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Qi 1.3标准对无线充电底座安全芯片提出新要求

时间:2020-11-21 作者:刘于苇 阅读:
市面上大多数无线充电产品,无论发射端的还是接收端的都是以WPC的Qi标准进行开发的。随着无线充电受到越来越多客户和市场的认可,也面临了很多新的挑战,这就催生了最新的Qi 1.3标准。该标准针对无线充电底座的身份鉴权有了非常明确的要求——支持一个不低于CC/EAL4+ 安全认证的硬件安全芯片在里面……
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当前智能手机已经进入全面支持无线充电的时代。随着标准的统一和技术的成熟,解决了设备之间通用性和兼容性的问题,无线充电前景可期。DvgEETC-电子工程专辑

想象一下,当你在开车的时候,不需要专门停下车去找充电头或充电线,只需要把手机放在无线充电平台上,就可以随时进行充电;当你在公司工作,会议期间不需要每天频繁地去做“插”或“拔”这样的动作,也可以对手机进行无线充电。DvgEETC-电子工程专辑

“如果要形容无线充电的发展趋势,我认为和从有线网络到无线网络的趋势非常类似,”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说到,“所以将来无线充电也会非常自然地融入到我们的日常生活当中,给我们带来一个全新的,没有线缆束缚的无线世界。”DvgEETC-电子工程专辑

无线充电标准分类

无线充电刚出现之时,各种标准可谓群雄割据,也影响了无线充电的进一步普及。但是目前整个无线充电的标准已基本明确,主要按照三种方式来分类:DvgEETC-电子工程专辑

第一种:紧密耦合方式,也叫电磁感应。它的代表是无线充电联盟(WPC)的Qi标准,工作范围在110-205KHz低频频段。现在几乎所有的消费级手机、平板电脑,都是在跟随WPC的最新标准。DvgEETC-电子工程专辑

第二种:磁场共振方式。它的代表是AirFuel(A4WP与PMA整合之后的新联盟)标准,主要针对将来的电动汽车领域,它充电时会通过相同频谱磁场共振的方式进行电力传输,工作在6.78MHz频段。DvgEETC-电子工程专辑

第三种:非耦合(Uncoupled)方式,通过一些无线的方式进行电力传输,包含射频、超声以及红外等。DvgEETC-电子工程专辑

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前一段时间,NFC组织也推出了NFC无线充电方式,更多是针对可穿戴、耳机等设备,所以它的充电效能也只有1W。总体来说无线充电作为将来的大发展方向,是被看好的,业界也会对更多的标准去做进一步的讨论,这不管对于整个行业还是消费者都是好事,能够让技术和产品去覆盖更多生活上的场景,给我们带来更多的便利。DvgEETC-电子工程专辑

以WPC Qi标准为例,是主要针对智能手机和手持设备的无线充电标准,目前最新版是Qi 1.2.4。市面上大多数无线充电产品,无论发射端的还是接收端的都是以这个标准进行开发的。从商业化角度来看,WPC的Qi算是目前最主要的无线充电标准,主要的手机制造厂商,如苹果、谷歌、华为、三星、索尼、OPPO、VIVO、小米都是WPC组织的成员,跟随WPC标准去开发无线充电设备。DvgEETC-电子工程专辑

在WPC官网上查到,现在已有超过5000种Qi认证产品。WPC对整个标准定义的目标是:DvgEETC-电子工程专辑

(1) 做到充电器跟无线电源全球兼容性和互通性,保证不同设备的厂家之间可以做到互通。DvgEETC-电子工程专辑

(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。DvgEETC-电子工程专辑

同时,在Qi标准的市场推广和生态链建设当中,所有通过认证的产品都会拿到Qi的LOGO,代表这个设备已经符合Qi相关的安全性、功能性、兼容性检测。终端消费者如果看到产品上有Qi LOGO,就可以放心大胆地将手机放在设备上充电。DvgEETC-电子工程专辑

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根据Strategy Analytics的一份报告,2018年符合Qi标准的设备日出货量超过100万件,2019年这个数字增加到了127万件/天,总出货量达到了4.6亿件。其中接收端的设备(手机、平板、Pad)大概有3.38亿件,充电发射器(TX端)大概是1.27亿件。整个Qi设备的增长率在2019年达到了27%。要强调的是,在充电发射器(大家所说的无线充电底座)的增长幅度会更大一点,已经达到了57%的同比增长率。DvgEETC-电子工程专辑

Qi 1.3标准提出最新要求

然而,随着无线充电受到越来越多客户和市场的认可,也面临了很多新的挑战,这就催生了WPC Qi 1.3标准上更多的功能要求,包括标准上的扩展。DvgEETC-电子工程专辑

张庆峰介绍到,充电功率越来越高是大趋势,目前大于5W的快速充电应用越来越多。最新的一些手机产品,有支持到27W的,也有支持到40W的。但是随着充电功率的提高,电流越来越大,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。WPC从降低产品和人身风险层面考虑,预计Qi 1.3会在2020年年底正式发布。DvgEETC-电子工程专辑

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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DvgEETC-电子工程专辑

新标准最大的一个特点,就是针对无线充电底座的身份鉴权有了非常明确的要求——支持一个不低于CC/EAL4+ 安全认证的硬件安全芯片在充电底座里面。这也是Qi 1.3标准跟此前标准最大的不同,Qi 1.2.4的标准里并没有这种身份鉴权的方案,但是像苹果、华为这样的主流厂商,会有自己的私有身份鉴权协议,去完成自己品牌设备和自身充电底座之间的认证场景。DvgEETC-电子工程专辑

其他一些手机厂商更多也是采用私有化方案,包括采用软件方案,即在充电底座写入一些软件信息,通过协议包的形式进行鉴权。还有一些可能是采用安全等级不高的EEPROM,写一串数字在里面去读它,看看是不是相关的产品。但这类方案的安全性非常低,也出现了大量假冒、仿造的产品,一些有线快充甚至被黑客破解。DvgEETC-电子工程专辑

Qi 1.3推出之后,大家就必须完全按照标准来完成身份鉴权的方案。手机等所有的接收端设备,可以对充电设备进行身份鉴权和产品认证要求,检测设备是否符合WPC的标准。只有完成了整个身份鉴权的验证流程后,才可以进行充电;如果验证过程中发现不符合WPC标准,即不能完成整个鉴权动作的话,可以拒绝给手机充电或者降低充电效率,让它以最低(比如5W)的充电功率充电,从而保证产品和终端用户的安全。DvgEETC-电子工程专辑

WPC Qi把整个充电功率划分为几个等级,这几个不同的等级有些是需要身份认证的,而有些则没有强制。DvgEETC-电子工程专辑

首先是Qi BPP。在小于5W的充电功率下,目前WPC最新标准并没有强制要求身份鉴权,或产品里一定要有一颗硬件级的安全芯片支持。但是,这一等级会强烈建议要求支持身份鉴权的功能。到了Qi EPP领域,也就是5W-15W的充电功率范围,是目前1.3版本里最强调的一个部分。它会强制要求在充电设备这一端要能够进行安全身份验证,必须要有一颗硬件安全芯片在里面。DvgEETC-电子工程专辑

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与此同时WPC也在扩展Qi的应用场景,预计2021年会把整个充电功率扩展到60W,届时我们的手机、平板会以这种高功率进行无线充电。同时WPC也有一些新的标准,如Ki标准,可能会针对将来的家电产品进行无线充电,也考虑到了针对电动工具、机器人的200W充电功率。DvgEETC-电子工程专辑

无线充电芯片级身份鉴权方案

可以说在最新的Qi无线充电标准中,所有大于5W的发射端设备要求有基于硬件安全的身份鉴权,是对我们每个消费者和设备厂商影响最大的。基于这样一个标准上的要求,英飞凌推出了针对电磁感应式无线充电的身份鉴权方案OPTIGA™ Trust Charge。DvgEETC-电子工程专辑

“这也是业界首款可用于Qi 1.3无线充电标准的嵌入式安全解决方案。它适用于智能手机、耳机、平板电脑、可穿戴设备或健康科技设备等小型个人电子设备的无线充电器,充电功率可高达15 W。” 张庆峰说到,“利用OPTIGA™ Trust Charge进行设备身份验证,有助于防止使用危险的假冒充电器损坏消费类设备,并保护消费类品牌免受声誉问题的影响。”DvgEETC-电子工程专辑

据悉,英飞凌是WPC组织以及身份鉴权小组的成员,所以很早便介入了相关的标准、协议和工作流程的讨论。例如分析目前市场上对WPC,尤其是无线充电市场的要求,找到标准中需要提高和改进的新方向,并和Qi 1.3标准做了一个对比。DvgEETC-电子工程专辑

从市场需求来看,为了解决安全和互通性问题,一些设备厂商有着强烈的身份验证需求,也就催生了Qi 1.3标准。它的规范里要求使用ECC 256比特加密的ECDSA身份验证,同时中间也会涉及到证书产生和验证的流程。在这里WPC采用了X.509版本的证书,对应到英飞凌的OPTIGA™ Trust Charge,完全符合Qi 1.3身份鉴权的要求,而且支持ECC 256比特密钥和SHA-2。DvgEETC-电子工程专辑

WPC希望通过可扩展的身份验证提高互通性,所以Qi 1.3标准通过证书链的方式(至少3-4个证书链)来进行支持,包括WPC的根证书、制造商证书和产品证书。英飞凌的方案通过内部的存储空间扩展可支持最多4个X.509证书链。DvgEETC-电子工程专辑

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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。又或者一些很容易被克隆、被破解的简单ID鉴权。所以Qi 1.3规范强制要求必须要有一款不低于CC EAL4+认证的安全芯片,从而保证芯片里密钥和证书的安全性。DvgEETC-电子工程专辑

张庆峰表示, “OPTIGA™ Trust Charge提供一个通过CC EAL6+高安全规格的安全芯片,安全等级比Qi 1.3的规范还高很多。CC EAL6+也是英飞凌以往针对银行卡或信用卡这种安全等级芯片采用的规格。”有了安全芯片,还要保证制造过程中的密钥注入和证书写入,所以Qi 1.3标准明确要求要在一个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。“英飞凌有一个通过了CC EAL6+认证的制造工厂。所以从这个角度来讲,英飞凌整个OPTIGA™ Trust Charge产品已经完全满足甚至超过了1.3规范的要求。”DvgEETC-电子工程专辑

据介绍,OPTIGA™ Trust Charge是一个交钥匙(Turnkey)的方案,英飞凌也会帮助客户提供客制化的证书、密钥配置,满足设备制造商的要求,还会开放所有的软件代码和应用的文档,可在Github网站上看到。从接口来看,这款芯片是一颗从器件(slave)而非主控芯片,会跟无线充电的主控制器或MCU通过一个I²C接口进行硬件上的连接。芯片规格3×3mm,USON 10-2封装形式。同时包含对应的全套主机软件—Host Code,提供整体源代码在十几KB左右。DvgEETC-电子工程专辑

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涵盖整个认证、制造流程

下图介绍了WPC Qi的整个认证流程,以及整个证书链创建的流程。可以看到,除了产品要在WPC注册,还需要完成整个产品的功能性、互通性的测试,这里面就包含了身份验证。除此之外,在整个鉴权的过程中还会有很多证书认证,第一个是WPC证书,第二个是设备制造商的证书,第三个会有每个产品自己的证书,对应到每个产品会有自己ECC的密钥盾。DvgEETC-电子工程专辑

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上文提到,WPC证书标准明确规定,在整个的生产环境除了安全芯片要达到CC EAL4+外,整个的密钥生成、证书的签发也要做到CC EAL4+以上。但事实上很多设备厂商对无线充电非常熟悉,也熟悉整个产品的开发,但是对于安全相关的流程,比如证书的签发、密钥的生成和注入,可能没有太多关注或投入资源去满足这个要求。DvgEETC-电子工程专辑

“英飞凌的前道晶圆会在满足CC EAL6+高安全的生产区生产,目前这款芯片的前道晶圆是在英飞凌德国的工厂制造的,里面有硬件加密机(HSM)存储所有相关的密钥和相关证书的信息。我们会在晶圆阶段把注入的证书和密钥写进去,然后把生产完的晶圆送到自己的后道工厂或者第三方合作伙伴,完成封装和后道测试,最终会交到客户的手里。”张庆峰说到。DvgEETC-电子工程专辑

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在证书烧录的最小订单(MOQ)方面,英飞凌针对一些手机终端厂商大客户采用MOQ 20K pieces的标准,中小客户虽然一次性的量没有那么大,同样也会通过开放接口,让他们自己或寻求代理商去烧录一些证书,达到晶圆级的密钥注入,MOQ会降到4K pieces,甚至可以把4K拆分到几个更小的客户以帮助创业公司。DvgEETC-电子工程专辑

由于该安全方案主要针对消费级和工业级产品,英飞凌也针对了这两个领域进行了一些优化。首先是手机、平板电脑和笔记本这类产品,是目前针对消费级的一个最主流的市场。同时也有针对一些可穿戴设备、配件,比如耳机、手表、无线充电宝,甚至是一些还在开发中、带充电功能的蓝牙音箱。DvgEETC-电子工程专辑

将来的无线充电市场会涌现出很多各式各样的产品应用场景,包括医疗设备的无线充电。另外在公共设施(也叫楼宇自动化)中,比如星巴克、麦当劳、机场酒店、书桌/办公桌/会议桌,都会去配备相应的无线充电设备,让我们随时随地都可以为相应设备进行充电。DvgEETC-电子工程专辑

据张庆峰介绍,OPTIGA™ Trust Charge的样品现已开始提供。此外,车载应用的特殊版本将于2021年初推出。DvgEETC-电子工程专辑

责编:Luffy LiuDvgEETC-电子工程专辑

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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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