無線充電如何保證充電安全
- 發布時間：2021-3-12 文章來源：電子產品世界
- 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，隨著無線充電標準的統一，技術的成熟，市場的推廣，從而解決了設備的通用性和兼容性等問題，無線充電的前景非?？善?。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。所以就像網絡從有線到無線的發展趨勢類似，無線充電將會開啟一個新時代，植入到我們的日常生活中。
當然，無線充電的應用和普及也是由標準驅動的。對于手機，WPC Qi 1.3標準即將在2020年底出爐，會帶來身份鑒權方面的需求。
那么，無線充電的標準有哪些？為何要出臺Qi 1.3標準？如何實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，專為無線充電的身份鑒權打造。為此，電子產品世界等媒體采訪了英飛凌科技安全互聯系統事業部大中華區市場經理張慶峰先生。
英飛凌科技 安全互聯系統事業部 大中華區市場經理 張慶峰先生
1 無線充電有哪些標準
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準很多等因素，影響了無線充電的普及。目前無線充電的標準已基本明確了，有如下三大分類（如下圖）。
1)緊密耦合方式，也叫電磁感應。代表有WPC Qi標準，工作范圍在(110~205) kHz低頻的頻段?，F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)磁場共振方式。代表有AirFuel（A4WP與PMA整合之后的新聯盟），主要針對將來的電動汽車領域，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的無線充電，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做到充電器與無線電源的全球兼容性和互通性，保證不同廠家的設備之間互通；②隨著快速充電/高功率的無線充電出現，如何去保證設備，尤其是電池的安全，進而去保護用戶和消費者的人身安全。
現在市面上已有超過5000種Qi認證的產品，人們可以從WPC官網上查到所有通過Qi認證的產品。
據Strategy Analytics市場報告（如下圖）,2018年符合Qi標準的設備日出貨量超過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）的設備（手機、平板、Pad）約3.38億件，充電發射器（TX端）約是1.27億件。所以，整個設備的增長率在2019年達到了27%。尤其需要強調的是，充電發射器（即無線充電底座）的增幅更大一些，已達57%的同比增長率。
當然，無線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，從整個充電功率來看，目前大于5W的快速充電應用越來越多，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，產品損壞或劣質的、沒有經過認證的產品會帶來很大的安全風險和隱患。所以，WPC從降低產品和人身風險層面考慮，預計在2020年年底正式發布新的標準——Qi 1.3。新標準會針對無線充電底座的身份鑒權有非常明確的要求——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標準與之前標準相比最大的變化。
有了這個標準后，所有的接收端設備，例如手機，可以對充電設備進行身份鑒權和產品的認證。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的充電產品里沒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領域，即5~15W的功率范圍，是這次版本里最強調的一個部分，會強制要求在充電設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品里。
3)未來高功率領域。WPC也在擴展它的應用場景，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準，如Ki標準，預計2021年發布，可能會針對將來的家電產品進行無線充電，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無線充電身份鑒權方案。
4 OPTIGA? Trust Charge可實現最高安全等級
英飛凌很早就加入了WPC組織，所以很早便已經在參與討論相關的標準、協議和工作流程。最新的解決方案是OPTIGA? Trust Charge無線充電身份鑒權，是一個交鑰匙（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技術指標的要求。
非常重要的一點是：既然要做這種身份鑒權，就要防止密鑰被盜、被黑客攻擊、被克隆的風險。因現在市面上有太多沒有鑒權，或者非常簡單的軟件鑒權，又或者有一些簡單的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CC EAL6+高安全規格的安全芯片，可見安全等級比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，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標準里，對這部分又有一個明確的要求，即要在CC EAL4+安全認證的生產環境中，才可以去做相應的密鑰生成和注入、證書的存儲和簽發。英飛凌作為全球第一大安全芯片的供應商，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產品已經完全滿足甚至超過了1.3規范的要求。
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+產品經驗。所以，從CC EAL4+和CC EAL6+的成本，并沒有太大的區別。相反，客戶以及合作伙伴會得到最高安全等級的產品。另外隨著產品的普及，以及整個出貨量的增加，價格一定是會下降的。需要強調的是，消費級產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+的產品。
那么，CC EAL6+和CC EAL4+到底有哪些區別？目前行業最高的等級就是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+不僅僅針對產品的本身，還包含了整個從產品的定義、開發、生產、測試、維護、物流，全部都在監管范圍以內（如下圖）。所以到了CC EAL6+等級，監管范圍會更多。例如，英飛凌在CC EAL6+等級時，所有產品的運輸，無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范。
圖 CC EAL6+包含了整個從產品的定義到物流的全程監管
3)還有一些針對產品本身的規定，產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線充電的控制器里？張慶峰經理指出，從某種程度來說，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，這有一個最大的問題：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題，也可能Arm Trustzone方案會比較類似——它們可以實現一定的安全功能，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標準針對CC EAL4+是有明確的相應測試規定——PP0084，這都是專門針對獨立硬件安全芯片的測試規范。當然，如果哪一天MCU或者無線充電控制器把安全芯片能做到這么高安全等級規格的話，這也是一個可選的方案。
7 無線充電的下一步規劃
有了身份鑒權的安全保障，手機等電子設備的無線充電功率會不斷提到，類似有線充電的發展趨勢。例如，有的有線充電已經做到了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，發展也很快，對于手機，目前40W已經足夠快了，如果能像WPC規定的達到60W這樣的無線充電功率，可以滿足絕大部分的充電需求了。據悉，WPC已經在規劃Qi 1.4標準，按照Qi 1.4的標準規劃，應該是會支持到60W充電功率，可能2021年發布（如下圖）。
那么，汽車級的無線充電產品發展得如何？張慶峰先生介紹道，其實現在很多高端的車型已經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。預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品會有哪些不同？實際上，車載級會比工業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置，即每家車廠對無線充電的啟動時間、工作狀態都會有不同的要求，不可能像消費類產品一樣做通用的產品。
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