如何實現安全的無線充電?

2020-11-27 EDN電子設計技術

最新發布的iPhone、華為、及小米等手機都支持無線充電功能。隨著無線充電標準的統一、技術的成熟和市場的推廣，設備通用性和兼容性的問題得到了解決，沒有線纜束縛的無線充電應用前景可期。BjQednc

在近日的英飛凌OPTIGA™ Trust Charge解決方案在線媒體發布會上，英飛凌科技安全互聯繫統事業部大中華區市場經理張慶峰先生分享了無線充電市場的趨勢、WPC最新標準，以及無線充電遇到的挑戰和機遇。BjQednc

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圖1：英飛凌科技安全互聯繫統事業部大中華區市場經理張慶峰。BjQednc

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無線充電的三種方式

無線充電的標準可謂群雄逐鹿的格局已經改善，目前可按照三種方式進行分類：BjQednc

第一種：緊密耦合方式，即電磁感應。其代表有WPC Qi標準，工作範圍在110~205KHz低頻段。幾乎所有消費級手機、平板電腦，都遵從WPC最新標準。BjQednc

第二種：磁場共振方式。其代表有AirFuel（A4WP與PMA整合之後的新聯盟），主要應用於電動汽車領域，充電原理是通過相同頻譜磁場共振的方式進行電力傳輸，工作在6.78MHz頻段。BjQednc

第三種：非耦合方式，通過無線方式進行電力傳輸，包含射頻、超聲以及紅外。BjQednc

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圖2：無線充電的三種方式。BjQednc

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WPC Qi標準受青睞

目前市場上的無線充電產品，無論是發射端的還是接收端的，都基於WPC最新標準Qi 1.2.4進行開發的。WPC Qi主要是針對智慧型手機和手持設備的無線充電標準，目前主要的手機製造廠商，如蘋果、谷歌、華為、三星、索尼、OPPO、VIVO、小米都是WPC組織的成員，他們都跟隨WPC標準開發無線充電設備。WPC標準定義的目標是：BjQednc

1. 實現充電器和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可以互通。BjQednc

2. 快速充電/高功率無線充電等應用中，保證設備尤其是電池的安全，進而保護用戶和消費者的人身安全。BjQednc

根據Strategy Analytics市場報告，2018年符合Qi標準的設備日出貨量超過100萬件，2019年這個數字增加到了127萬件/天。2019年的出貨量達到了4.6億件，其中接收端的設備（手機、平板、Pad）約為3.38億件，充電發射器（TX端）約為1.27億件。整個設備的增長率在2019年達到了27%，充電發射器（無線充電底座）的幅度更大，達到了57%的同比增長率。BjQednc

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圖3：WPC無線充電標準Qi被越來越多地採用。BjQednc

安全要求催生WPC Qi 1.3標準

隨著充電功率的提高、電流的增大，不合格或未經認證的產品帶來了潛在的安全風險和隱患，這促使WPC考慮降低產品和人身風險，準備推出Qi 1.3標準，預計在2020年年底正式發布。BjQednc

Qi 1.3標準針對無線充電底座的身份鑑權，要求底座支持不低於CC EAL4+ 安全認證的硬體安全晶片。所有接收端設備（如手機）會對充電設備（充電底座）進行身份鑑權和產品認證，檢測設備是否符合WPC標準。如果驗證過程中發現不符合WPC標準，可以拒絕給手機充電或者降低充電效率，從而保證產品和終端用戶的安全。BjQednc

WPC Qi將充電功率劃分三個等級，針對這幾個不同的等級，對身份鑑權的要求也各不相同。BjQednc

首先是Qi BPP基準充電功率等級，在小於5W的充電產品裡，目前WPC最新標準並沒有強制要求身份鑑權，不要求產品中包含硬體安全晶片。Qi EPP擴展充電功等級，即5W~15W功率範圍，是目前版本的重心，強制要求在充電設備端進行安全身份驗證，產品中必須包含硬體安全晶片。未來WPC會將充電功率擴展到60W，屆時候手機、平板能以這種高等級功率進行充電。根據Qi無線充電標準，所有大於5W的發射端設備要求基於硬體安全的身份鑑權，英飛凌推出了OPTIGA™ Trust Charge無線充電身份鑑權方案。BjQednc

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圖4：Qi標準涵蓋需要身份驗證的不同功率等級。BjQednc

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實現安全的無線充電

英飛凌推出的OPTIGA™ Trust Charge無線充電身份鑑權解決方案是通過CC EAL6+高安全規格認證的安全控制器，與銀行卡或信用卡具有同等的安全等級，通過內部的存儲空間擴展可支持4個X.509證書鏈和WPC證書格式，採用基於ECDSA、ECC 256和SHA-2的安全認證機制和加密技術。BjQednc

WPC證書標準明確規定，在生產中不僅安全晶片要達到CC EAL4+，密鑰生成、證書的籤發也要達到CC EAL4+以上的要求。這款晶片的前道晶圓是在是在英飛凌德國的工廠製造的，是CC EAL6+高安全生產區，採用了硬體加密機（HSM）存儲所有相關的密鑰和相關證書的信息，並為OPTIGA™ Trust Charge器件生成唯一的密鑰盾。BjQednc

該晶片是支持I²C通信接口，是一個從器件(slave)，跟無線充電的主控制器或者一個MCU通過一個I²C接口進行對接，來完成硬體上的連接。晶片規格大概是3×3mm，USON 10-2封裝形式，完全符合WPC Qi標準。BjQednc

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圖5：OPTIGA™ Trust Charge方案主要針對消費級和工業級產品。BjQednc

OPTIGA™ Trust Charge方案主要針對消費級和工業級產品。「首先是手機、平板電腦、筆記本這類產品，是目前消費級最主流的市場。同時也可用於一些可穿戴設備及配件，比如耳機、手錶、無線充電寶，甚至一些客戶開發中的藍牙音箱。」張慶峰先生介紹說，「未來的市場應用還會湧現出其它各種產品，包括醫療技術設備的無線充電。另外，一些公共設施，也即樓宇自動化，如星巴克、麥當勞、機場酒店，甚至一些客戶正在製作的書桌/辦公桌/會議桌，都會配備相應的無線充電設備，讓我們在工作的時候、開會的時候，隨時隨地都可以找到相應的設備進行無線充電。」BjQednc

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