[原创] 守护无线充电安全，英飞凌从前道晶圆做起！
2020-11-25
14:00:39
来源: 半导体行业观察
自苹果8上线无线充电以来，无线充这几年虽说没有得到火爆式的发展，但却一直在不断更迭。最新发布的iPhone手机，还有国内品牌如华为、小米等最新发布的手机都有支持无线充电的场景。随着无线充电标准的统一、技术的成熟和市场的推广，整个设备通用性和兼容性的问题逐渐一一攻克，无线充电前景非常可期。
想象一下......一个没有线缆的世界。当你在开车的时候，可能你不需要专门停下车去找充电头或充电线给手机充电，只需要把手机放在无线充电的平台上面，可以随时随地地进行充电；当你在公司工作，在会议期间不需要每天频繁地去做“插”或“拔”这样的动作，也可以对你的手机进行无线充电。在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看来，
无线充电的发展趋势可能会和前一个阶段——从有线网络到无线网络Wi-Fi的趋势非常类似
，所以将来无线充电也会非常地植入到我们日常的生活当中，给我们带来一个全新的，没有线缆束缚的无线充电世界。
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
此前无线充电的标准可谓群雄割据，出现了各式各样的标准，这也是影响无线充电快速普及的一大主要因素。张庆峰介绍到，但发展到今天，无线充电的标准基本上形成了“三分天下”的局面：
第一种：紧密耦合方式，也叫电磁感应。
其代表是WPC Qi标准，工作范围110-205KHz低频的频段。现在几乎所有的消费级手机、平板电脑，其实都是在跟随WPC最新的标准。
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），主要针对将来的电动汽车领域，它的充电是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。
第三种：非耦合的（Uncoupled）
，通过一些无线的方式进行电力传输的无线充电，包含射频、超声以及红外等。
张庆峰还谈到，在前一段时间，NFC组织也推出了专门针对无线充电的NFC无线充电方式，目标主要是可穿戴设备、耳机，所以它的充电效能在1W左右。总体来说，因为大家都看好无线充电将来的发展方向，所以业界将对更多的标准实现更好的规范化，这对于整个行业或者消费者来讲，其实都是一个非常好的方向，这会帮助企业研发更多的技术和更多的产品，去覆盖更多生活场景，给我们带来更多的便利。
在这三个标准之中，从整个商业化角度来讲，可以说WPC Qi目前是主要标准，也是商业性的领头羊。目前WPC最新的标准是Qi 1.2.4。市面上看到的这些无线充电产品，无论是发射端还是接收端的，都是以这个标准进行开发。Qi主要是针对智能手机和手持设备的无线充电标准。目前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，他们也是在跟随WPC标准去开发无线充电设备。
（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。
（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。这是要考虑进一步增强的目标。
同时，在Qi的整个市场推广和生态链建设的当中，所有通过了Qi标准认证的产品会拿到一个Qi的LOGO，即只要通过了Qi的认证，并符合Qi相关的规范就可以在产品上标上一个Qi的LOGO。张庆峰指出，对于终端消费者来说，其最直接的好处是：如果我看到这个产品上面有Qi的LOGO，可以放心地、大胆地将手机放在设备上充电，因为这个设备已经符合了Qi相关的安全性、功能性、兼容性检测。
目前已有超过5000种Qi认证产品，WPC无线充电标准Qi被越来越多地采用。根据Strategy Analytics市场报告,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。可以看到，2019年的出货量达到了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。所以，符合Qi标准的设备稳定增长，2019年同比增长27%。尤其在这里要强调的是，在充电发射器（大家所说的无线充电底座）这一块增长幅度会更大一点，同比增长57%。
资料来源：Strategy Analytics, Global Wireless Charging Tracker，2020年5月
随着无线充电越来越得到客户和市场认可，它也面临了很多新的挑战。首先，从充电功率来说，目前大于5W的快速充电应用日益增多。在最新的一些手机产品里，有支持到27W的，也有支持到40W的。随着充电功率的提高，电流越大，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。
面对这些风险和挑战，WPC从降低产品和人身风险层面考虑，新标准Qi 1.3应运而生。预计Qi 1.3会在2020年年底正式发布。
新标准针对无线充电底座的身份鉴权有了非常明确的要求——要求使用CC/EAL4+高级认证硬件（最低要求）对充电设备的充电器进行安全身份验证。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。有了这样的一个标准以后，充电接收器可以对无线充电设备进行身份鉴权，判断是否认证产品。
其实WPC Qi把整个充电功率划分几个等级，有的是需要身份认证的，而有些是没有强制的。首先是Qi BPP，在小于5W的充电产品里，目前WPC最新标准并没有强制要求身份鉴权，但是
建议身份验证
，其产品中一定要有一个硬件安全芯片支持；但是到了Qi EPP领域，5W-15W的功率范围，它会
强制要求在充电设备端进行安全身份验证
。也就是说，必须要有一个硬件安全芯片在产品里。
其实WPC也在扩展它的应用场景，计划要把充电功率扩展到60W，这也是必须要
强制身份验证
的，可能到那个时候我们的手机、平板会以这种高等级的功率进行充电。同时它也有一些新的标准，如Ki标准，可能会针对将来的家电产品进行无线充电，也包括了对于电动工具、机器人会有200W充电功率的考虑。
总结来看，
针对Qi无线充电，所有大于5W的发射端设备都要求有基于硬件安全的身份鉴权。
所以，也正是基于这样一个标准上的要求，英飞凌推出了OPTIGA™ Trust Charge无线充电身份鉴权方案。
英飞凌OPTIGA™ Trust Charge如何保证无线充电安全？
其实英飞凌很早就加入了WPC组织，是整个WPC组织以及身份鉴权小组的成员，所以英飞凌很早便加入了相关标准、协议和工作流程讨论的行列。此次英飞凌推出了最新的OPTIGA™ Trust Charge无线充电身份鉴权解决方案，也是一个交钥匙（Trunkey）的方案。
OPTIGA™ Trust Charge可以满足市场需求和Qi 1.3安全要求。由于强力身份验证的市场需求，Qi 1.3规范要求使用ECC 256加密和X.509版本证书的ECDSA身份验证，英飞凌的OPTIGA™ Trust Charge，是一个完全符合Qi 1.3身份鉴权的方案，而且支持ECC 256比特密钥和SHA-2，完全符合Qi 1.3安全验证的流程和相关技术指标的要求。
张庆峰指出，从WPC市场角度来看，在支持高互通性的可扩展身份验证方面，Qi 1.3标准里面，它通过至少3-4个证书链的方式来进行支持，包括WPC的根证书、制造商证书和产品证书。所以，也会看到英飞凌OPTIGA™ Trust Charge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，能够满足Qi 1.3标准的要求。
而非常重要的一点是，既然要做身份鉴权，就要防止密钥被盗、被黑客攻击、被克隆的风险。现在市面上大多数鉴权其实很容易被克隆、被破解。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。“OPTIGA™ Trust Charge这款产品提供了一个通过CC EAL6+高安全规格的安全芯片，其安全等级比Qi 1.3的规范高很多。CC EAL6+也是英飞凌以前针对银行卡或信用卡这种同等规格的高安全等级芯片。同时，在有了安全芯片之外，我们要往安全芯片里也有一些相应的密钥注入，包括整个证书的写入。英飞凌有一个通过了CC EAL6+认证的制造工厂，在制造过程中保护密钥和证书。”张庆峰介绍到。
张庆峰强调到，OPTIGA™ Trust Charge是一个交钥匙（Turnkey）的方案，更多的是帮助终端用户轻松集成，所以这是一站式的解决方案，完全符合Qi 1.3标准。同时，我们会帮助客户提供客户化的证书、密钥的配置、满足设备制造商的要求。我们还会开放所有的软件代码和应用的文档，也就是会在Github这样的开源网站上看到产品所有的文档资料和代码信息。
从接口来看，这款芯片是支持I²C通信接口，它是一个从器件(slave)，也就是说这款芯片并非主控芯片，它会跟无线充电的主控制器或者一个MCU通过一个I²C接口进行对接，来完成硬件上的连接。芯片规格大概是3×3mm，USON 10-2封装形式，完全符合WPC Qi标准。我们一直强调，这款产品是一个交钥匙（Turnkey）的方案，所以在提供给客户的方案里既包含了这款安全芯片，同时也包含对应的一套主机软件—Host Code，提供源代码形式，整体源代码在十几KB左右。因此，用户只需要集成到他的MCU或者无线充电控制器里面，配合我们的安全芯片就可以完成整个的开发过程，缩短整个的开发周期，节省客户的开发资源。
那么英飞凌的这个解决方案主要面向哪些市场呢？答案是消费级和工业级的产品，例如手机和平板电脑、笔记本，可穿戴设备、配件等的无线充电，医疗技术设备的无线充电，公共设施，楼宇自动化等的无线充电等等，同时英飞凌也针对了这两个领域进行了一些优化。
张庆峰还分享了WPC Qi认证流程和证书链创建流程，具体参看下图：
目前这款产品的相关资料和信息全部都放在GitHub的开源网站上，比如产品简述、应用笔记，甚至是评估板等，张庆峰表示，我们也希望有更多的开发者、爱好者在这里面能看到英飞凌相应的解决方案。同时，对于英飞凌来讲，除了OPTIGA™ Trust Charge这款安全芯片，其实我们还有很多其它相关的元器件可以应用到无线充电领域，大家也可以在英飞凌官网上查阅专门针对无线充电的应用，包含无线充电的主控制器、功率器件、电源器件和安全芯片。英飞凌也有和自己的合作伙伴做出完整的基于英飞凌器件的完整参考设计，而且这些参考设计均已通过了WPC Qi认证标准，在WPC官网上也是可以查到英飞凌的相关参考设计。
作为全球第一大安全芯片的供应商，英飞凌对安全问题非常重视。此次的OPTIGA™ Trust Charge这款安全芯片，英飞凌在晶圆阶段将注入的证书和密钥写到芯片的晶圆里去，然后把生产完的晶圆送到自己的后道工厂或者第三方的合作伙伴，完成封装和后道测试，最终会交到客户的手里。因此，英飞凌从前道晶圆开始，一直到最终的客户端，都可以提供一个端到端的信息和数据的保护，来提供高安全等级的安全特性。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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