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英飞凌OPTIGA Trust Charge——无线充电技术背后的“守护神”

随着无线充电标准的统一、技术的升级和市场培育日益成熟,以及设备通用性和兼容性的不断完善,无线充电正在加速应用到手机、平板等各类智能硬件终端。当前,紧密耦合方式(电磁感应,如WPC Qi)、磁场共振(AirFuel)、非耦合共振是无线充电市场的三大主流标准,其中以WPC Qi的商业化应用尤为普及(最新标准为Qi 1.2.4),该标准主要支持智能手机和手持设备,如苹果、谷歌、华为、三星、索尼、OPPO、VIVO、小米等都是WPC组织的成员。这一标准旨在实现充电器与无线电源在全球范围内的兼容性和互通性,保证不同设备厂商之间互联互通,并且满足安全可靠的标准。

调研机构Strategy Analytics公布的报告显示,2018年符合Qi标准的设备日出货量超过100万件,2019年这一数字增加到127万件/天。2019年全年的出货量达到4.6亿件,其中接收端的设备(手机、平板、Pad)约有3.38亿件,充电发射器(TX端)约有1.27亿件。从整体增长率来看,在2019年达到27%,其中充电发射器(无线充电底座)的增长幅度更大,同比增长率为57%。

WPC无线充电标准Qi成为主流

WPC Qi在无线充电市场大行其道的同时,也遇到了一些挑战,使得1.3标准进行了多项功能更新,包括标准上的扩展。从充电功率来看,大于5W的快速充电应用越来越多,手机端先后出现了支持27W、40W的产品,不过随着充电功率的提升、电流增大,产品的质量也在遭受考验,没有经过认证的产品会带来很大的安全风险和隐患。预计于2020年底发布的Qi 1.3标准,针对无线充电底座的身份鉴权有着明确要求——支持不低于CC EAL4+安全认证的硬件安全芯片。

也就是说,手机和充电设备/充电底座之间会有一个身份鉴权,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,就可以拒绝给手机充电或者降低充电效率,使其以最低(如5W)的充电功率给手机充电,以保证产品和终端用户的安全。

根据充电功率等级,WPC Qi BPP在小于5W的充电产品中并未强制要求身份鉴权,但要有硬件安全芯片的支持,5W-15W的Qi EPP则会要求在充电端要有安全身份验证,而大于5W的发射端设备要求基于硬件安全的身份鉴权已成为重要的发展趋势。为此,WPC组织以及身份鉴权小组成员英飞凌在初期就参与了相关标准、协议、工作流程的讨论,并推出了交钥匙(Trunkey)的OPTIGA Trust Charge无线充电身份鉴权方案。

Qi 1.3标准的规范要求使用ECC 256比特加密的ECDSA身份验证,WPC采用了X.509版本证书。与之呼应,OPTIGA Trust Charge完全符合Qi 1.3身份鉴权方案,支持ECC 256比特密钥、SHA-2等方案,并且借助证书链的方式(WPC根证书、制造商证书、产品证书等)确保了互通性,通过内部的存储空间扩展可支持最多4个X.509证书链。

英飞凌在OPTIGA Trust Charge中内置了CC EAL6+高规格的安全芯片,提供了比Qi 1.3规范更好的可靠体验。同时,该公司还有一座经过CC EAL6+认证的制造工厂,可以满足相应的密钥生成和注入、证书的存储和签发在生产环境中的测试标准。接口方面,这款产品会与无线充电的主控制器或者MCU通过I2C接口进行对接,来完成硬件上的连接。芯片规格约为3×3mm,封装形式为USON 10-2,方案在交付客户时会包含安全芯片和对应的主机软件Host Code,后者会提供源代码(十几KB大小)。

OPTIGA Trust Charge满足Qi 1.3安全要求

“这是一个交钥匙(Turnkey)的方案,更多的是帮助终端用户轻松集成,是一站式的解决方案,完全符合Qi 1.3标准。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。同时,产品会开放所有的软件代码和应用的文档。”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表示,“用户只需要集成到MCU或者无线充电控制器中,配合我们的安全芯片就可以完成整个的开发过程,缩短开发周期,节省客户的开发资源。”

据了解,英飞凌在芯片生产的全流程均保持了CC EAL6+高安全的标准。前道晶圆在英飞凌德国工厂制造,包含了硬件加密机(HSM)存储所有相关的密钥和证书信息,之后会交付后道工厂或第三方合作伙伴,完成封装和后道测试,最终会交到客户的手里。这一过程中,英飞凌的认证中心会帮助每一位客户提供基于客户化的PKI,即公司钥证书系统。同时,还有专门的HSM为OPTIGA Trust Charge器件生成唯一的密钥盾,由此带来端到端的信息和数据的保护。

WPC Qi认证和证书链创建流程

“我们的产品通过了CC EAL6+安全认证要求,会在晶圆阶段通过硬件加密机完成每个芯片单独密钥的注入。”张庆峰介绍称,“通常,我们的MOQ会收到20K pieces的量,当然也会有一些中小客户可能一次性的量没有那么大,对于这些客户我们同样会提供晶圆级的密钥注入,但同时也会帮助他们开放一些接口,他们可以烧录自己的一些证书。针对这些中小客户,会降到4K pieces,甚至进一步拆分。从英飞凌的角度来说,前期和整个市场的对接、客户的反馈,会针对不同客户的商业模式上进行优化。”

OPTIGA Trust Charge——密钥和证书的提供

OPTIGA Trust Charge解决方案覆盖消费级和工业级产品,并为此进行了相应的优化,并且在汽车领域也有应用。事实上,英飞凌旗下四大事业部中最大的事业部就是ATV——汽车事业部,在车身、驱动、IGBT等领域均有布局,在无线充电方面,车载级会有一些特定需求,如AEC-Q100安全认证,以及车载电器特性、静电ESD处理等。同时,每一家汽车厂商都会有定制化的设置,例如对无线充电的启动时间、工作状态等均各有所想,这就需要英飞凌联手合作伙伴推出更多的个性化解决方案。

张庆峰认为,尽管Qi当前受限于标准不统一、充电功率瓶颈等问题,各家厂商会有私有化协议,但长期来看通用协议是必然的,“(各自为战)会导致标准变得非常零散,也会引入很多兼容性和互通性的问题。只有WPC标准统一了,充电功率才能一步一步达到很高的水平以满足客户要求,又可以很好地解决兼容性和互通的问题,保证所有WPC组织里面的厂商共同的利益,防止假冒山寨的产品出现,我觉得大家会采用WPC的标准去完成整个无线充电产业链的布局和拓展。”

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