CN112098815A

CN112098815A - 光检测结构及检测方法、安全芯片和电子卡

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Publication number: CN112098815A
Application number: CN202010984294.1A
Authority: CN
Inventors: 李立; 杨磊; 王韩
Original assignee: Tianjin Zhaoxun Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Tianjin Zhaoxun Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2020-12-18

Abstract

本发明公开了一种光检测结构，包括控制单元、检测单元，检测单元包括依次级联设置的暗电流消除电路、光电流产生电路和电量保持电路，光电流产生电路，包括第二光敏二极管、第二镜像电流源和第三镜像电流源，用于随动由第二光敏二极管因感应可见光而产生的光电流；暗电流消除电路，包括第一镜像电流源与第一光敏二极管，用于消除包括由第一光敏二极管和第二光敏二极管产生的暗电流；电量保持电路，包括电流源、保持电容和反相器，保持电容用于根据电流源进行充电或根据光电流进行放电，并经反相器输出光检测结果；控制单元，用于对比预设检测结果与光检测结果，判断是否存在光攻击。本发明能实现安全芯片的光攻击检测，电路结构简单，可靠性高。

Description

光检测结构及检测方法、安全芯片和电子卡

技术领域

本发明涉及一种光检测结构及检测方法、安全芯片和电子卡，属于安全芯片技术领域。

背景技术

安全芯片在信息社会的各个领域中应用广泛，主要功能包括对用户关键数据的安全存储、加密、解密以及身份识别等。其作为信息安全的核心部件，使得信息安全性大为增强，其应用正日益广泛地融入到国家安全和百姓生活的方方面面，尤其是与金融相关的应用。

然而，针对安全芯片进行的攻击也层出不穷，攻击手段也不断增多。对安全芯片来讲，除了本身具备高工艺品质制造，还要能防止恶意攻击破解芯片，以及硬件防篡改检测电路等安全特性。

安全芯片设计是一个比较复杂的系统工程，如何有效侦测安全芯片是否被攻击，实现和发现对受攻击的安全芯片的检测，提供高稳定性、高可靠性的安全防护，成为安全芯片亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种光检测结构。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种光检测方法。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种包含前述光检测结构的安全芯片。

本发明所要解决的再一技术问题在于提供一种包含前述光检测结构的电子卡。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种光检测结构，用于对安全芯片提供光检测自检，其包括控制单元、检测单元，所述检测单元包括依次级联设置的暗电流消除电路、光电流产生电路和电量保持电路，其中：

所述光电流产生电路，包括第二光敏二极管、第二镜像电流源和第三镜像电流源，用于随动由所述第二光敏二极管因感应可见光而产生的光电流；

所述暗电流消除电路，包括第一镜像电流源与第一光敏二极管，用于消除包括由所述第一光敏二极管和所述第二光敏二极管产生的暗电流；

所述电量保持电路，包括电流源、保持电容和反相器，所述保持电容用于根据所述电流源进行充电或根据所述光电流进行放电，并经所述反相器输出光检测结果；

所述控制单元，用于对比预设检测结果与所述光检测结果，判断是否存在可见光攻击。

其中较优地，所述暗电流消除电路中，包括所述第一光敏二极管、第一场效应管和第二场效应管，其中：

所述第一光敏二极管的正极与第一共节点连接，负极与第一场效应管的触发端和第一端连接；

所述第一场效应管的触发端与第二场效应管的触发极连接，第二端与第二共节点连接；

所述第二场效应管的第一端与光电流产生电路连接，第二端与第二共节点连接；

其中，所述第一共节点为所述第一光敏二极管的正极与所述光电流产生电路的连接点，所述第二共节点为第一场效应管的第二端与所述第二场效应管的第二端的连接点。

其中较优地，光电流产生电路中，包括所述第二光敏二极管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管，其中：

所述第二光敏二极管的正极与所述第一共节点连接，负极与第二场效应管的第一端连接，还与第三场效应管的触发端和第一端连接；

所述第三场效应管的触发端还与所述第四场效应管的触发端连接，第二端与第二共节点连接；

所述第四场效应管的第一端与所述第五场效应管的触发端和第一端连接，第二端与第二共节点连接；

所述第五场效应管的触发端还与所述第六场效应管的触发端连接，第二端与第一共节点连接；

所述第六场效应管的第一端与电量保持电路连接，第二端与一共节点连接。

其中较优地，所述第一光敏二极管和所述第二光敏二极管的响应率大小比例范围为1:5～10。

其中较优地，所述第一光敏二极管和所述第二光敏二极管的响应率大小比例为1:8。

其中较优地，电量保持电路包括电流源、保持电容和反相器，其中：

所述电流源的一端连接所述第二共节点，另一端连接所述保持电容的一端；

所述保持电容的另一端连接所述第一共节点；

所述反相器的输入端连接于所述电流源与所述保持电容之间，所述反相器的输出端输出报警信号。

其中较优地，所述第一场效应管至所述第四场效应管为P型场效应管，所述第五场效应管和所述第六场效应管为N型场效应管。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种光检测方法，其包括以下步骤：

通过光电流产生电路，随动由第二光敏二极管因感应可见光而产生的光电流；

通过暗电流消除电路，消除包括由第二光敏二极管产生的暗电流；

通过电量保持电路，根据电流源进行充电或根据所述光电流进行放电，并输出光检测结果；

通过控制单元，对比预设检测结果与所述光检测结果，判断是否存在可见光攻击。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种安全芯片，包括前述的光检测结构。

根据本发明实施例的第四方面，提供一种金融卡，包括前述的安全芯片。

本发明具有以下技术效果：在安全芯片上电时，先通过电流源I将 Vt点电压预置为高电平，若有可见光照射到安全芯片上时，光检测结构开始正常工作。一旦转为低电平，则报警。从而，以简单的结构实现安全芯片的有关光攻击检测，可靠性高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光检测结构的原理框图；

图2为本发明实施例提供的光检测结构的电路原理图；

图3为本发明实施例提供的光检测方法的流程示意图；

附图标识中：

1-控制单元；

2-检测单元；21-暗电流消除电路；22-光电流产生电路；23-电量保持电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

激光攻击对安全芯片的信息安全带来极大挑战，作为抵抗激光攻击的光检测手段，是安全芯片的关键部分。本发明的技术构思在于：安全芯片受到激光攻击或因暴露而照光，在某种程度上会出现光照进入内部的现象，本发明通过检测安全芯片是否受到光照进而判断安全芯片是否受到物理攻击，从而实现是否有破坏芯片封装等入侵行为的检测。在此基础上，进而关闭时钟或电源，清除存储器重要信息或敏感信息，或者做出一些其他响应，保证安全芯片的信息安全。

实施例1：

本实施例提供一种应用于安全芯片的光检测结构及光检测方法，通过光检测功能，实现是否有破坏芯片封装等入侵行为的检测，产生报警信号。进而，安全芯片可关闭时钟或电源，清除存储器重要信息或做出一些响应，保证安全芯片的信息安全。

在本实施例中，通过对因光照引起的暗电流的检测，实现安全芯片是否受到攻击的报警。如图1所示为光检测结构的基本原理图，该光检测结构，用于对安全芯片提供光检测自检，其包括控制单元1、检测单元2，检测单元2包括依次级联设置的暗电流消除电路21、光电流产生电路22和电量保持电路23，其中：

暗电流消除电路21，包括第一镜像电流源与第一光敏二极管，用于消除包括由第一光敏二极管和第二光敏二极管产生的暗电流；

光电流产生电路22，包括第二光敏二极管、第二镜像电流源和第三镜像电流源，用于随动由第二光敏二极管因感应可见光而产生的光电流；

电量保持电路23，包括电流源、保持电容和反相器，保持电容用于根据电流源进行充电或根据光电流进行放电，并经反相器输出光检测结果；

控制单元1，用于对比预设检测结果与光检测结果，判断是否存在可见光攻击。

如图2为光检测结构的电路原理图。在暗电流消除电路21中，包括第一光敏二极管D1、第一场效应管M1和第二场效应管M2，其中，第一光敏二极管D1的正极与第一共节点A连接，负极与第一场效应管M1的触发端和第一端连接。第一场效应管M1的触发端与第二场效应管M2的触发极连接，第二端与第二共节点B连接；第二场效应管 M2的第一端与光电流产生电路22连接，第二端与第二共节点B连接。其中，第一共节点A为第一光敏二极管D1的正极与光电流产生电路 22的连接点，第二共节点B为第一场效应管M1的第二端与第二场效应管M2的第二端的连接点。暗电流(dark current)也称无照电流，指在没有光照射的状态下,在光敏二极管等受光元件中流动的电流。

光电流产生电路22中，包括第二光敏二极管D2、第三场效应管 M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5和第六场效应管M6，均为 MOS场效应管。第二光敏二极管D2的正极与第一共节点A连接，负极与第二场效应管M2的源极端连接，还与第三场效应管M3的触发端 (栅极)和源极端连接；第三场效应管M3的触发端(栅极)还与第四场效应管M4的触发端(栅极)连接，第三场效应管M3的漏极端与第二共节点B连接；第四场效应管M4的源极端与第五场效应管M5 的触发端(栅极)和源极端连接，漏极端与第二共节点B连接；第五场效应管M5的触发端还与第六场效应管M6的触发端(栅极)连接，源极端与第一共节点A连接；第六场效应管M6的第一端(漏极)与电量保持电路23连接，第二端(源极)与一共节点A连接。

光敏二极管又称光电二极管，其利用硅PN结受光照后产生光电流。同一型号的光敏二极管在一定的反偏电压、相同强度和不同波长的入射光照射下，产生的光电流并不相同，但有一最大值。不同型号的光敏二极管在同一反偏电压、同一强度的入射光照射下，所产生的光电流最大值也不相同，且光电流最大值所对应的入射光的波长也不相同。光敏二极管的PN结的面积越大，越便于接收入射光。光敏二极管在反向电压作用下工作，没有光照时，反向电流极其微弱，称暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称光电流。光的强度越大，反向电流也越大，从而光的变化引起光敏二极管电流变化，实现光信号到电信号的转换。

在本实施例中，第一光敏二极管D1和第二光敏二极管D2的响应率大小比例范围为1:5-10。为了尽可能的将第一光敏二极管D1和第二光敏二极管D2产生的暗电流消除，在目前的工艺下，优选为响应率大小比例为1:8。该响应率比例影响电量保持电路23部分保持电容的充放电时间，若保持电容的响应率比例不当，导致保持电容的充放电时间变长，则将导致该结构对光的敏感程度变弱。在设计规划过程中，该响应率比例根据应用场景由实际仿真参数决定，这里不再赘述。

电量保持电路23包括电流源I、保持电容C和反相器，电流源I 的一端连接第二共节点B，另一端连接保持电容C的一端；保持电容 C的另一端连接第一共节点A。反相器的输入端连接于电流源I与保持电容C之间，电流源I、保持电容C和反相器的输入端的连接点处的电压为Vt，反相器的输出端输出报警信号LD_DT。

在电量保持电路23中，其电容经过实际设计和仿真，每间隔一段时间(充电周期)，在保持电容的电量未彻底放完之前充电，以保证保持电容C处于一直有电的状态。其作用在于：电流源I为保持电容C 充电，光敏二极管的暗电流的变化，会导致保持电容C在规定的时间内慢慢放电(如果不充电一定会慢慢放电完)。如果没有光照，则保持电容C持续慢慢放电的状态；如果突然有光被光敏二极管接收到，则由于光敏二极管的导通性变好，会导致保持电容C迅速放电，并将电量很快放光，相当于电压降的足够低。此时，反相器取反后为高电平1，则认为有光照异常，说明有光通过。

在本实施例中，光敏二极管在没有光照射的时候，会存在一部分的暗电流，所以第一光敏二极管D1会产生暗电流，该暗电流通过第一场效应管M1、第二场效应管M2按比例1:8镜像，将该电流与第二光敏二极管D2产生的暗电流消除，来保证检测的可靠性。根据二极管及场效应管的参数，第一场效应管M1、第二场效应管M2由仿真决定，以二者的暗电流能够被消除为准，从而实现该结构的可靠工作。

在本实施例中，第二光敏二极管D2是用于产生光检测电流，当检测到可见光时：第三场效应管M3、第四场效应管M4的触发极被拉低，从而第三场效应管M3、第四场效应管M4导通；进而，第四场效应管 M4输出高电平，第五场效应管M5、第六场效应管M6的触发极被拉高，从而第五场效应管M5、第六场效应管M6导通，也就是说通过第三场效应管M3、第四场效应管M4和第五场效应管M5、第六场效应管M6将电流源I的输出端的Vt点电压拉低，从而使得经反相器反相后输出高电平的LD_DT，实现光检测报警。

本实施例的光检测结构，可设置于存储器旁边，对存储数据实施保护。本实施例中，该电路的工作原理为：

该光检测结构在安全芯片上电时，先通过电流源I将Vt点电压预置为高电平，若有可见光照射到安全芯片上时，光检测结构开始正常工作。Vt电压一旦被光检测结构的第二场效应管M2拉低，则光检测结构输出结果为1，实现检测报警。

在本实施例中，以第一场效应管至第四场效应管为P型场效应管，第五场效应管和第六场效应管为N型场效应管作为示例。应该理解的是，本实施例中选用的场效应管并不限定如上所示的场效应管型号，只要其功能、端口连接能实现上述功能即可，这里不做限定。并且，该光检测结构的电路结构并不限于上述示例，只要能实现相同功能的电路形式均可，这里不做限定。

本发明实施例中的光检测方法包括以下步骤：

通过暗电流消除电路，包括第一镜像电流源与第一光敏二极管，消除包括由第一光敏二极管和第二光敏二极管产生的暗电流；

通过电量保持电路，根据电流源进行充电或根据光电流进行放电，并输出光检测结果；

通过控制单元，对比预设检测结果与光检测结果，判断是否存在可见光攻击。

上述示例的对供电电源进行光检测结构及其光检测方法，能实现安全芯片的有关光攻击检测，电路结构简单，可靠性高。

实施例2：

本实施例提供一种包括上述光检测结构，并应用上述光检测方法的安全芯片。

该安全芯片可以应用于具有较高的信息安全等级的信息保护的卡片中，例如可以应用于金融卡等。

实施例3：

本实施例提供一种包括上述安全芯片的电子卡。

该电子卡可以为银行卡、公交卡或地铁卡等涉及到金融交易的卡片。该卡片可以为接触式或非接触式。应该理解的是，该电子卡也可以是指纹卡、门禁卡，或者其他形式的包含安全芯片的电子卡、电子部件(例如密码器)。

上面对本发明进行了详细的说明。可以理解，上述实施例中的技术特征是可以结合的，在此只是为了描述的方便将其分为多个实施例进行描述。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims

1.一种光检测结构，用于对安全芯片提供光检测自检，其特征在于包括控制单元、检测单元，所述检测单元包括依次级联设置的暗电流消除电路、光电流产生电路和电量保持电路，其中：

2.如权利要求1所述的光检测结构，其特征在于：所述暗电流消除电路中，包括所述第一光敏二极管、第一场效应管和第二场效应管，其中：

3.如权利要求2所述的光检测结构，其特征在于：光电流产生电路中，包括所述第二光敏二极管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管，其中：

4.如权利要求3所述的光检测结构，其特征在于：所述第一光敏二极管和所述第二光敏二极管的响应率大小比例范围为1:5～10。

5.如权利要求4所述的光检测结构，其特征在于：所述第一光敏二极管和所述第二光敏二极管的响应率大小比例为1:8。

6.如权利要求3所述的光检测结构，其特征在于：所述电量保持电路包括电流源、保持电容和反相器，其中：

所述保持电容的另一端连接所述第一共节点；

7.如权利要求3所述的光检测结构，其特征在于：所述第一场效应管至所述第四场效应管为P型场效应管，所述第五场效应管和所述第六场效应管为N型场效应管。

8.一种光检测方法，其特征在于包括以下步骤：

9.一种安全芯片，其特征在于包括权利要求1～8中任意一项所述的光检测结构。

10.一种电子卡，其特征在于包括权利要求10所述的安全芯片。