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如何实现安全的无线充电?

2020-11-24 14:54:52 廖均 阅读:
随着充电功率的提高、电流的增大,不合格或未经认证的产品带来了潜在的安全风险和隐患,这促使WPC考虑降低产品和人身风险,准备推出Qi 1.3标准,要求所有大于5W的发射端设备基于硬件安全进行身份鉴权。

最新发布的iPhone、华为、及小米等手机都支持无线充电功能。随着无线充电标准的统一、技术的成熟和市场的推广,设备通用性和兼容性的问题得到了解决,没有线缆束缚的无线充电应用前景可期。tOPednc

在近日的英飞凌OPTIGA™ Trust Charge解决方案在线媒体发布会上,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先生分享了无线充电市场的趋势、WPC最新标准,以及无线充电遇到的挑战和机遇。tOPednc

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图1: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。tOPednc

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无线充电的三种方式

无线充电的标准可谓群雄逐鹿的格局已经改善,目前可按照三种方式进行分类:tOPednc

第一种:紧密耦合方式,即电磁感应。其代表有WPC Qi标准,工作范围在110~205KHz低频段。几乎所有消费级手机、平板电脑,都遵从WPC最新标准。tOPednc

第二种:磁场共振方式。其代表有AirFuel(A4WP与PMA整合之后的新联盟),主要应用于电动汽车领域,充电原理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。tOPednc

第三种:非耦合方式,通过无线方式进行电力传输,包含射频、超声以及红外。tOPednc

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图2:无线充电的三种方式。tOPednc

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WPC Qi标准受青睐

目前市场上的无线充电产品,无论是发射端的还是接收端的,都基于WPC最新标准Qi 1.2.4进行开发的。WPC 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,他们都跟随WPC标准开发无线充电设备。WPC标准定义的目标是:tOPednc

1. 实现充电器和无线电源的全球兼容性和互通性,保证不同厂家的设备之间可以互通。tOPednc

2. 快速充电/高功率无线充电等应用中,保证设备尤其是电池的安全,进而保护用户和消费者的人身安全。tOPednc

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。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)约为3.38亿件,充电发射器(TX端)约为1.27亿件。整个设备的增长率在2019年达到了27%,充电发射器(无线充电底座)的幅度更大,达到了57%的同比增长率。tOPednc

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图3:WPC无线充电标准Qi被越来越多地采用。tOPednc

安全要求催生WPC Qi 1.3标准

随着充电功率的提高、电流的增大,不合格或未经认证的产品带来了潜在的安全风险和隐患,这促使WPC考虑降低产品和人身风险,准备推出Qi 1.3标准,预计在2020年年底正式发布。tOPednc

Qi 1.3标准针对无线充电底座的身份鉴权,要求底座支持不低于CC EAL4+ 安全认证的硬件安全芯片。所有接收端设备(如手机)会对充电设备(充电底座)进行身份鉴权和产品认证,检测设备是否符合WPC标准。如果验证过程中发现不符合WPC标准,可以拒绝给手机充电或者降低充电效率,从而保证产品和终端用户的安全。tOPednc

WPC Qi将充电功率划分三个等级,针对这几个不同的等级,对身份鉴权的要求也各不相同。tOPednc

首先是Qi BPP基准充电功率等级,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,不要求产品中包含硬件安全芯片。Qi EPP扩展充电功等级,即5W~15W功率范围,是目前版本的重心,强制要求在充电设备端进行安全身份验证,产品中必须包含硬件安全芯片。未来WPC会将充电功率扩展到60W,届时候手机、平板能以这种高等级功率进行充电。根据Qi无线充电标准,所有大于5W的发射端设备要求基于硬件安全的身份鉴权,英飞凌推出了OPTIGA™ Trust Charge无线充电身份鉴权方案。tOPednc

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图4:Qi标准涵盖需要身份验证的不同功率等级。tOPednc

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实现安全的无线充电

英飞凌推出的OPTIGA™ Trust Charge无线充电身份鉴权解决方案是通过CC EAL6+高安全规格认证的安全控制器,与银行卡或信用卡具有同等的安全等级,通过内部的存储空间扩展可支持4个X.509证书链和WPC证书格式,采用基于ECDSA、ECC 256和SHA-2的安全认证机制和加密技术。tOPednc

WPC证书标准明确规定,在生产中不仅安全芯片要达到CC EAL4+,密钥生成、证书的签发也要达到CC EAL4+以上的要求。这款芯片的前道晶圆是在是在英飞凌德国的工厂制造的,是CC EAL6+高安全生产区,采用了硬件加密机(HSM)存储所有相关的密钥和相关证书的信息,并为OPTIGA™ Trust Charge器件生成唯一的密钥盾。tOPednc

该芯片是支持I²C通信接口,是一个从器件(slave),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。tOPednc

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图5:OPTIGA™ Trust Charge方案主要针对消费级和工业级产品。tOPednc

OPTIGA™ Trust Charge方案主要针对消费级和工业级产品。“首先是手机、平板电脑、笔记本这类产品,是目前消费级最主流的市场。同时也可用于一些可穿戴设备及配件,比如耳机、手表、无线充电宝,甚至一些客户开发中的蓝牙音箱。”张庆峰先生介绍说,“未来的市场应用还会涌现出其它各种产品,包括医疗技术设备的无线充电。另外,一些公共设施,也即楼宇自动化,如星巴克、麦当劳、机场酒店,甚至一些客户正在制作的书桌/办公桌/会议桌,都会配备相应的无线充电设备,让我们在工作的时候、开会的时候,随时随地都可以找到相应的设备进行无线充电。”tOPednc

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廖均
电子技术设计(EDN China)产业分析师
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