DE19836045A1

DE19836045A1 - Chipkarte mit elektronischer Sicherheitsschaltung

Info

Publication number: DE19836045A1
Application number: DE1998136045
Authority: DE
Inventors: Hans-Diedrich Kreft; Michael Jenning
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1998-08-10
Publication date: 2000-03-16
Anticipated expiration: 2018-08-11
Also published as: DE19836045C2

Abstract

Es wird eine Sicherheitsschaltung für eine Chipkarte beschrieben, welche das Ausforschen der Funktion eines Mikroprozessors in der Karte vermeidet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Chipkarte, enthaltend mindestens einen Chip 6 in dem elektronische Elemente wie Prozessoren, elektronische Speicher enthalten sind. Die Chipkarte enthält zur elektrischen Energieversorgung des Chips und zur bidirektionalen Datenübertragung von und zum Chip verschiedene Übertragungsmittel wie Kontakte 1, 2 und/oder kontaktfreie Übertragungsmittel wie Spulen und/oder Kondensatoren und/oder sonstige Energie und Datenübertragungsmittel. Durch Messung des elektrischen Leistungsverbrauches oder/und von Spannungsspitzen in einem Terminal, welches dem Chip einer Karte elektrische Energie zuführt, ist es möglich, Informationen über die Funktionsweise des Chips zu gewinnen. Je nach dem welche Befehle im Chip 6, 4 abgearbeitet werden, ist beispielsweise der Stromverbrauch unterschiedlich. Der Stromverbrauch kann bei einer Kontaktkarte beispielsweise in einem Terminal in das die Karte eingesteckt wird, gemessen werden, indem in einfacher Weise ein Fachmann eine Stromverbrauchsmessung an den Kontakten der Karte durchführt. Es kann auch Information über die Funktionsweise eines Chips gewonnen werden, indem Magnetfelder außerhalb des Chips einer Karte gemessen werden.

Aufgabenstellung

Es ist Ziel dieser zusätzlichen Erfindung die Schaltung der Anmeldung 198 26 151.9 weiter auszugestalten, indem das Ausspähen von Strom- und/oder Spannungsspitzen verhindert oder erschwert wird, und indem Mittel von kontaktlos arbeitenden Karten für die kontaktbehafteten verwen det werden.

Beschreibung der Patent-gemäßen Lösung

Die Patentbeschreibung gestattet es, die gestellte Aufgabe zu erfüllen.

Zu Anspruch 1

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in Anspruch 1 enthalten.

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Chipkarte mit einem Chip, in dem unterschiedliche ansteuerbare Bauelemente wie Speicher, Mikropro zessoren enthalten sind. Zur Energieversorgung des Chips und zur bi direktionalen Datenübertragung von und zum Chip können unterschiedlich ste Mittel dienen. Es sind Kontakte 3 (siehe Fig. 1) als auch Mittel zur kontaktlosen Datenübertragung in der Form von Spulen bekannt. Es kön nen auch Kondensatoren und/oder sonstige Energie und Datenübertragun gen und/oder Mittel vorgesehen sein, wie sie als elektronische, miniaturi sierte Elemente zur Aufnahme von Schall oder Druck oder zur kapazitiven Aufnahme elektrischer Signale bei Fingerprintsensoren vorhanden sind. Über die elektrische Leitungsverbindung A wird die gesamte Energiever sorgung des Chips 6 z. B. vom Kontakt 1 zur Verfügung gestellt, d. h. es fließt im Regelfall der gesamte im Chip verbrauchte Strom durch den Lei tungsweg A. A teilt sich im Chip in mindestens zwei elektrische Leitungs wege B, C auf. Über den Kontakt 1 erfolgt die Energieversorgung des Chips 6 aus einem Terminal beispielsweise durch den Pluspol einer Gleichspannungsquelle, wobei 2 den dazugehörigen Minuspol darstellt. Über den Leitungsweg B wird der Chipteil 4, der die üblichen Teile eines Chipkartenchips 6 wie Prozessor, Speicher für Programme und Daten, Busverbindungen enthält, elektrisch mit Energie versorgt. Bei der hier dar gestellten Ausgestaltung der Erfindung wird im Leitungsweg B auf ein Mit tel 3 zur Messung des Leistungsverbrauches verzichtet. Hierzu sind die Leitungswege B, C so ausgestaltet, dass die Summe der in ihnen fließen den Ströme sich zu einem konstanten Wert ergänzt, so dass im Stromweg A ein konstanter Strom fließt. Dies ist beispielsweise dadurch zu erreichen, dass im Mittel 5 Widerstände angeordnet sind, die zu oder abgeschaltet werden. Da der Stromverbrauch des Teiles 4 bereits vor seinem Einbau und vor seiner Funktion bekannt sein kann, können die Zuschaltungen des Mittels 5 ohne eine Messung eines Teiles 3 erfolgen.

Zu Anspruch 2

Im Leitungsweg C liegen die elektronischen Mittel 5, die es gestatten, den Stromverbrauch (Leistungsverbrauch) im Leitungsweg B auszugleichen. Bei den Mitteln 5 kann es sich um elektronische Elemente wie Widerstand, Kondensator, Spule, Stromquelle oder eine Kombination aus diesen Ele menten handeln. In der Regel wird es sich bei dem Mittel 5 um einen ohm schen Widerstand handeln. Es kann jedoch auch ein Kondensator vorge sehen sein, sofern beispielsweise die Ladungsträger des Kondensators zur Ergänzung des Ladungsträgerflusses (elektrischen Stromes) in B benötigt wird, der z. B. zum Laden, Entladen eines elektronischen Speichers (Spei chern von Ladungsträgern) wie eines EE-Proms erforderlich ist.

Zu Anspruch 3

Mit dem Zu- oder Abschalten von elektrischen Leistungsverbrauchern im Strompfad C und/oder B sind Schwingungsvorgänge elektrischer Größen verbunden, deren Frequenzen hoch (gering) sind, wenn die Schaltzeiten kurz (lang) sind. Die Schwingungsvorgänge treten z. B. als Spannungsspit zen auf, die über elektrische Leitungen A, B, C übertragen werden und de ren Auswertung in der Karte oder außerhalb Auskunft über das Zu- oder Abschalten von Leistungen und/oder Verbrauchern gibt. Es können auf dem Chip 6 Mittel 9 vorgesehen sein, die das Auftreten von Strom- und/oder Spannungsspitzen beim Zu- oder Abschalten von Leistungsver brauchern im Weg C vermeiden oder ausgleichen. Im einfachsten Fall sind Kondensatoren vorgesehen, die z. B. Spannungsspitzen mit dem Bezugs potential verbinden und derart niederohmig (Kondensator als Wech selspannungswiderstand) ableiten. Die Kondensatoren können die Leitun gen B, C mit der Masse (dem Bezugspotential, z. B. Punkt 2) verbinden.

Zu Anspruch 4

Unter Synchronisation wird hier, wie in der Technik üblich, das Überein stimmen zeitlicher Abläufe verstanden. Programmaufrufe in einem Prozes sor sind durch einen zeitlichen Ablauf bestimmt. Zu einem bestimmten Pro grammaufruf zum Zeitpunkt t2 kann der Leistungsverbrauch von Mittel 5 vorhersehbar geändert werden, indem die Änderung zum Zeitpunkt t1 er folgt, wobei t1 innerhalb eines kleines Zeitintervalls der Größe 2 × dt zwi schen t2-dt und t2+dt liegt. Durch diese synchronisierte ("gleichzeitige") Schaltung des Mittel 5 zum Zeitpunkt t2, können Spannungsspitzen quasi zum selben Zeitpunkt erzeugt werden. Da die Spannungsspitzen in ihrer Phase gemäß Fig. 3 um 180 Grad verschoben sind, eliminieren sie sich, sofern sie über die Leitungen B, C auf die Leitung A gleichzeitig übertra gen werden. In Fig. 3 ist veranschaulicht, dass im Zweig B die auftreten den Spannungsspitzen genau in ihrer Phase entgegengesetzt zu denen im Zweig C verlaufen. Dies resultiert aus der gegensinnigen Leistungsschal tung von Mittel 5 zum Verbraucher 4.

Zu Anspruch 5

Sind die Leitungen B und/oder C mit Mitteln 20 zur Filterung von elektro magnetischen Schwingungen versehen, können Spannungsspitzen mit ei ner bestimmten Grundfrequenz zum Bezugspotential des Chips 6 abgeleitet werden. Es ist beispielsweise ein Filter für die Frequenz Fd durchlässig (z. B. Filter aus den Elementen Kondansatoren, Spulen), kann ein Impuls mit einer Grundschwingung Fd das Filter passieren und kann gegen das Bezugspotential des Chips abgeleitet werden.

Zu Anspruch 6

Zwischen den Leitungen B und C können elektronische Mittel 21 vorgese hen sein, die einen elektronischen Schwingkreis 22 mit einer bestimmten Resonanzfrequenz fr darstellen. Ein solcher Schwingkreis bedarf einer energetischen Anregung, um zu schwingen. Die energetische Anregung verbraucht Energie. Energie steckt in den Spannungsspitzen, die auf den Leitungen B und/oder C vorhanden sind. Diese Spannungsspitzen enthal ten eine Grundfrequenz fs. Bei Übereinstimmung von fr mit fs wird der Schwingkreis zum Schwingen angeregt, die Anregungsenergie wird aus den Spannungsspitzen entnommen, womit die Energie der Spannungsspit zen vermindert wird.

Zu Anspruch 7

Zwischen den Eingängen 1, 2 als Leistungsgeber und den Mitteln 4, 5 als Leistungsverbraucher ist das Mittel 9 zur Erzeugung einer Wechselspan nung geschaltet. Diese Wechselspannung wird in Mittel 9 in eine Gleich spannung gewandelt, die dem Chip 6 als Leistungsquelle dient. Als Ein gangsleistung steht bei einer kontaktbehafteten Chipkarte vorzugsweise eine Gleichstromquelle, bei einer kontaktfreien Chipkarte vorzugsweise ei ne Wechselstromquelle (Gleichrichtung, der von einem Transformator übertragenen Wechselspannung) zur Verfügung. In beiden Fällen erzeugt Mittel 9 eine Gleichspannung und einen Gleichstrom an seinem Ausgang, die den Chip 6 versorgen. Sinn dieser Wandlung ist die Entkoppelung der Eingänge 1, 2 von den Schaltungsteilen auf dem Chip 6, womit ein Aus spähen über Spannungsspitzen vermieden werden soll, die bei Leistungs schaltung über den Stromweg A nachzuweisen sind. In diesem Falle dient das Mittel 9 als Leistungsversorgung des Chips 6 und die externe Lei stungsversorgung über 1 dient nur noch indirekt Chip 6 als Leistungsver sorgung. Um aus der konstanten Leistungsquelle an 1 eine Wechselquelle zu machen, kann Mittel 9 die Leistungszufuhr über die elektrische Leitung A unterbrechen oder öffnen. Mithin liegt an den elektronischen Teilen in Mittel 9 ein Schwingvorgang an. Ist in 9 beispielsweise ein Speicher für elektrische Ladungen (Kapazität) vorhanden, kann aus der Schwingung in Mittel 9 eine Gleichspannungsquelle generiert werden. Diese Leistung kann über A1 dem Chip 6 zur Aufrechterhaltung seiner Funktion zur Verfü gung gestellt werden. Für die Ausgestaltung des Mittels 9 sind viele For men denkbar. Es kann aus der Leistung, die über A eingespeist wird, eine periodische (kontinuierlich, periodisch: Sinuswelle; diskontinuierlich, peri odisch digitale Rechteckimpulse) Leistungseinspeisung in 9 erzeugt wer den. Aus dieser periodischen Einspeisung wird eine konstante im elektri schen Weg A1 erzeugt. Spannungsspitzen werden derart nicht direkt in den Leitungsweg A übertragen, da sie elektrisch entkoppelt sind.

Zu Anspruch 8

Gemäß Beschreibung DE 39 35 364 sind Karten und Kartenchips bekannt, die sowohl per Kontakt als auch per kontaktloser Energieeinspeisung be trieben werden. Soll vermieden werden, Information über die Arbeitsweise des Teiles 4 durch Messung elektrischer Daten an Punkt 1 zu erhalten, können die elektronischen Elemente einer kontaktfreien Energie- und/oder Dateneinspeisung vorteilhaft auch für die Kontaktversorgung genutzt wer den. Geschieht die kontaktfreie Einspeisung z. B. durch eine Transforma torschaltung über Spulen, Dioden, Kondensatoren (Elemente in Teil 10) können diese Elemente auch bei einer Gleichspannungseinspeisung ge nutzt werden, indem die Gleichspannung periodisch unterbrochen wird (in eine Schwingung gewandelt wird) und diese anschließend mit den Mitteln oder einem Teil der Mittel in 9 gleichgerichtet wird. Hierzu kann Mittel 9 elektronische Elemente 10 wie mechanische Schalter 11 und/oder elektro nische Schalter 15 und/oder Spulen 12 und/oder Kondensatoren 13 und/oder Dioden und/oder Elemente zur Erzeugung logischer Signale nut zen. Solche Elemente sind in der DE 39 35 364 angegeben und es ist dort auch beschrieben, wie ein logisches Signal erzeugt wird, mit dem unter schieden werden kann, von welchem Eingang (Kontakteingang oder kon taktfreier Eingang) die Versorgung erfolgt. Ein Mikroprozessor 4 würde so mit nicht direkt mit dem Anschluss 1 verbunden sein, sondern nur indirekt über die Teile in 9, wie sie bei der Gewinnung von Leistung aus einer kontaktlosen Übertragung von Energie und/oder Daten genutzt werden. Es werden in Mittel 9 mindestens einige der Elemente 10 verwendet, um aus einer ersten konstanten Spannungsquelle an A eine zweite konstante Spannungsquelle an A1 zur erzeugen. Diese Schaltung hat den Vorteil das bei einer im Markt bei Fachleuten bekannten CombiCard (Dual Interface Card) die Teile, die zur Gleichrichtung einer Wechselspannung erforderlich sind, auch bei Einspeisung einer Gleichspannung genutzt werden. Da per Teil 9 mit Hilfe der Elemente 10 auch Nachweise der Funktion von Mikro prozessor 4 eliminiert werden können, ist ein Chip herzustellen, der sowohl kontaktbehaftet als auch kontaktfrei arbeitet und die Möglichkeit der Aus spähung in der beschriebenen Weise vermeidet.

Beschreibung der Figuren Zu Fig. 1

Mit 1, 2 sind die Kontaktflächen, welche zum externen Terminal einer Karte führen, angegeben. Mit A ist der Leitungspfad gekennzeichnet, der die Ge samtversorgung des Chips 6 mit Leistung von der Kontaktseite gewährlei stet. Es ist das Teil 9 mit dem Unterteil 10, enthalten 11 als Schalter, 12 als Spule/n, 13 als Kondensatoren, 14 als Diode/n, 15 als elektronisch an steuerbare Schaltelemente wie Transistoren, Mosfet etc. skizziert. Der Ausgang von 9 ist A1, der sich in B, C aufteilt. Im Leitungspfad B liegen Teil 4 (der Mikroprozessor) und Teil 3 als Verbraucher elektrischer Leistung, im Pfad C liegt Teil 5 als Verbraucher. Zwischen C, B liegen die Mittel 20, 21, 22 gemäß vorstehender Beschreibung.

Zu Fig. 2

Es sind in die Leitungswege C, B die beiden vergrößert dargestellten Span nungsspitzen S1, S2 eingezeichnet. Da die Leistungen in C, B gegensinnig geschaltet werden, sind die Phasen der Spannungsspitzen S1, S2 eben falls gegensinnig. Werden S1, S2 an einen gemeinsamen Punkt der Lei tung A geführt, übelagern sie sich und ergänzen sich bei gleichzeitigem Auftreten in der Leitung A zu null. Die Dauer einer ersten vollen Schwin gung ist mit T angegeben.

Claims

1. Chipkarte mit einem Halbleiterchip, bei der zur Energieversorgung des Chips 6 und zur bidirektionalen Datenübertragung von und zum Chip 6 ver schiedene Übertragungsmittel wie Kontakte 1, 2 und/oder kontaktfreie Übertragungsmittel wie Spulen und/oder Kondensatoren und/oder sonstige Energie und Datenübertragungen und/oder Mittel vorgesehen sind, da durch gekennzeichnet, dass

1. ein oder mehrere Kontakte 1 zur Energieversorgung des Chips 6 aus ei nem Terminal dienen,
2. wobei im Chip 6 eine Leitung A mit dem oder den Kontakten 1 der Karte verbunden ist,
3. wobei sich die elektrische Leitungsverbindung A in mindestens zwei elektrische Leitungswege B, C aufteilt,
4. wobei über den Leitungsweg B der Chipteil 4 elektrisch mit Energie ver sorgt wird,
5. wobei Chipteil 4 die üblichen Teile eines Chipkartenchips 6 wie Prozes sor, Speicher für Programme und Daten, Busverbindungen enthält,
6. wobei die Leitungswege B, C so ausgestaltet sind, dass die Summe der in ihnen fließenden Ströme sich zu einem konstanten Wert ergänzt,
7. so dass im Stromweg A ein konstanter Strom fließt.

2. Chipkarte gemäß vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass

1. im Leitungsweg C ein Mittel 5 vorgesehen ist,
2. wobei Mittel 5 durch ein elektronisches Element wie Widerstand, Kon densator, Spule, Stromquelle oder eine Kombination aus diesen Ele menten ausgeführt ist.

3. Chipkarte gemäß vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass

1. auf dem Chip 6 Mittel 9 vorgesehen sind, die das Auftreten von Strom- und/oder Spannungsspitzen beim Zu- oder Abschalten von Leistungs verbrauchern in Weg C und/oder B vermeiden oder ausgleichen.

4. Chipkarte gemäß vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass

1. der Zeitpunkt t1, zu dem der Leistungsverbrauch von Mittel 5 geändert wird, synchronisiert ist mit einem Zeitpunkt t2,
2. wobei zu t2 ein bestimmter Programmaufruf im Prozessor 4 erzeugt wird.

5. Chipkarte gemäß vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass

1. die Leitungen B und/oder C mit Mitteln 20 zur Filterung von elektroma gnetischen Schwingungen vorgesehen sind,
2. wobei die Mittel 20 geeignet sind, Spannungsspitzen mit einer be stimmten Grundfrequenz zum Bezugspotential GND des Chips 6 abzu leiten.

6. Chipkarte gemäß vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass

1. zwischen den Leitungen B und C elektronische Mittel 21 vorhanden sind, die einen elektronischen Schwingkreis 22 mit einer bestimmten Resonanzfrequenz fr darstellen,
2. wobei die Spannungsspitzen, die auf den Leitungen B und/oder C vor handen sind, eine Grundfrequenz fs enthalten,
3. wobei bei Übereinstimmung von fs mit fr der Schwingkreis zum Schwin gen angeregt wird und die Anregungsenergie aus den Spannungsspit zen gewinnt,
4. womit die Energie der Spannungsspitzen verbraucht wird.

7. Chipkarte gemäß vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass

1. das Mittel 9 zur Erzeugung eine Wechselspannung dient,
2. wobei als Eingangsleistung für Mittel 9 entweder eine Gleichstromquelle oder eine Wechselstromquelle zur Verfügung steht,
3. wobei Mittel 9 eine Gleichspannung und einen Gleichstrom an seinem Ausgang dem Chip 6 zur Verfügung stellt.

8. Chipkarte gemäß vorstehendem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass

1. das Mittel 9 elektronische Elemente 10 wie mechanische Schalter 11 und/oder elektronische Schalter 15 und/oder Spulen 12 und/oder Kon densatore% 13 und/oder Dioden 14 und/oder Elemente zur Erzeugung logischer Signale 15 enthält, wie sie bei der Gewinnung von Leistung aus einer kontaktlosen Übertragung von Energie und/oder Daten ge nutzt werden,
2. wobei Mittel 9 mindestens einige der Elemente 10 verwendet, um aus einer ersten konstanten Spannungsquelle am Eingang A eine Wech selspannung und aus dieser am Ausgang A1 eine zweite, von A entkop pelte Gleichspannung zur Versorgung des Chips 6 oder von Teilen des Chips 6 zur Verfügung zu stellen.