無線充電如何保證充電安全

無線充電可謂時(shí)尚手機(jī)的新寵。這幾年，隨著蘋果、華為、小米等新發(fā)布的手機(jī)都支持無線充電，無線充電得到了越來越多消費(fèi)者的青睞。

實(shí)際上，隨著無線充電標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，技術(shù)的成熟，市場(chǎng)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?？善凇＠缛藗儾恍枰刻祛l繁地對(duì)手機(jī)去做插拔的動(dòng)作；開車時(shí)，無需專門停下車去找充電頭/充電線去給手機(jī)充電。所以就像網(wǎng)絡(luò)從有線到無線的發(fā)展趨勢(shì)類似，無線充電將會(huì)開啟一個(gè)新時(shí)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(dòng)的。對(duì)于手機(jī)，WPC Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)即將在2020年底出爐，會(huì)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(tái)Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)？如何實(shí)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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）。

圖 無線標(biāo)準(zhǔn)三分天下

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(fèi)級(jí)手機(jī)、平板電腦采用了WPC的最新標(biāo)準(zhǔn)。

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(duì)將來的電動(dòng)汽車領(lǐng)域，它的充電會(huì)通過相同頻譜磁場(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。通過無線的方式進(jìn)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(shí)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(jī)，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(duì)智能手機(jī)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(jìn)而去保護(hù)用戶和消費(fèi)者的人身安全。

現(xiàn)在市面上已有超過5000種Qi認(rèn)證的產(chǎn)品，人們可以從WPC官網(wǎng)上查到所有通過Qi認(rèn)證的產(chǎn)品。

據(jù)Strategy Analytics市場(chǎng)報(bào)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(dá)到了4.6億件，其中接收端（RX端）的設(shè)備（手機(jī)、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(shè)備的增長率在2019年達(dá)到了27%。尤其需要強(qiáng)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(dá)57%的同比增長率。

圖 Qi設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模

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(kuò)展。

首先，從整個(gè)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(jī)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(huì)越大，產(chǎn)品損壞或劣質(zhì)的、沒有經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品會(huì)帶來很大的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患。所以，WPC從降低產(chǎn)品和人身風(fēng)險(xiǎn)層面考慮，預(yù)計(jì)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(huì)針對(duì)無線充電底座的身份鑒權(quán)有非常明確的要求——支持1個(gè)不低于CC EAL4+ 安全認(rèn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)后，所有的接收端設(shè)備，例如手機(jī)，可以對(duì)充電設(shè)備進(jìn)行身份鑒權(quán)和產(chǎn)品的認(rèn)證。如果驗(yàn)證通過了就可以進(jìn)行充電，否則拒絕給手機(jī)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(jī)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(gè)充電功率劃分為幾個(gè)等級(jí)。有的等級(jí)需要身份認(rèn)證，有的沒有強(qiáng)制要求。

1)Qi BPP，即在小于5W的充電產(chǎn)品里沒有強(qiáng)制要求身份鑒權(quán)。但是，這部分又強(qiáng)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(qiáng)調(diào)的一個(gè)部分，會(huì)強(qiáng)制要求在充電設(shè)備端要有安全身份驗(yàn)證。這意味著要有1個(gè)硬件安全芯片在產(chǎn)品里。

3)未來高功率領(lǐng)域。WPC也在擴(kuò)展它的應(yīng)用場(chǎng)景，將來會(huì)把充電功率擴(kuò)展到60W，可能到那時(shí)，手機(jī)、平板電腦會(huì)以這種高等級(jí)的功率進(jìn)行充電。同時(shí)也會(huì)有一些新標(biāo)準(zhǔn)，如Ki標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)2021年發(fā)布，可能會(huì)針對(duì)將來的家電產(chǎn)品進(jìn)行無線充電，也包括了對(duì)于電動(dòng)工具、機(jī)器人等，會(huì)有200W充電功率的考慮。

因此，針對(duì)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(shí)現(xiàn)最高安全等級(jí)

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(gè)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(yàn)證的流程和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求。

非常重要的一點(diǎn)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(xiǎn)。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(qiáng)制要求有一款不低于CC EAL4+認(rèn)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(jí)比Qi 1.3的規(guī)范高了很多。CC EAL6+也是英飛凌以前針對(duì)銀行卡或信用卡等規(guī)格的高安全等級(jí)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)證書的寫入。所以在Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)里，對(duì)這部分又有一個(gè)明確的要求，即要在CC EAL4+安全認(rèn)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(chǔ)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(rèn)證的制造工廠。所以，從這個(gè)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(jí)的方案會(huì)增加成本嗎

如果在消費(fèi)級(jí)也是用最高等級(jí)安全認(rèn)證的話，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(yàn)。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(huì)得到最高安全等級(jí)的產(chǎn)品。另外隨著產(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(qiáng)調(diào)的是，消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品對(duì)安全等級(jí)的要求其實(shí)并沒有降低，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(qū)別？目前行業(yè)最高的等級(jí)就是CC EAL6+。二者的區(qū)別如下。

1)CC EAL6+和CC EAL4+測(cè)試的要求會(huì)不一樣。CC EAL6+可能有100項(xiàng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，CC EAL4+可能只有80項(xiàng)。

2)測(cè)試的深度也不一樣。CC EAL6+不僅僅針對(duì)產(chǎn)品的本身，還包含了整個(gè)從產(chǎn)品的定義、開發(fā)、生產(chǎn)、測(cè)試、維護(hù)、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(jí)，監(jiān)管范圍會(huì)更多。例如，英飛凌在CC EAL6+等級(jí)時(shí)，所有產(chǎn)品的運(yùn)輸，無論是空運(yùn)還是陸地運(yùn)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(yùn)到另外一家工廠，或者運(yùn)到終端客戶的時(shí)候，都會(huì)有專門運(yùn)送安全芯片的物流車，而且全部是封閉管理，有GPS，而且會(huì)提前規(guī)定好行車路線，須要按照行車路線行進(jìn)，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(gè)從產(chǎn)品的定義到物流的全程監(jiān)管

3)還有一些針對(duì)產(chǎn)品本身的規(guī)定，產(chǎn)品要能扛住哪些攻擊，例如測(cè)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，因此破解的難度、時(shí)間、成本會(huì)相對(duì)比CC EAL4+的更復(fù)雜，難度更高。

6   為何需要單獨(dú)的身份鑒權(quán)芯片

為何需要單獨(dú)的安全芯片，安全認(rèn)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(gè)最大的問題：目前WPC的規(guī)定，安全性必須要達(dá)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(dá)到CC EAL4+安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

因此Qi 1.3強(qiáng)調(diào)，一定是要用單獨(dú)的安全芯片才能達(dá)到最高安全等級(jí)測(cè)試認(rèn)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(huì)比較類似——它們可以實(shí)現(xiàn)一定的安全功能，但是安全等級(jí)肯定沒有單獨(dú)的安全芯片的等級(jí)高，達(dá)不到CC EAL4+的要求。而且在WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)CC EAL4+是有明確的相應(yīng)測(cè)試規(guī)定——PP0084，這都是專門針對(duì)獨(dú)立硬件安全芯片的測(cè)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(jí)規(guī)格的話，這也是一個(gè)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(jī)等電子設(shè)備的無線充電功率會(huì)不斷提到，類似有線充電的發(fā)展趨勢(shì)。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(huì)相對(duì)差一點(diǎn)，但是由于便利性，發(fā)展也很快，對(duì)于手機(jī)，目前40W已經(jīng)足夠快了，如果能像WPC規(guī)定的達(dá)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(huì)支持到60W充電功率，可能2021年發(fā)布（如下圖）。

那么，汽車級(jí)的無線充電產(chǎn)品發(fā)展得如何？張慶峰先生介紹道，其實(shí)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(chǎng)，如4S店可能也會(huì)提供這種服務(wù)。預(yù)計(jì)未來車載類的無線充電會(huì)快速普及，因?yàn)樗鼛淼牟粌H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(huì)有哪些不同？實(shí)際上，車載級(jí)會(huì)比工業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)有一些特定的要求，例如車載級(jí)要去通過AEC-Q100安全認(rèn)證，同時(shí)車載的電氣特性、靜電ESD處理都會(huì)和消費(fèi)級(jí)的不一樣。另外非常重要的一點(diǎn)，每一家車廠都會(huì)有些定制化的要求設(shè)置，即每家車廠對(duì)無線充電的啟動(dòng)時(shí)間、工作狀態(tài)都會(huì)有不同的要求，不可能像消費(fèi)類產(chǎn)品一樣做通用的產(chǎn)品。