái)越高的。但是隨著(zhù)充電功率的提高，電流會(huì )越大，產(chǎn)品損壞或劣質(zhì)的、沒(méi)有經(jīng)過(guò)認證的產(chǎn)品會(huì )帶來(lái)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，預計在2020年年底正式發(fā)布新的標準——Qi 1.3。新標準會(huì )針對無(wú)線(xiàn)充電底座的身份鑒權有非常明確的要求——支持1個(gè)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標準與之前標準相比最大的變化。
有了這個(gè)標準后，所有的接收端設備，例如手機，可以對充電設備進(jìn)行身份鑒權和產(chǎn)品的認證。如果驗證通過(guò)了就可以進(jìn)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(hù)的安全。
3 Qi 1.3適用哪些無(wú)線(xiàn)充電
WPC Qi把整個(gè)充電功率劃分為幾個(gè)等級。有的等級需要身份認證，有的沒(méi)有強制要求。
1)Qi BPP，即在小于5W的充電產(chǎn)品里沒(méi)有強制要求身份鑒權。但是，這部分又強烈建議要支持身份鑒權的功能。
2)Qi EPP領(lǐng)域，即5~15W的功率范圍，是這次版本里最強調的一個(gè)部分，會(huì )強制要求在充電設備端要有安全身份驗證。這意味著(zhù)要有1個(gè)硬件安全芯片在產(chǎn)品里。
3)未來(lái)高功率領(lǐng)域。WPC也在擴展它的應用場(chǎng)景，將來(lái)會(huì )把充電功率擴展到60W，可能到那時(shí)，手機、平板電腦會(huì )以這種高等級的功率進(jìn)行充電。同時(shí)也會(huì )有一些新標準，如Ki標準，預計2021年發(fā)布，可能會(huì )針對將來(lái)的家電產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，也包括了對于電動(dòng)工具、機器人等，會(huì )有200W充電功率的考慮。
因此，針對Qi無(wú)線(xiàn)充電，大于5W的發(fā)射端設備要求有基于硬件安全的身份鑒權。所以，也正是基于這種標準的要求，英飛凌推出了OPTIGA? Trust Charge無(wú)線(xiàn)充電身份鑒權方案。
4 OPTIGA? Trust Charge可實(shí)現最高安全等級
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)的標準、協(xié)議和工作流程。最新的解決方案是OPTIGA? Trust Charge無(wú)線(xiàn)充電身份鑒權，是一個(gè)交鑰匙（Trunkey）的解決方案。它符合Qi 1.3身份鑒權的方案，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)指標的要求。
非常重要的一點(diǎn)是：既然要做這種身份鑒權，就要防止密鑰被盜、被黑客攻擊、被克隆的風(fēng)險。因現在市面上有太多沒(méi)有鑒權，或者非常簡(jiǎn)單的軟件鑒權，又或者有一些簡(jiǎn)單的ID鑒權，是很容易被克隆、破解的。所以Qi 1.3規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(guò)CC EAL6+高安全規格的安全芯片，可見(jiàn)安全等級比Qi 1.3的規范高了很多。CC EAL6+也是英飛凌以前針對銀行卡或信用卡等規格的高安全等級芯片。
同時(shí)，在有了安全芯片之后，要往安全芯片里注入密鑰，包括整個(gè)證書(shū)的寫(xiě)入。所以在Qi 1.3標準里，對這部分又有一個(gè)明確的要求，即要在CC EAL4+安全認證的生產(chǎn)環(huán)境中，才可以去做相應的密鑰生成和注入、證書(shū)的存儲和簽發(fā)。英飛凌作為全球第一大安全芯片的供應商，有一家通過(guò)了CC EAL6+認證的制造工廠(chǎng)。所以，從這個(gè)角度看，英飛凌OPTIGA? Trust Charge產(chǎn)品已經(jīng)完全滿(mǎn)足甚至超過(guò)了1.3規范的要求。
5 最高等級的方案會(huì )增加成本嗎
如果在消費級也是用最高等級安全認證的話(huà)，成本是否會(huì )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(méi)有太大的區別。相反，客戶(hù)以及合作伙伴會(huì )得到最高安全等級的產(chǎn)品。另外隨著(zhù)產(chǎn)品的普及，以及整個(gè)出貨量的增加，價(jià)格一定是會(huì )下降的。需要強調的是，消費級產(chǎn)品對安全等級的要求其實(shí)并沒(méi)有降低，所以英飛凌還是會(huì )提供CC EAL6+的產(chǎn)品。
那么，CC EAL6+和CC EAL4+到底有哪些區別？目前行業(yè)最高的等級就是CC EAL6+。二者的區別如下。
1)CC EAL6+和CC EAL4+測試的要求會(huì )不一樣。CC EAL6+可能有100項測試的標準，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(gè)從產(chǎn)品的定義、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、測試、維護、物流，全部都在監管范圍以?xún)龋ㄈ缦聢D）。所以到了CC EAL6+等級，監管范圍會(huì )更多。例如，英飛凌在CC EAL6+等級時(shí)，所有產(chǎn)品的運輸，無(wú)論是空運還是陸地運輸，全部都在監管范圍內。即安全芯片從其中一家工廠(chǎng)運到另外一家工廠(chǎng)，或者運到終端客戶(hù)的時(shí)候，都會(huì )有專(zhuān)門(mén)運送安全芯片的物流車(chē)，而且全部是封閉管理，有GPS，而且會(huì )提前規定好行車(chē)路線(xiàn)，須要按照行車(chē)路線(xiàn)行進(jìn)，即使路途中有堵車(chē)也不可以更換路徑。所以它是有非常明確的規范。
圖 CC EAL6+包含了整個(gè)從產(chǎn)品的定義到物流的全程監管
3)還有一些針對產(chǎn)品本身的規定，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(shí)間、攻擊手段會(huì )更長(cháng)，因此破解的難度、時(shí)間、成本會(huì )相對比CC EAL4+的更復雜，難度更高。
6 為何需要單獨的身份鑒權芯片
為何需要單獨的安全芯片，安全認證可否整合在無(wú)線(xiàn)充電的控制器里？張慶峰經(jīng)理指出，從某種程度來(lái)說(shuō)，后者是可行的，甚至可以放在相應的MCU里做集成性的方案。但是，這有一個(gè)最大的問(wèn)題：目前WPC的規定，安全性必須要達到CC EAL4+標準。目前市面上所有的方案，無(wú)論是集成的方案，還是把安全芯片放到無(wú)線(xiàn)充電控制器或者放到MCU里面，很難達到CC EAL4+安全認證標準。
因此Qi 1.3強調，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準和要求。所以，這也是目前前述整合方案面臨的最大問(wèn)題，也可能Arm Trustzone方案會(huì )比較類(lèi)似——它們可以實(shí)現一定的安全功能，但是安全等級肯定沒(méi)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標準針對CC EAL4+是有明確的相應測試規定——PP0084，這都是專(zhuān)門(mén)針對獨立硬件安全芯片的測試規范。當然，如果哪一天MCU或者無(wú)線(xiàn)充電控制器把安全芯片能做到這么高安全等級規格的話(huà)，這也是一個(gè)可選的方案。
7 無(wú)線(xiàn)充電的下一步規劃
有了身份鑒權的安全保障，手機等電子設備的無(wú)線(xiàn)充電功率會(huì )不斷提到，類(lèi)似有線(xiàn)充電的發(fā)展趨勢。例如，有的有線(xiàn)充電已經(jīng)做到了100W，甚至有人宣稱(chēng)做到120W。盡管無(wú)線(xiàn)充電從效率上來(lái)看可能會(huì )相對差一點(diǎn)，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規定的達到60W這樣的無(wú)線(xiàn)充電功率，可以滿(mǎn)足絕大部分的充電需求了。據悉，WPC已經(jīng)在規劃Qi 1.4標準，按照Qi 1.4的標準規劃，應該是會(huì )支持到60W充電功率，可能2021年發(fā)布（如下圖）。
那么，汽車(chē)級的無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品發(fā)展得如何？張慶峰先生介紹道，其實(shí)現在很多高端的車(chē)型已經(jīng)支持車(chē)載的無(wú)線(xiàn)充電了。在后裝市場(chǎng)，如4S店可能也會(huì )提供這種服務(wù)。預計未來(lái)車(chē)載類(lèi)的無(wú)線(xiàn)充電會(huì )快速普及，因為它帶來(lái)的不僅僅是便捷性，從安全性上也解決了目前有線(xiàn)充電非常大的問(wèn)題。
那么汽車(chē)類(lèi)的無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品會(huì )有哪些不同？實(shí)際上，車(chē)載級會(huì )比工業(yè)級和消費級有一些特定的要求，例如車(chē)載級要去通過(guò)AEC-Q100安全認證，同時(shí)車(chē)載的電氣特性、靜電ESD處理都會(huì )和消費級的不一樣。另外非常重要的一點(diǎn)，每一家車(chē)廠(chǎng)都會(huì )有些定制化的要求設置，即每家車(chē)廠(chǎng)對無(wú)線(xiàn)充電的啟動(dòng)時(shí)間、工作狀態(tài)都會(huì )有不同的要求，不可能像消費類(lèi)產(chǎn)品一樣做通用的產(chǎn)品。
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