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无线充电标准三分天下,一颗芯片如何保障充电安全?

从产品形态来看,科技的发展史是从有线到无线的变迁。例如网络,八九十年代人们只能通过电话线拨号上网,但如今已经处处离不开蜂窝网络、Wi-Fi等无线网络;又例如耳机,有线耳机在风靡全球超百年后正式走进“无线时代”,蓝牙、TWS等方案层出不穷,一度被视为新的“消费风向标”。至于下一个被“无线化”的产品已经浮出水面——无线充电,有望开启百亿级消费市场。

在上周的“英飞凌 OPTIGA™ Trust Charge 解决方案媒体交流会”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介绍了当前无线充电市场的现况和挑战以及未来的趋势和机遇,并针对即将发布的Qi 1.3无线充电标准探讨了相关安全芯片产品及方案。IVmesmc

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无线充电产业发展现况

1.产业规模成长喜人IVmesmc

2018年以来,各大手机厂商均发布了搭载了无线充电功能的智能手机,打响了无线充电产业的第一枪。紧接着5G技术成熟,物联网概念发展,驱使着无线充电产品向更便携、高效、快速、灵动的方向发展,并逐渐成为新一代消费电子升级的首要选择之一。IVmesmc

尤为重要的是,新能源汽车企业也展开了实质性的无线充电布局,无线充电的应用范围得以进一步扩大。可以预见的是,无线充电产业未来的市场规模会随着消费电子终端产品的延伸而不断增长。IVmesmc

根据第三方咨询公司预计,2019年中国无线充电行业市场规模将达到62亿美元,未来五年(2019-2023)年均复合增长率约为27.92%,2023年将达到166亿美元。IVmesmc

2019年9月开始,随着苹果、华为、小米对无线充电双向快充的研发和落地,以及无线充电标准的统一、技术的成熟和市场的推广,包括解决了设备通用性和兼容性的问题,无线充电增速有望突破上述数值。IVmesmc

2.标准三分天下,Qi标准成主流IVmesmc

回顾整个无线充电产业,“标准不统一”是第一个产业挑战。IVmesmc

据英飞凌张庆峰观察,最初整个无线充电的竞争可谓群雄混战,技术蓬勃发展,但标准一直没有统一。直到近年来才基本明确了三个方向,分别是:IVmesmc

  • 第一种:紧密耦合方式,也叫电磁感应。代表有WPC(无线充电联盟)的Qi标准,工作范围是在110-205KHz低频频段。目前市面主流的消费级电子产品都几乎在跟进WPC标准。2020年底,Qi标准最新标准——Qi1.3版本即将发布。
  • 第二种:磁场共振方式。代表有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,充电时会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:非耦合的方式(Uncoupled),通过包含射频、超声以及红外等无线的方式进行电力传输。

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“基于现有的标准,我们看好WPC的Qi标准发展趋势,因其具备较好的兼容性和互通性,并且能更好地保障设备和用户的安全。”张庆峰表示。调研机构Strategy Analytics数据显示,在过去几年里Qi相关市场稳定增长。2019年Qi终端出货量为4.65亿台,同比增长27%。尽管智能手机占据了最大的市场份额,但是具有无线充电功能的可穿戴设备的数量也在不断增长。IVmesmc

3.安全风险突出IVmesmc

值得一提的是,WPC的准全新1.3版本强制要求对无线充电设备进行强加密身份验证。这是因为近年来配备无线充电技术的电子设备越来越多,假冒伪劣的充电产品一直是个巨大的威胁。未经认证的充电器可能会损害设备的电池使用寿命,影响用户体验,甚至给品牌造成声誉损失。IVmesmc

当然,在WPC的准全新1.3版本中,并非所有的产品都被强制要求。对于所有大于5W的发射端设备才要求有基于硬件安全的身份鉴权,具体可参考下图。IVmesmc

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无线充电安全为何如此重要?

肯定会有读者疑问,我自个无线充电,能有多少安全隐患?IVmesmc

事实上,如果是购买官方正版的无线充电器,风险自然不大,顶多是设备的老化问题。但市面上已经出现了不少“山寨”无线充电器,外形与正版相似,仅凭肉眼难以区别。况且,使用不完全匹配的频段充电会损坏手机电池寿命,甚至存在火灾、爆炸等隐患。IVmesmc

此外,展望未来,无线充电器不仅可以给手机、手表等小型电子设备充电,还可以给中大型型的家用电器充电。最理想的场景是家里只有一个无线充电器底座,就可以给所有的电子设备充电,这样不仅能减少家里的充电线数量、释放空间,还能给家居嵌入更多智能化产品。但这对无线充电器的兼容性、安全性提出了更高的要求。IVmesmc

还有私有协议带来的安全问题。在WPC Qi1.3标准推出之前,已有不少厂家采用私有化方案来保障安全,包括用软件方案或协议包进行身份鉴权。这最大的问题是安全性低,容易被黑客破解和假冒伪劣。因此,“具有高效的安全保障”也是无线充电产业亟需解决的挑战之一。IVmesmc

英飞凌推出无线充电的安全芯片

作为全球第一大安全芯片的供应商,英飞凌科技在本月初推出了业界首款用于实现安全无线充电的身份验证解决方案——OPTIGA™Trust Charge。IVmesmc

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据介绍,该款安全芯片是针对Qi 1.3无线充电标准的嵌入式安全解决方案,它的安全身份验证可防止假冒和未经认证充电器,从而保护手机和用户的安全。IVmesmc

该芯片可用于智能手机、耳机、平板电脑、可穿戴设备或健康科技设备等小型个人电子设备的无线充电器,充电功率可高达15W。同时具备以下三个特点:IVmesmc

第一,适用于Qi1.3最新无线充电标准。新的Qi 1.3标准要求充电器和待充电设备之间进行强加密身份验证,以证明其真实性和符合标准。WPC仍在讨论使用至少根据CC/EAL4+(高)认证的硬件安全元件的相关细节。而OPTIGA™ Trust Charge身份验证芯片已通过通用标准EAL6+(高)认证,因此超过了Qi 1.3标准的安全性要求。IVmesmc

第二,超强安全性。英飞凌能够在一个安全且经过认证的环境中提供WPC指定的证书和密钥的个性化和注入,即可从晶圆级别注入密钥,制造商无需额外投资建设安全生产环境。IVmesmc

第三,可为OEM提供全面的系统集成支持。由于OPTIGA™ Trust Charge是一款交钥匙解决方案,它可以提供全面的系统集成支持,包括嵌入式软件、主机软件、开发板、参考板和文档等,实现快速简便的设计。IVmesmc

展望

就目前而言,无线充电的产业挑战还有“充电效率”和“成本”两方面。IVmesmc

对此张庆峰认为,从用户的角度来看,目前的无线和有线充电效率相差不大,可能在某些应用场景下无线充电会稍逊一筹。但只要能满足日常的基本使用需求,像40W、60W,那么无线充电的实际体验是会更科技感一些。目前WPC已经在规划Qi 1.4标准,按照Qi 1.4的标准应该会支持到60W充电功率,有望在未来一两年后敲定。IVmesmc

至于成本问题,张庆峰相信,随着产品更多的普及以及整个出货量的增加,无线充电产品的价格一定会下降。而且对于英飞凌来讲,因为自己本身具备许多安全芯片产品,在整个安全认证的流程以及合作伙伴方面有丰富经验,所以成本并不会是一个大的问题。相反,英飞凌会给客户以及合作伙伴提供最高安全等级的产品。IVmesmc

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此外,据《国际电子商情》了解,除了消费类和工业类以外,英飞凌正在研发车载应用的特殊版本,并有望于2021年初推出。张庆峰介绍道: “英飞凌有四大事业部,最大的事业部就是ATV——汽车事业部。无线充电正是汽车事业部一个主要的目标市场。目前已经和美国、日本、中国的客户一起针对车载无线充电专门做一些相应的方案开发。”IVmesmc

不过,车载级应用会比消费级和工业级有特定的要求,比如通过AEC-Q100安全认证,车载的电器特性、静电ESD处理都有较大差别,而且每一家车厂都会有定制化的要求设置,这使得车载无线充电市场还有待挖掘。IVmesmc

最后,张庆峰乐观地展望道:“总的来说,相信无论是汽车里的电子产品、还是给电动车本身充电,无论是前装还是后装市场,车载类的无线充电都会快速普及!”IVmesmc

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Momo Zhong
国际电子商情(Electronics Supply and Manufacturing-China)助理产业分析师,专注于PCB、电子工程、移动终端、智能家居等上下游垂直领域。
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